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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE ALIMENTOS Y
BIOTECNOLOGÍA
“OBTENCIÓN DE JUGOS CLARIFICADOS CONCENTRADOS DE
MORA (Rubus glaucus), TOMATE DE ÁRBOL (Solanum
betaceum) Y NARANJILLA (Solanum quitoense) MEDIANTE EL
USO DE TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS”
TESIS DE POSTGRADO PREVIA A LA OBTENCIÓN DE LA MAESTRÍA
(MASTER OF SCIENCE - M.Sc.) EN CIENCIAS DE LOS ALIMENTOS
VERÓNICA ELIZABETH MARCILLO PARRA
Ingeniera Química
DIRECTOR: EDWIN VERA CALLE Ph.D. [email protected]
QUITO – ECUADOR
2010
DECLARACIÓN
Yo, Verónica Elizabeth Marcillo Parra, declaro bajo juramento que el trabajo
aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para
ningún grado o calificación profesional; y que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo
establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
Normatividad Institucional vigente.
________________________
Verónica Elizabeth Marcillo Parra
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Verónica Elizabeth
Marcillo Parra, bajo mi supevisión.
______________________________
Edwin Vera Ph.D.
DIRECTOR DE TESIS
El presente trabajo fue realizado en el Departamento de Ciencia de Alimentos y
Biotecnología de la Escuela Politécnica Nacional en Quito – Ecuador y fue
financiado por el Proyecto de la Comunidad Europea FP6-2003-INCO-DEV-2
CONTRATO (015279) “Producing adding value from under-utilized tropical fruit
crops with high commercial potential” (PAVUC).
AGRADECIMIENTO
A mi Dios y a mi Madre Santísima, por todo lo que me han dado, en cada uno
de los días de mi vida.
Porque a pesar de que muchas personas, quieren opacar su gran virtud de
entrega al trabajo, yo tengo que dar un profundo agradecimiento a la Dra.
Jenny Ruales, por darme la oportunidad de dar un paso más en mi carrera
profesional, a través de mi trabajo en el proyecto PAVUC, pero principalmente,
por su enseñanza con su ejemplo de vida, a ser una persona más humana,
soñadora y siempre preparada para servir al país.
Al Dr. Edwin Vera porque con sus valiosos conocimientos, supo dirigir y
colaborar de forma certera la dirección de este proyecto de investigación.
Además, muchas gracias por la amistad brindada en todo momento.
Yo no hablo, ni escribo portugués, pero no podía dejar de decir estas pocas
palabras a la Dra. Virgínia Matta investigadora de EMBRAPA Agroindustria de
Alimentos. Yo estoy muy agradecida por su orientación y apoyo en este
proyecto de investigación. Tuve mucha suerte en conocer una persona que no
solo supo compartirme sus conocimientos, si no que me brindó su amistad y
cariño sincero.
A todas las personas que trabajan y realizaban sus proyectos de investigación
en la planta piloto II de EMBRAPA, Lourdes, Edmar, Angela, Sonia, Regina,
Flávia, en especial a Ana Paula y Luiz Fernando, mil gracias por su ayuda en
mi trabajo y su amistad, durante mi tiempo en Río de Janeiro.
A todo el personal del Departamento de Ciencias de Alimentos y Biotecnología
de la Escuela Politécnica Nacional, por su amistad y cariño. En especial a Don
Héctor Ortiz, una persona muy humana y trabajadora, siempre listo a colaborar
con todos los estudiantes que hemos necesitado de su ayuda.
Como no agradecer millones de veces, a mi amado esposo y adorado hijo, por
su comprensión y amor. El apoyo de ustedes fue mi mejor soporte. Son lo
máximo en mi vida.
A mis amados padres Miguel y Elvia, que han sido mi ejemplo y apoyo
incondicional en todos los momentos de mi vida. A toda mi querida familia, mis
hermanos, cuñadas y sobrinos, que me han apoyado con su cariño y confianza,
muchas gracias por estar siempre conmigo.
A mis amigas Elena B., Elena C., Mayra A., Silvia O. con quienes he
compartido los buenos y malos momentos que hemos tenido cada una.
A todos los chicos de tesistas por hacer que el trabajo en el DECAB hayan sido
momentos gratos para todos nosotros. Mil gracias Hugo y Gaby por su
colaboración en los momentos que más necesite de ayuda en la planta piloto.
A todas las personas que de una u otra forma siempre colaboraron conmigo
para la culminación de este proyecto, principalmente cuando se presentaban
problemas inimaginables.
DEDICATORIA
A mi gordita y mi viejito del alma, por su entrega y amor …
Los amo con toda mi corazón
ÍNDICE RESUMEN ....................................................................................................................... i
ABSTRACT ..................................................................................................................... ii
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... iii
1. OBJETIVOS .............................................................................................................. v
1.1. OBJETIVO GENERAL ..................................................................................... v
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................. v
2. LITERATURA .......................................................................................................... 1
2.1. GENERALIDADES DE FRUTAS EN EL ECUADOR ................................... 1
2.1.1. MORA (Rubus glaucus) .............................................................................. 1
2.1.2. NARANJILLA (Solanum quitoense) .......................................................... 4
2.1.3. TOMATE DE ÁRBOL (Solanum betaceum) ............................................. 6
2.2. JUGOS DE FRUTAS Y SU INTERÉS EN EL MERCADO ............................ 9
2.3. TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS ............................................................... 10
2.3.1. MEMBRANAS ......................................................................................... 11
2.3.1.1. Tipos de Membranas ..................................................................... 12
2.3.1.2. Características de las Membranas de Filtración ............................ 14
2.3.2. CONFIGURACIONES DE MÓDULOS DE MEMBRANAS ................. 17
2.3.3. TIPOS DE FILTRACIÓN RESPECTO DE LA MEMBRANA .............. 22
2.3.4. FACTORES LIMITANTES EN EL RENDIMIENTO DE LOS
PROCESOS CON MEMBRANAS .......................................................... 23
2.3.5. LIMPIEZA Y DESINFECCIÓN DE LAS MEMBRANAS ..................... 26
2.3.6. PROCESOS DE SEPARACIÓN CON MEMBRANAS .......................... 27
2.3.6.1. Microfiltración ............................................................................... 28
2.3.6.2. Ósmosis Inversa ............................................................................. 29
2.3.7. TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS EN LA INDUSTRIA DE JUGOS . 31
3. RESUMEN DEL TRABAJO .................................................................................. 39
4. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 43
ARTÍCULO I .................................................................................................................. 49
ARTÍCULO II ................................................................................................................ 53
ARTÍCULO III ............................................................................................................... 64
ARTÍCULO IV ............................................................................................................... 69
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1.- Mora de Castilla (Rubus glaucus). ................................................ 2
FIGURA 2.2.- Naranjilla (Solanum quitoense). .................................................... 4
FIGURA 2.3.- Tomate de Árbol Morado (Solanum betaceum). ........................... 7
FIGURA 2.4.- Filtración por membranas. .......................................................... 11
FIGURA 2.5.- Fotografías de las secciones transversales de una a) membrana
porosa PEI y b) membrana densa de silicona............................ 12
FIGURA 2.6.- Configuraciones de membranas. ................................................ 18
FIGURA 2.7.- Esquema de una membrana plana en un módulo de placas. .... 19
FIGURA 2.8.- Esquema de una membrana plana en un módulo espiral. ......... 20
FIGURA 2.9.- Esquema de un módulo tubular (P.C.I. Membranes). ................ 21
FIGURA 2.10.- Esquema de un módulo de fibras huecas. ................................ 22
FIGURA 2.11.- Esquema de tipos de filtración respecto de la membrana. ....... 23
FIGURA 2.12.- Fenómeno de polarización de la concentración. ...................... 24
FIGURA 2.13.- Procesos de membrana cuya fuerza impulsora es la presión. . 27
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 2.1.- Caracterización de la Mora de Castilla. .......................................... 3
TABLA 2.2.- Caracterización de la Naranjilla. ...................................................... 5
TABLA 2.3.- Caracterización del Tomate de Árbol. ............................................. 8
TABLA 2.4.- Materiales usados en la fabricación de membranas. .................... 14
ABREVIATURAS
DO Destilación osmótica
HPLC High Performance Liquid Chromatography
IICA Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura
INIAP Instituto Nacional Autónomo de Investigaciones Agropecuarias
MF Microfiltración
OI Ósmosis inversa
UF Ultrafiltración
UTA Universidad Técnica de Ambato
UNIDADES
% porcentaje bar bares °C grado Centígrados g gramo h hora in pulgadas kDa kilo Daltons kPa kilo Pascales l litros m metro m2 metro cuadrado mg miligramo ml mililitro mm milímetro nm nanómetro µm micrómetro µmol micromol s segundo UI unidades internacionales
LISTA DE ARTÍCULOS
Este trabajo de tesis está basado en los siguientes artículos, descritos por los
siguientes números romanos:
I. Utilización de tecnología de membranas para la obtención de jugo
clarificado concentrado de mora (Rubus glaucus).
Marcillo, V.; Cruz, A.P.G.; Cabral, L.M.C.; Matta, V.M.; Vera, E.; Ruales, J.
Publicado en la revista: Alimentos Ciencia e Ingeniería. Volumen 16 (1).
2007.
II. Evaluación de la concentración de jugo de mora (Rubus glaucus) por
ósmosis inversa en módulos de diferentes configuraciones.
Verónica Marcillo, Virgínia Matta, Edwin Vera y Jenny Ruales
Manuscrito
III. Obtención de jugos clarificados concentrados de naranjilla (Solanum
quitoense) usando tecnología de membranas.
Verónica Marcillo, Edwin Vera y Jenny Ruales
Publicado en la revista: Alimentos Hoy de la Asociación Colombiana de
Ciencia y Tecnología de Alimentos. “Congreso Iberoamericano de
Ingeniería de Alimentos-CIBIA VII”. Edición especial N°12 Septiembre de
2009.
IV. Concentración por ósmosis inversa de jugos de frutas andinas con
capacidad antioxidante: mora (Rubus glaucus), naranjilla (Solanum
quitoense) y tomate de árbol morado (Solanum betaceum).
Verónica Marcillo, Virgínia Matta, Edwin Vera y Jenny Ruales
Manuscrito
i
RESUMEN
La presente investigación estudia los procesos de obtención de jugos
concentrados, a partir de jugos clarificados de frutas andinas como mora
(Rubus glaucus), tomate de árbol morado (Solanum betaceum) y naranjilla
(Solanum quitoense), mediante el uso de tecnología de membranas.
En las pruebas experimentales de concentración se utilizaron jugos
clarificados de las tres frutas en estudio, los cuales fueron obtenidos de pulpas
frescas, previamente enzimadas y luego microfiltradas tangencialmente. El
proceso de concentración se realizó por ósmosis inversa y se evaluó,
principalmente, el efecto de los parámetros operacionales (temperatura y
presión) y los tipos de módulos (espiral, placas y tubular) sobre la retención de
vitamina C, antocianinas, polifenoles y de la actividad antioxidante de los
productos obtenidos.
Los resultados mostraron que operando los tres módulos a las mismas
condiciones (25 °C y 40 bar) se obtuvieron jugos clarificados concentrados de
mora de alrededor de 20 °Brix con un factor de concentración de 2,3;
capacidades antioxidantes mayores a los 3357 µmol Trolox/100 g y con
retenciones de antocianinas y polifenoles superiores al 90%. Por otra parte,
cuando la concentración se realizó en el módulo tubular a 30 °C y 60 bar, los
jugos clarificados de mora, tomate de árbol morado y naranjilla se concentraron
hasta 24,9; 23,5 y 24,7 °Brix, respectivamente, con un factor de concentración
de tres aproximadamente. Un jugo muy interesante fue el clarificado
concentrado de mora, ya que presentó mayores contenidos de vitamina C (23
mg/100 g), polifenoles totales (905 mg Ácido Gálico/100 g), antocianinas (259
mg Cianidina-3-glucósido/100 g) y una alta capacidad antioxidante (4409 µmol
Trolox/100 g) con respecto a los otros dos jugos.
En conclusión, los procesos con membranas como la microfiltración y
ósmosis inversa permitieron la obtención de jugos clarificados y concentrados
de frutas con buenas características nutricionales y funcionales.
ii
ABSTRACT
This research studies the production processes of concentrated juice
from clarified juices of andean blackberry (Rubus glaucus), purple red tree
tomato (Solanum betaceum) and naranjilla (Solanum quitoense), using
membrane technology.
In the concentration tests, clarified juices were used as raw material to
the three processes. Clarified juices were obtained from fresh pulp, which were
pretreated with enzymes and tangentially microfiltered. The concentration was
performed by reverse osmosis and the effect of operational parameters
(temperature and pressure) and modules types (spiral, plate and frame and
tubular) on the retention of components such as vitamin C, anthocyanins and
polyphenols were analyzed besides, the antioxidant activity of the obtained
products.
Results showed that when the different modules were operated at the
same conditions (25 °C and 40 bar), the clarified concentrated blackberry juices
were concentrated up to 20 °Brix approximately with a concentration factor of
2,3; the antioxidant capacities were superior to 3357 µmol Trolox/100 g and the
retention of anthocyanins and polyphenols were higher than 90% for all the
systems. When, the clarified juices were concentrated in the tubular module at
60 bar and 30 °C, the tests showed that the clarified juices of blackberry, purple
red tree tomato and naranjilla could be concentrated up to 24,9; 23,5 and 24,7
°Brix, respectively with a concentration factor around three. Concentrated
blackberry juice presented the highest presence of vitamin C (23 mg/100 g),
total polyphenols (905 mg galic acid/100g), anthocyanins (259 mg cyanidin-3-
glycoside/100 g) and antioxidant capacity (4409 µmol trolox/100g).
In conclusion, the membrane process such as microfiltration and reverse
osmosis allowed obtaining clarified and concentrated fruit juices with good
nutritional and functional characteristics.
iii
INTRODUCCIÓN
Ecuador posee condiciones naturales favorables para el desarrollo de
una gran variedad de productos frutícolas (mora, naranjilla, tomate de árbol,
babaco, granadilla, taxo, pitahaya, chirimoya, etc.). Frutas como la mora,
naranjilla y tomate de árbol son muy comerciables en el mercado interno por
sus excelentes propiedades sensoriales, además de su gran versatilidad para
la preparación de varios productos alimenticios como jugos, néctares,
mermeladas, jaleas, dulces, helados, etc. (Martínez, 2002).
Por otro lado, existen varias investigaciones epidemiológicas que han
mostrado que el consumo de frutas y vegetales ayudan en la prevención de
varios tipos de cáncer, enfermedades cardiovasculares y una variedad de
infecciones (Wargovich, 2000; Joshipura et al., 2001; Heber, 2004; Zafra-Stone
et al., 2007). Esto debido, principalmente, a las características funcionales que
poseen algunos componentes de las frutas como son la vitamina C,
antocianinas, carotenos y algunos compuestos fenólicos, ya que estos
componentes poseen una gran actividad antioxidante (García et al., 2004).
La actividad antioxidante de estos componentes ayuda a prevenir y
disminuir la formación de radicales libres en el organismo de las personas. Los
radicales libres como el superóxido (O2-), el óxido nítrico (NO-), etc. e incluso
moléculas como el peróxido de hidrógeno (H2O2) son especies oxigénicas
altamente reactivas, generadas por el mismo metabolismo oxidativo del
organismo y cuando se incrementa la presencia de estas especies puede
ocurrir un severo daño celular en el individuo y generar las enfermedades
antes mencionadas (Bravo, 1998; Pérez y Pérez, 2000; Huang et al., 2005).
Es así que, los cambios en los hábitos alimenticios de las personas han
impulsado el desarrollo frutícola, de variedades de frutas frescas y sus
productos derivados. Por lo que, el desarrollo de productos que preserven las
características sensoriales (buen sabor, aroma y color), nutricionales
(presencia de vitaminas) y funcionales (presencia de antioxidantes) de las
iv
frutas frescas se ha vuelto un desafío para las nuevas tecnologías (Sabbe et
al., 2009).
El jugo de fruta es una excelente alternativa para dar valor agregado a la
materia prima, por medio de una transformación industrial (Murillo, 2006).
Actualmente, la conservación de jugos es efectuada básicamente por
tratamiento térmico (pasteurización, concentración por evaporación) asociado o
no a conservadores químicos. Estos procesos prolongan la vida útil del jugo,
pero también ocasionan pérdidas de algunos componentes volátiles (que son
los responsables del aroma), vitaminas y otros compuestos de interés como los
polifenoles, antocianinas, etc. (Ashurst, 1995; Galaverna et al., 2008).
Los procesos con membranas se presentan como una alternativa a los
procesos convencionales, para el procesamiento de frutas. Esta tecnología
permite obtener una nueva variedad de jugos de frutas, como son los
clarificados y concentrados; los cuales son más estables que los jugos opacos
y que además, pueden ser ingrediente de otros tipos de bebidas como son las
bebidas gaseosas, alcohólicas, energéticas para deportistas, etc. (Vaillant et
al., 2001; Jiao et al., 2004; Galaverna et al., 2008).
La tecnología de separación por membranas se basa en que
componentes de una mezcla líquida o gaseosa, de acuerdo a sus
características moleculares, permean selectivamente a través de una
determinada membrana, impulsados por una fuerza motriz que varía según los
diferentes procesos (Porter, 1990). El uso de membranas ofrece ventajas
principalmente en las condiciones de operación, la cuales son moderadas
(temperaturas ambientales) y por ende existe una minimización de daños
térmicos en los productos obtenidos (Grandison y Lewis, 1996; Jiao et al.,
2004).
Procesar frutas ecuatorianas con tecnología de membranas para
obtención de jugos puede permitir desarrollar nuevos y variados productos en
bebidas en base de frutas.
v
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
El objetivo principal de esta investigación es desarrollar un proceso para
obtención de jugos clarificados concentrados de frutas andinas, como la mora
(Rubus glaucus), tomate de árbol (Solanum betaceum) y naranjilla (Solanum
quitoense), mediante el uso de tecnología de membranas, evaluando las
propiedades físico-químicas, químicas y nutricionales de los productos
obtenidos.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Evaluar los parámetros de operación para la concentración por ósmosis
inversa de jugos clarificados de mora, tomate de árbol morado y naranjilla.
Comparar las geometrías y/o tipos de membranas sobre la eficiencia del
proceso de concentración por ósmosis inversa, en función del flujo de
permeado y de la retención de componentes como los sólidos solubles,
polifenoles, antocianinas y capacidad antioxidante, presentes en los jugos
concentrados.
Analizar y evaluar las propiedades físico-químicas, químicas y nutricionales
de los productos obtenidos en cada uno de los procesos.
1
2. LITERATURA
2.1. GENERALIDADES DE FRUTAS EN EL ECUADOR
Los cambios en los ámbitos alimenticios han impulsado el desarrollo del
sector frutícola a nivel mundial. Algunos países tropicales o subtropicales como
Ecuador, Colombia, Perú, entre otros, poseen condiciones naturales favorables
para el desarrollo de una amplia gama de productos frutícolas, debido a su
disponibilidad de tierras irrigadas en diferentes pisos climáticos y con bajo
grado de aprovechamiento (García y García, 2001).
En el Ecuador las frutas andinas que se han considerado de interés
para ofertar en el mercado mundial son la mora, naranjilla, tomate de árbol,
babaco, granadilla, taxo, pitahaya, chirimoya, etc., principalmente por sus
excelentes características sensoriales, en sabor, aroma y apariencia (García y
García, 2001; Martínez, 2002).
Algunas de estas frutas ya son conocidas en el mercado común, sin
embargo es importante seguir apoyando a los países del área andina, mediante
programas nacionales (Programa de Fruticultura Zona Central INIAP-UTA) e
internacionales (Producing Adding Value From Under Utilized Tropical Fruit
Crops–PAVUC, IICA/PROCIANDINO) para una mejor promoción de
exportación de frutas y productos derivados, ya que los consumidores tienen
mayores exigencias de calidad (Martínez, 2002).
2.1.1. MORA (Rubus glaucus)
La riqueza genética del género Rubus es muy amplia en el Ecuador. Es
común encontrar una gran diversidad de especies y ecotipos de moras como
son: la de Castilla, Brazos, Cherokee y Comanche. Sin embargo, la mora de
Castilla es la variedad más cultivada en el Ecuador (representa un 98% de la
producción total) y la de mayor consumo interno (Cepeda, 2000; Martínez et al.,
2007).
2
La mora de Castilla (Rubus glaucus) o mora andina es una planta de
origen silvestre, nativa de los climas fríos y moderados de la Cordillera de los
Andes Ecuatorianos y Colombianos, y que se ha extendido hasta Guatemala,
Panamá y México, en donde crece en forma dispersa. En el Ecuador las zonas
de mayor producción son: Tungurahua, Cotopaxi, Chimborazo, Pichincha,
Imbabura, Carchi (Martínez et al., 2007).
La fruta (Figura 2.1), es una baya elipsoidal que está formada por
pequeñas drupas adheridas a un receptáculo que al madurar es blancuzco y
carnoso. Su diámetro más ancho es de 1,5 a 2,5 cm y con un peso de 3 a 5 g.
Esta fruta presenta una coloración verde cuando se forma, pasando a rojo y
luego a morado oscuro y brillante cuando está madura (Galvis y Herrera, 1995).
FIGURA 2.1.- Mora de Castilla (Rubus glaucus).
La planta de mora presenta tres etapas de desarrollo; la primera en la
que se obtienen las nuevas plantas ya sea en forma sexual o asexual. La
segunda que es la de formación y desarrollo vegetativo, donde se conforma la
planta y la tercera etapa, la productiva, que se inicia a los 8-10 meses después
del trasplante y se mantiene constante durante varios años (Bejarano, 1992).
Según Martínez et al. (2007) la composición de la mora presenta un
interesante contenido de nutrientes como el calcio, fósforo, hierro y vitamina C
(Tabla 2.1), siendo estos componentes beneficiosos en cualquier dieta
alimenticia.
3
TABLA 2.1.- Caracterización de la Mora de Castilla.
Componente Unidades Contenido
(100 g de fruta comestible)
Acidez % Ácido cítrico 2,69
pH 3,1
Sólidos Solubles °Brix 8,01
Humedad g 92,8
Carbohidratos g 5,6
Ceniza g 0,4
Fibra g 0,5
Proteína g 0,6
Calcio mg 42
Fósforo mg 40
Hierro mg 1,7
Niacina mg 0,3
Riboflavina mg 0,05
Tiamina mg 0,02
Vitamina C mg 8
Fuente: Martínez et al. (2007).
Por su agradable sabor, aroma y color la mora se ha hecho popular en la
mesa de los ecuatorianos, cualidades por las que se la consume en estado
fresco y en productos elaborados, alrededor de 2 kilos por familia semanal. Sin
embargo, debido a su alta susceptibilidad al deterioro, gran parte de la
producción se la comercializa rápidamente para la elaboración de jugos,
néctares, vinos, licores, arropes, mermeladas, jaleas, helados, repostería y
confitería, durante todo el año (Cepeda, 2000; Martínez et al., 2007). Además,
por su intenso color morado debido a la gran presencia de antocianinas,
Ramirez et al., (2007) la proponen como buena materia prima para la
extracción de un colorante natural alimentario; pues el colorante de mora de
Castilla que obtuvieron presentó un contenido de antocianinas totales de
1,478 g cianidina-3-glucósido/kg extracto.
4
2.1.2. NARANJILLA (Solanum quitoense)
La naranjilla (Solanum quitoense) o lulo es una fruta que se desarrolla
espontáneamente en la cordillera de los Andes, entre los 1200 y 2100 metros
sobre el nivel del mar (msnm), encontrándose especialmente en el sur de
Colombia, Ecuador y Perú. Las áreas de mayor cultivo en el Ecuador están en
Morona Santiago, Napo, Pastaza y Pichincha (Martínez, 2002).
Según Soria (1989), se reconocen dos variedades principales: la
Solanum quitoense var. Quitoense, que no tiene espinas y la Solanum
quitoense var. Septentrionale con espinas fuertes. En el Ecuador, las más
cultivadas son las de sin espinas, conocidas como: la naranjilla de Jugo,
Baeza, Bola, Baeza roja y Peluda (Proaño, 2008).
La naranjilla de jugo es de forma esférica y semiesférica achatada.
Cuando está madura es de coloración externa amarilla anaranjada e
internamente verde (Figura 2.2). Por lo general, su piel es fina y presenta
vellosidades suaves al tacto antes de la madurez y posteriormente son glabras.
FIGURA 2.2.- Naranjilla (Solanum quitoense).
La parte interna de la fruta está dividida por particiones membranosas,
llenas de pulpa de color verde amarillento y de semillas pequeñas, muy
parecida al tomate o a la cocona. El sabor dominantemente agridulce de la
pulpa, que recuerda al de una naranja no madura, le han valido el nombre
común de naranjilla (Tapia et al., 1993).
5
La planta de la naranjilla empieza a producir al año del trasplantado.
Este lapso puede variar entre 6-8 meses según las condiciones climáticas
regionales. La máxima productividad se alcanza a los dos o tres años. Una
plantación bien manejada puede superar las 20 ton/ha/año de producción
(Tapia et al., 1993).
En la Tabla 2.2 se puede ver la caracterización de la fruta que presenta
una interesante composición, principalmente de fibra, calcio, fósforo, carotenos
y vitamina C. La presencia de estos componentes, le permite a la fruta tener
una cierta nutri-funcionalidad en cualquier dieta alimenticia.
TABLA 2.2.- Caracterización de la Naranjilla.
Componente UnidadesContenido*
(100 g de fruta comestible)
Calorías cal 23
Humedad g 85,8 – 92,5
Carbohidratos g 5,7
Ceniza g 0,61 – 0,80
Fibra g 0,3 – 4,6
Proteína g 0,11 – 0,60
Calcio mg 5,9 – 12,4
Caroteno IU 600
Fósforo mg 12 – 43,7
Hierro mg 0,34 – 0,64
Tiamina mg 0,04 – 0,094
Riboflavina mg 0,03 – 0,047
Niacina mg 1,19 – 1,76
Ácido ascórbico mg 31,2 – 83,7
*Análisis realizados en frutas frescas de Ecuador y Colombia
Fuente: Morton (1987).
La naranjilla es una fruta delicada, que después de cosechada
fácilmente se raja, se mancha y entra en descomposición, si no se realiza un
6
buen manejo a la hora de la cosecha y postcosecha. En el Ecuador, esta fruta
se la consume principalmente en jugo fresco, por su gran sabor y aroma
exótico. Sin embargo por su gran perecibilidad, también se la comercializa en
productos procesados como: la pulpa tratada para preparar jugos, refrescos,
bebidas alcohólicas (canelazos, vinos), helados, mermeladas, conservas,
deshidratados, concentrados y otros dulces (Galvis y Herrera, 1999; Martínez,
2002).
2.1.3. TOMATE DE ÁRBOL (Solanum betaceum)
El tomate de árbol (Solanum betaceum), conocido también como
“tamarillo” en el mercado mundial, es una fruta originaria de los Andes
especialmente de Perú, Ecuador y Colombia. En el Ecuador, las plantaciones
más representativas de esta fruta se encuentran en las provincias de Imbabura,
Tungurahua y Azuay (Morales, 2001).
Según León et al. (2004), en el Ecuador existen algunas variedades de
tomates de árbol, debido a los cruzamientos entre los materiales que cultivan
en los huertos de los agricultores. Generalmente, los huertos están constituidos
por dos o más cultivares. Entre las variedades cultivadas en Ecuador tenemos:
el Anaranjado Puntón, Anaranjado Redondo, Anaranjado Gigante y Morado
Gigante.
La planta del tomate de árbol presenta tres fases de crecimiento: la fase
vegetativa, que se da entre la siembra y el momento que se inicia la floración,
esta etapa dura entre seis y siete meses desde la germinación. La segunda
etapa que es la reproductiva, se inicia con la primera floración y termina con la
estabilización de la fructificación, esta etapa comienza a los siete meses
después de la germinación y concluye a los 14 meses. Finalmente, la fase
productiva, se inicia al consolidarse la producción a partir del mes 17 después
de la germinación. Dependiendo del manejo que se le haya dado a los cultivos
y de las condiciones climáticas, las plantaciones pueden tener dos años y
medio en producción (Bernal y Díaz, 2003).
7
El fruto de la variedad del tomate de árbol morado tiene su piel lisa,
brillante y de color variable entre rojo-púrpura o vinotinto, con bandas verde
marrón, dispuestas verticalmente, las que desaparecen con la madurez. La
fruta tiene una forma ovoide u oval redondo (Figura 2.3).
FIGURA 2.3.- Tomates de Árbol Morado (Solanum betaceum).
Su cáscara es gruesa y amarga. En la parte interna su pulpa es de color
anaranjado, sin embargo el mucílago que rodea la semilla es de un color
púrpura o vinotinto bastante intenso, lo cual provoca que el jugo obtenido de
estos frutos tengan un aspecto a jugo de mora, de ahí su denominación
errónea de ser un injerto con mora (Bernal y Díaz, 2003).
En un trabajo realizado por Morton (1987) reportó valores de proteína,
caroteno, minerales y otros nutrientes en el tomate de árbol (Tabla 2.3).
Además, su intensa coloración púrpura es atribuida a la gran presencia de
antocianinas (delphinidin-3-rutonoside de mayor pigmentación en la placenta-
semillas), leucoantocianinas, flavonas y flavonoles (Wrolstad y Heatherbell,
1974; León et al., 2004).
En el Ecuador, el tomate de árbol es considerado como un remedio
natural, para el tratamiento de procesos inflamatorios de la garganta y encías,
así como también para procesos gripales (Bermejo y León, 1992). El fruto o las
hojas, previamente calentadas o soasadas, se aplican en forma tópica contra la
inflamación de amígdalas o anginas; y para la gripe se suele consumir el fruto
8
fresco en ayunas. Sin embrago, no es recomendable un consumo excesivo
para personas que sufren de alergias (Morton, 1987; León et al., 2004).
TABLA 2.3.- Caracterización del Tomate de Árbol.
Componente Unidades Contenido*
(100 g de fruta comestible)
Acidez (% Ácido cítrico) 1,60 – 1,93
pH 3,17 – 3,80
Sólidos Solubles °Brix 10,5 – 11,6
Humedad (g) g 82,7 – 87,8
Carbohidratos (g) g 10,3
Ceniza (g) g 0,61 – 0,84
Fibra (g) g 1,4 – 4,2
Proteína (g) g 1,5
Calcio (mg) mg 3,9 – 11,3
β – caroteno (IU) IU 540
Fósforo (mg) mg 52,5 – 65,5
Hierro (mg) mg 0,66 – 0,94
Niacina (mg) mg 1,10 – 1,38
Riboflavina (mg) mg 0,035 – 0,048
Tiamina (mg) mg 0,038 – 0,137
Vitamina C (mg) mg 23,3 – 33,9
* Análisis realizados en varias frutas frescas de Ecuador, Guatemala e India.
Fuente: Morton (1987).
Esta fruta es muy versátil, ya que presenta algunas alternativas de usos
y formas de preparación, así tenemos: como complemento para ensaladas de
frutas y vegetales, aderezo para preparación de salsas picantes, en la
elaboración de pulpas congeladas (con buenos rendimientos de pulpa entre 83
– 86%), mermeladas, néctares, jugos, conservas en almíbar, helados, etc.
(Soria, 2000; Bernal y Díaz, 2003).
9
2.2. JUGOS DE FRUTAS Y SU INTERÉS EN EL MERCADO
Existen numerosas investigaciones epidemiológicas que han
demostrado que el consumo de vegetales y frutas ayudan en la prevención del
cáncer y de las enfermedades cardiovasculares, que son las principales causas
de muerte en el mundo (Wargovich, 2000; John et al., 2002; Kang et al., 2003;
Heber, 2004).
Las frutas, en general, contienen una gran variedad de constituyentes
como son las vitaminas, antocianinas, carotenos y otros compuestos fenólicos,
que son beneficiosos para la salud, ya que estos componentes poseen una
gran actividad antioxidante (García et al., 2004; Wu et al., 2006; Serrano et al.,
2007).
La actividad antioxidante de estos componentes ayuda a prevenir y
disminuir la formación de especies oxigénicas altamente reactivas en el
organismo de las personas. Entre las especies oxigénicas tenemos los
radicales libres como el superóxido (O2-), el óxido nítrico (NO-), etc. e incluso
moléculas como el peróxido de hidrógeno (H2O2), las cuales son generadas por
el mismo metabolismo oxidativo del organismo y cuando se incrementa la
presencia de estas especies reactivas puede ocurrir un severo daño celular en
el individuo y generar las enfermedades antes mencionadas (Bravo, 1998;
Páramo et al., 2001; Champ, 2002; Huang et al., 2005).
Por otro lado, el estilo de vida actual obliga a las personas a consumir
alimentos procesados que no tienen las mismas características nutrimentales
que los frescos. Sin embargo, el reto de las nuevas tecnologías es elaborar
productos fáciles de consumir y de alta calidad nutricional.
Las personas cada vez más exigen nuevos productos derivados
principalmente de frutas, con gran calidad funcional (presencia de
antioxidantes), nutricional (presencia de vitaminas y minerales) y sensorial
(buen sabor y aroma), favoreciendo ampliamente el desarrollo de productos
con nuevas formulaciones como bebidas en base de frutas, tanto para el
10
mercado de los países desarrollados como para el de los países en desarrollo,
como Ecuador (Candelas-Cadillo et al., 2005; Murillo, 2006).
Una variedad de bebidas en base de frutas son los jugos clarificados y
concentrados, obtenidos mediante el uso de tecnología de membranas. A base
de estas bebidas, se han podido desarrollar otros productos como son las
bebidas gaseosas, aguas aromáticas, bebidas energizantes (para deportistas),
cocteles, productos gelificados naturales, etc. Además, los jugos de frutas
obtenidos por membranas permiten presentar jugos de calidad superior a los
obtenidos por los métodos tradicionales (Vaillant et al., 2001; Cardoso et al.,
2002; Jiao et al., 2004).
En estudios previos, se determinó que los jugos clarificados de mora,
naranjilla y tomate de árbol procesados por membranas presentaron una buena
actividad antioxidante, principalmente por su contenido de polifenoles (Torres,
2007; Yacelga, 2007; Mosquera, 2008). Sin embargo, un jugo concentrado
puede tener una mejor conservación, ya que tiene una menor actividad de
agua. Además, se tiene una reducción de peso y volumen, lo que resulta una
inmediata ventaja económica (Ashurst, 1995). Los jugos clarificados pueden
ser concentrados por ósmosis inversa, con el objetivo de mantener sus
características y así poder ofertar al exterior un interesante y nuevo producto,
que pueda usarse en formulaciones de bebidas.
2.3. TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS
Desde su aparición en los años 60, el desarrollo industrial de las
membranas ha sido impulsado principalmente por objetivos de desalación de
agua marina y salobre para suministros municipales de agua potable en
Oriente Medio (American Water, 1998; Cheryan, 1998).
Sin embargo en los últimos treinta años, la tecnología de membranas ha
tomado importancia también en la industria de alimentos, debido a la capacidad
de diferentes tipos de membrana de separar, concentrar y purificar
11
determinadas sustancias presentes en alimentos fluidos, a condiciones de
operación moderadas y así lograr una minimización de daños térmicos,
además de un bajo consumo de energía, ya que no hay un cambio de fase
asociado al proceso. Esta tecnología ofrece también una mayor selectividad y
menor formación de productos no deseados (puesto que no se requieren
aditivos), y la posibilidad de efectuar un fácil escalado (Grandison y Lewis,
1996; Petrus Cuperus, 1998; Jiao et al., 2004).
Es así que dependiendo del propósito, los procesos con membranas
como microfiltración (MF), ultrafiltración (UF) y ósmosis inversa (OI) permiten
realizar operaciones de:
Concentración de jugos de frutas, aceites vegetales, enzimas, leche,
extractos naturales, almidón, ácido cítrico, etc.
Clarificación de jugos de frutas, vinos, cervezas, etc.
Fraccionamiento de componentes como proteínas, enzimas, oligosacáridos,
etc (Rodriguez et al., 2002; Martínez, 2004; De la Casa, 2006).
2.3.1. MEMBRANAS
Una membrana puede definirse como un film delgado que separa dos
fases fluidas y actúa como una barrera selectiva al transporte de materia,
debido a una fuerza motriz. Esta fuerza motriz puede ser una diferencia de
potencial químico, potencial eléctrico, de concentración y de presiones entre las
dos fases fluidas (Porter, 1990).
FIGURA 2.4.- Filtración por membranas.
Fuente: De la Casa (2006).
12
Un sistema de filtración por membrana separa una corriente de entrada
en dos efluentes conocidos como retenido y permeado (Figura 2.4). El
permeado es la porción de fluido que pasa a través de la membrana
semipermeable. Por su parte el retenido contiene los constituyentes que son
rechazados por la membrana.
2.3.1.1. Tipos de Membranas
Las membranas pueden clasificarse de acuerdo a diferentes criterios
tales como mecanismo de separación, morfología, geometría y naturaleza
química (American Water, 1998; Cheryan, 1998).
De acuerdo a su mecanismo de separación: las membranas pueden ser
porosas (efecto criba), membranas no porosas o densas (mecanismo
solución-difusión) (Figura 2.5) y membranas de intercambio iónico (efecto
electroquímico). Las membranas porosas se utilizan en operaciones como
microfiltración, ultrafiltración, mientras que las membranas densas son para
procesos como pervaporación y ósmosis inversa. Las membranas de
intercambio iónico son un tipo especial de membranas no porosas que
pueden estar cargadas positivamente (por ejemplo, -NR3+) o negativamente
(por ejemplo, -SO3-).
a) b)
FIGURA 2.5.- Fotografías de las secciones transversales de una a) membrana
porosa PEI y b) membrana densa de silicona.
Fuente: Cabral (2006).
13
De acuerdo a su morfología: las membranas pueden ser isotrópicas y
anisotrópicas. Las membranas isotrópicas u homogéneas tienen un espesor
comprendido entre 10 y 200 µm, siendo la resistencia a la transferencia de
materia proporcional al espesor de la membrana. No obstante, se
encuentran poco desarrolladas puesto que presentan una permeabilidad
relativamente débil. Por otro lado, en las membranas anisotrópicas se
pueden distinguir dos tipos de membranas: asimétricas y mixtas. Las
membranas asimétricas están constituidas por una película fina y densa
superior de 0,1 a 1,5 µm de espesor, soportada por una subcapa porosa de
estructura relativamente porosa con un espesor de 50 a 150 µm que
permite un elevado flujo de solvente, ambas capas están preparadas en
base a un mismo material. Mientras que, las membranas mixtas son
preparadas en la capa superior (espesor entre 10 a 100 nm) y en la
subcapa de diferentes materiales y cada capa puede ser optimizada
independientemente.
De acuerdo a su geometría: las membranas pueden prepararse en dos
formas geométricas: planas y cilíndricas. De acuerdo a sus dimensiones las
membranas cilíndricas son tubulares (diámetro interno mayor de 3 mm) y
tubulares de fibra hueca (diámetro interno menor de 3 mm).
De acuerdo a su naturaleza química: las membranas que se encuentran
disponibles en el mercado, se obtienen a partir de diversos materiales
orgánicos o inorgánicos. Las membranas orgánicas son básicamente de
polímeros como la celulosa y sus derivados, poliamidas, poliacrilnitrilos,
polisulfonas, polietersulfonas, policarbonatos, polietilenos, etc. En cambio
las membranas inorgánicas son generalmente de cerámica como óxidos,
nitruros o carburos y de metales tales como el aluminio, zirconio o titanio.
Estas membranas minerales son conocidas como las membranas de
tercera generación, por ser las más avanzadas en el mercado, ya que
toleran muy bien amplios rangos de temperatura y pH empleados en
algunos procesos. En la Tabla 2.4 se resume algunos materiales utilizados
en la fabricación de membranas según su proceso de separación.
14
TABLA 2.4.- Materiales usados en la fabricación de membranas.
Material MF UF OI
Alúmina X
Poliamida alifática X
Policarbonato X
Poliéster X
Compuesto cerámico (zirconio sobre alúmina) X X
Poliacrilonitrilo (PAN) X X
Polisulfona (PS) X X
Polietersulfona (PES) X X
Acetato de celulosa (CA) X X X
Poliamida aromática (PA) X X X
Poliimida (PI) X
Compuesta (ácido poliacrílico sobre zirconio) X
Compuesta (capa fina de PA sobre
polieterurea)
X
Polibencimidazol (PBI) X
Polieterimida (PEI) X
Fuente: Cheryan (1998)
2.3.1.2. Características de las Membranas de Filtración
Las principales características de una membrana de filtración que deben
ser consideradas para su selección, entre otras son: la permeabilidad,
selectividad, resistencia, porosidad y compatibilidad (Mafart y Béliard, 1991;
Winston Ho y Sirkar, 1992; Cheryan, 1998).
Permeabilidad
La permeabilidad está definida como la cantidad de solvente que pasa
una membrana en función de la presión aplicada. El coeficiente de
permeabilidad está dado por la razón entre el flujo del solvente permeado y la
diferencia de presiones aplicada como indica la siguiente ecuación:
L J
∆P ∆π
15
Donde:
Lp es la permeabilidad
∆P es la diferencia de presiones aplicada
∆π es la diferencia entre la presión osmótica de la solución y del solvente
Jp es el flujo de permeado que atraviesa la membrana, dado por la ecuación a
seguir:
J V
t A
Donde:
Vp es el volumen de permeado que atraviesa la membrana
t es el tiempo que tarda el volumen de permeado en pasar la membrana
Am es el área de la membrana filtrante
Los ensayos de permeabilidad de membrana no están normalizados y
por ello es difícil la comparación entre membranas de diferentes fabricantes.
Sin embargo, la permeabilidad de la membrana en agua desmineralizada se
denomina permeabilidad hidráulica y es una de las características que califican
a una membrana. Además, la permeabilidad hidráulica es un parámetro de
referencia de la integridad y limpieza de la membrana, para lo cual es
importante que se indique las condiciones de operación como la temperatura,
flujo de alimentación, etc., a la que fue determinada (Mafart y Béliard, 1991;
Matta, 1999).
Selectividad
Para una selección preliminar de la membrana es necesario conocer los
pesos moleculares, los tipos de moléculas que serán separadas y el tamaño de
poro de la membrana, ya que la selectividad está relacionada con el tamaño y
forma de las moléculas que pueden o no atravesar una membrana.
La selectividad de una membrana puede estar expresada por la tasa de
retención aparente (Ra), llamada también tasa de rechazo aparente:
16
R 1 C
C
Donde:
Cp es la concentración del soluto en el permeado
Cr es la concentración del soluto en el retenido
La tasa de retención aparente está comprendida entre 0 y 1, ya que los
casos límites son: ausencia de retención cuando Cp = Cr y retención total
cuando Cp = 0, respectivamente (Cheryan, 1998).
Es importante destacar que moléculas con masa similar pueden tener
tasas de retención distintas. Por ejemplo: el etanol atraviesa las membranas de
ósmosis inversa con más facilidad que los aromas. Incluso dos moléculas tan
parecidas como la glucosa y la fructosa pueden tener comportamientos
distintos, siendo algo más retenida la fructosa que la glucosa en una membrana
de acetato de celulosa (Mafart y Béliard, 1991; Grandison y Lewis, 1996).
Resistencia
Una buena membrana es permeable, selectiva y resistente
simultáneamente. Es decir que, la membrana debe presentar una buena
resistencia química, térmica y mecánica.
La resistencia química se refiere a que la membrana, a más de la
operación de separación, debe soportar las operaciones de limpieza y
esterilización. Debe ser neutra respecto a los solventes habituales y tolerar una
amplia zona de pH.
La resistencia térmica da generalmente el rango de temperatura en la
que se puede trabajar sin que la membrana se degrade por calor. Dicho límite
hace imposible la esterilización térmica del módulo y limita las condiciones de
limpieza, si las membranas empleadas no son minerales.
17
La resistencia mecánica puede limitar la zona de presión de trabajo,
sobretodo en el proceso de ósmosis inversa (Porter, 1990; Grandison y Lewis,
1996).
Porosidad
Representa la cantidad de vacíos en la estructura de la membrana, es
decir, es una relación entre la parte sólida y los poros de la membrana, la cual
puede estar referida solo a la parte superficial de la membrana, o a toda la
membrana sin considerar el soporte de la misma (Cheryan, 1998).
Compatibilidad
Esta característica está relacionada con la compatibilidad química del
material de la membrana con los componentes de la disolución alimentada. Así
por ejemplo, la adsorción de proteínas se puede disminuir con membranas
hidrofílicas, que interaccionan y retienen menos fuertemente este tipo de
moléculas (Matta, 1999).
2.3.2. CONFIGURACIONES DE MÓDULOS DE MEMBRANAS
La unidad de operación en la que se disponen las membranas para su
utilización se conoce como módulo. Esta unidad de trabajo consta
principalmente de las membranas, las estructuras de soporte de la presión y los
puntos de entrada para la alimentación y salidas para el retenido y permeado.
El módulo de la membrana debe satisfacer una serie de requisitos
mecánicos, hidrodinámicos y económicos, descritos a continuación:
- Mecánicos: obtener una separación efectiva de la alimentación y el
permeado y proporcionar el soporte físico necesario para la membrana.
18
- Hidrodinámicos: minimizar la caída de presión a través del dispositivo,
optimizar la transferencia de materia del soluto, minimizar la colmatación y
evitar las zonas muertas (para cumplir los requisitos sanitarios).
- Económicos: maximizar la densidad de empaquetamiento de la membrana,
minimizar los costos de fabricación, permitir fácil acceso de limpieza o
sustitución de la membrana e incorporar la modularidad del diseño para el
escalado (Grandison y Lewis, 1996).
Muchos de estos criterios mencionados son contrapuestos. Por ejemplo,
equipos de alta densidad de compactación son más susceptibles de
colmatación y por tanto de limpieza más difícil. De la importancia relativa de los
distintos requisitos dependerá el diseño seleccionado.
Según la disposición de las membranas planas, estas las puede
empaquetar en módulos de placas y en espiral. A su vez, las membranas
cilíndricas pueden disponerse en módulos tubulares y de fibras huecas (Figura
2.6) (Porter, 1990; Winston Ho y Sirkar, 1992).
FIGURA 2.6.- Configuraciones de membranas.
Fuente: Martínez (2004).
Módulos de Placas
Estos módulos se derivan de la tecnología de los filtros de prensa. Las
membranas en forma de láminas se apilan para dar lugar a una especie de
19
sándwich formado por dos membranas y un separador plano entre las mismas
que delimita el espacio útil para la circulación de las fases fluidas (Figura 2.7).
FIGURA 2.7.- Esquema de una membrana plana en un módulo de placas.
Fuente: De la Casa (2006).
Uno de los parámetros importantes es la distancia entre membranas.
Una distancia reducida hace necesaria la pre-filtración, dificulta la limpieza e
impide el tratamiento de productos viscosos. Por otra parte, una distancia
elevada, implica un volumen muerto importante, aunque disminuye la energía
necesaria para el bombeo. El espesor de la lámina líquida está en el rango
entre 0,5 y 3 mm.
Las placas o espaciadores aseguran soporte mecánico de la membrana
y al mismo tiempo el drenaje del permeado. Además, estas deben ser
corrugadas en el lado de alimentación para aumentar la transferencia de masa.
Su disposición hace posible disponer la circulación en paralelo o en serie.
Este sistema es muy modular, las unidades pueden desmontarse fácil y
rápidamente para una limpieza o cambio manual de las membranas, en el caso
de defecto de una de las membranas. Sin embargo, la densidad de
empaquetamiento suele estar entre 100 a 400 m2 por m3, por lo cual requiere
de una inversión relativamente elevada (Porter, 1990; Grandison y Lewis,
1996).
20
Módulos en Espiral
En esta configuración la membrana de partida es plana, pero al
enrollarse alrededor de un tubo central adquiere una disposición cilíndrica.
Además de la membrana, se incluyen láminas que actúan como espaciadores y
ayudan a inducir turbulencias entre las corrientes fluidas, para reducir así la
polarización de la concentración. La parte final de las láminas en el
enrollamiento está sellada para evitar la mezcla de las dos fases fluidas. La
alimentación fluye por los conductos existentes en forma paralela al eje del
tubo de permeado (Figura 2.8).
FIGURA 2.8.- Esquema de una membrana plana en un módulo espiral.
Fuente: De la Casa (2006).
En una sola cáscara metálica cilíndrica de presión pueden insertarse
varias unidades (de 2 a 6). En el caso de necesitarse elevadas áreas de
membrana para llevar a cabo la separación, se suelen disponer varios módulos
en paralelo.
Estas unidades son más compactas que los módulos de placas y poseen
densidades de empaquetamiento superiores, del orden de 800 m2 por m3. El
costo de inversión es relativamente reducido y el consumo energético es bajo.
Por el contrario, en este módulo no se puede alimentar directamente productos
viscosos sin pre-tratamiento, los flujos son reducidos y las pérdidas de carga y
la colmatación son elevadas (Porter, 1990; Grandison y Lewis, 1996).
21
Módulos Tubulares
El módulo tubular es la configuración más simple, en el cual la
membrana se moldea sobre la pared interior de una carcasa cilíndrica de
soporte poroso. Estos tubos tienen diámetros mayores de 10 mm y en conjunto
son bastante parecidos a la disposición de un intercambiador de calor
multitubular, formando así módulos de membranas con un área superficial total
de 0,2 a 7,4 m2. Generalmente, la alimentación circula por el interior de las
membranas tubulares, mientras que el permeado se desplaza por la carcasa
(Figura 2.9).
FIGURA 2.9.- Esquema de un módulo tubular (P.C.I. Membranes).
Fuente: García (2002).
Esta configuración presenta una gran ventaja, ya que son módulos
fáciles de desmontar para la limpieza, por lo que están recomendados para
aquellos sistemas en los que se produce un ensuciamiento apreciable de la
membrana, es decir, para el tratamiento de fluidos muy viscosos. Además,
permiten la posibilidad de escalar el proceso con confiabilidad. Pero, su
desventaja principal es su baja densidad de compactación, que normalmente
está por el intervalo de 50 a 100 m2 por m3. A parte de eso, las caídas de
presión y los altos flujos hacen de esta configuración la de mayor gasto
energético (Porter, 1990; Grandison y Lewis, 1996).
22
Módulos de Fibras Huecas
Estos módulos de fibra hueca están compuestos principalmente de tubos
de diámetro muy pequeño, inferior a 10 mm. Las fibras se empaquetan dentro
del tubo cilíndrico igual que en los módulos tubulares. Sin embargo, en este
caso la alimentación suele circular por el exterior de las fibras, recogiéndose el
permeado por su interior para evitar una posible obstrucción de la membrana
por ensuciamiento (Figura 2.10).
FIGURA 2.10.- Esquema de un módulo de fibras huecas.
Fuente: De la Casa (2006).
Estos módulos se destacan por su alta densidad de empaquetamiento
que van desde 1000 hasta 10000 m2 por m3, con un volumen muerto reducido y
un bajo consumo energético (ya que el régimen de circulación es laminar). Sin
embargo, la sensibilidad al ensuciamiento es elevado, debido al reducido
diámetro de las fibras, por lo que es necesario realizar pre-tratamientos a
productos viscosos (Porter, 1990; Grandison y Lewis, 1996).
2.3.3. TIPOS DE FILTRACIÓN RESPECTO DE LA MEMBRANA
En los procesos de separación por membranas se distinguen dos tipos
de filtración (Figura 2.11):
23
Filtración tangencial Filtración frontal
FIGURA 2.11.- Esquema de tipos de filtración respecto de la membrana.
Fuente: De la Casa (2006).
Filtración frontal: es cuando la disolución alimentada se impulsa en
dirección perpendicular a la membrana, la cual deja pasar al disolvente y
retiene partículas por encima de un determinado tamaño. Es un sistema
similar a la filtración convencional.
Filtración tangencial: en este caso la disolución alimentada circula
paralelamente a la superficie de la membrana y consecuentemente
perpendicular al flujo del disolvente a través de la misma. Este tipo de
filtración ayuda a minimizar la acumulación del soluto sobre la superficie de
la membrana (Cheryan, 1998).
2.3.4. FACTORES LIMITANTES EN EL RENDIMIENTO DE LOS
PROCESOS CON MEMBRANAS
Cuando se estudian los rendimientos de los procesos con membranas,
es evidente que ciertos fenómenos ayudan a que el flujo de permeado de una
solución real tenga una reducción con respecto al flujo con agua pura. Estos
24
fenómenos son principalmente la polarización de la concentración y el
ensuciamiento de las membranas (Grandison y Lewis, 1996).
Polarización de la Concentración
En las operaciones de microfiltración, ultrafiltración y ósmosis inversa se
produce un flujo de disolvente hacia la membrana debido a la existencia de una
diferencia de presión. Este flujo de disolvente lleva asociado un transporte de
soluto por convección. Cuando el flujo está en contacto con la superficie de la
membrana, el disolvente puede atravesarla con cierta facilidad pero el soluto es
rechazado en su mayor parte y se puede observar una acumulación masiva de
moléculas retenidas cerca de la membrana.
Es decir, todo este transporte se realiza a través de la capa límite o capa
de polarización que se forma en las proximidades de la membrana. La
diferencia entre la velocidad de transporte de soluto hacia la membrana por
convección y la de transporte desde de la membrana por difusión provoca un
incremento de la concentración de soluto en la superficie de la membrana
respecto de la disolución. Este fenómeno se conoce como polarización de la
concentración (Figura 2.12).
FIGURA 2.12.- Fenómeno de polarización de la concentración.
Fuente: De la Casa (2006).
25
Las consecuencias desfavorables que presenta esta acumulación de
soluto cerca de la membrana son: la precipitación de sales y la consiguiente
formación de una capa de sólido. En el caso de sustancias macromoleculares o
poliméricas puede aparecer una capa de gel sobre la membrana. También
puede suceder que el soluto se adsorba sobre la superficie de la membrana.
En cualquiera de estos casos, se tiene como resultado una nueva resistencia a
la transferencia de materia, lo que disminuye el flujo de las especies a través
de la membrana. Además, en el caso de la ósmosis inversa se produce un
aumento de la presión osmótica que hay que vencer, para lo cual es necesario
aplicar mayores diferencias de presión.
Una alternativa para minimizar este fenómeno, es favorecer la
turbulencia en la disolución, mediante el aumento de la velocidad de
desplazamiento de la disolución, con la inserción de anillos, barras, baffles en
el canal de alimentación o mediante flujo pulsátil de la alimentación o el filtrado.
Además, se pueden hacer cambios periódicos de la dirección del flujo de
filtrado, para lo cual se cierra el canal de filtrado durante unos segundos, de
forma que se desalojan partículas acumuladas en la superficie de la membrana
(Winston Ho y Sirkar, 1992; Grandison y Lewis, 1996; Sablani et al., 2001)
Ensuciamiento de las Membranas
El ensuciamiento de las membranas está ocasionado por la deposición
irreversible de partículas sólidas, macromoléculas, sales, etc., sobre la
superficie de la membrana o en su interior. Lógicamente, la presencia de estos
componentes en la disolución alimentada determinará la mayor o menor
extensión del ensuciamiento de la membrana.
El ensuciamiento es muy común en los procesos de microfiltración y
ultrafiltración, ya que las membranas que se utilizan son porosas. Además, este
fenómeno es muy complejo e impredecible debido a factores como la
concentración de las diferentes especies, la temperatura, el pH, la fuerza iónica
del medio e interacciones de los componentes con la membrana, a través de
puentes de hidrógeno, fuerzas dipolo-dipolo, etc.
26
Existen algunas alternativas que pueden ayudar a prevenir el
ensuciamiento de las membranas, entre las cuales están: disminuir el efecto de
la polarización de la concentración mediante las recomendaciones ya
mencionadas, pre-tratamientos a la disolución alimentada (por ejemplo: ajustes
de pH, enzimaciones, etc.) y la selección adecuada de la membrana (por
ejemplo: hidrofílica, hidrofóbica, etc.). Conjuntamente con lo anterior, es
importante la limpieza de la membrana a través de los diferentes
procedimientos que recomiendan los mismos fabricantes (Grandison y Lewis,
1996; American Water, 1998; Matta, 1999).
2.3.5. LIMPIEZA Y DESINFECCIÓN DE LAS MEMBRANAS
No solo es importante prevenir el ensuciamiento de la membrana, sino
también remediarlo una vez que se ha producido. Para ello se tiene algunos
métodos de limpieza de la membrana que pueden ser: procedimientos
hidráulicos, mecánicos y químicos.
El proceso normal de limpieza para cualquier membrana inicia con un
enjuague de agua, mediante el cual se pretende remover las sustancias
presentes y eliminar las capas de la superficie de la membrana, con lo que se
reduce el consumo posterior de agentes químicos. En la limpieza hidráulica se
puede invertir la dirección o sentido del flujo del permeado a través de la
membrana, cada cierto tiempo. Este método se aplica generalmente a
membranas de microfiltración y ultrafiltración.
Algunos métodos de limpieza mecánica sugieren el uso de gomas que
se hacen pasar por los circuitos o el empleo de cepillos de esponja,
especialmente para retirar contaminantes biológicos y orgánicos de la
superficie. Pero esto es aplicable solo en sistemas tubulares y de placas.
Pero sin duda, la limpieza química es la más importante, debido al
numeroso grupo de agentes químicos que se suelen utilizar. Entre los agentes
químicos tenemos ácidos fuertes (H3PO4) y débiles (ácido cítrico), medios
27
básicos (NaOH), detergentes, enzimas y agentes desinfectantes (H2O2). La
concentración química del agente y las condiciones del tratamiento dependen
en gran medida de la resistencia química que posea la membrana.
La limpieza del sistema persigue garantizar las condiciones higiénicas de
la membrana y restablecer las características de la misma, para obtener una
separación con los niveles deseados en la calidad del producto (American
Water, 1998; Matta, 1999; Rodrigues, 2002).
2.3.6. PROCESOS DE SEPARACIÓN CON MEMBRANAS
Al momento, los procesos con membranas de mayor interés en la
industria de alimentos son la microfiltración (MF), ultrafiltración (UF),
nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (OI) (Figura 2.13).
FIGURA 2.13.- Procesos de membrana cuya fuerza impulsora es la presión.
Fuente: De la Casa (2006).
Estas operaciones de separación, con fundamentos muy similares,
permiten separar las especies de una disolución mediante la aplicación de una
diferencia de presión como fuerza impulsora. Estos procesos difieren,
principalmente, en el tamaño medio de los poros de las membranas filtrantes
utilizadas en cada una de ellos y, como consecuencia, en el intervalo de
diferencia de presiones en el que trabajan. A medida que se reduce el tamaño
28
de poro, la resistencia a la transferencia de materia se hace mayor y por tanto
la presión a aplicar tiene que ser mayor (Mafart y Béliard, 1991; Grandison y
Lewis, 1996).
A continuación serán presentadas algunas informaciones sobre la
microfiltración y ósmosis inversa, procesos estudiados en este trabajo.
2.3.6.1. Microfiltración
En microfiltración se separan y retienen un gran número de
macromoléculas y sólidos en suspensión en un intervalo de 0,05 a 10 µm, para
lo cual el proceso requiere presiones pequeñas entre 1 a 5 bar. A consecuencia
de su gran tamaño de poro, se utiliza primariamente para eliminación de
partículas sólidas en suspensión (como grasas emulsificadas) y
microorganismos (como bacterias, hongos y levaduras), siendo este el proceso
más parecido a la filtración convencional (American Water, 1998; Cheryan,
1998).
Durante la microfiltración se tiene dos corrientes que son el retenido y el
permeado. El desempeño del proceso está dado por el flujo del permeado, el
cual está definido por la cantidad de fluido que pasa a través de la membrana y
generalmente es expresado en términos de volumen por unidad de tiempo por
área (l.h-1.m-2), como se indica en la siguiente ecuación (Porter, 1990):
J = K (∆P)
Donde:
J es el flujo de permeado (l.h-1.m-2)
K es la constante de permeabilidad (donde están incluidos todos los factores
estructurales)
∆P es el diferencial de presión (fuerza motriz)
La microfiltración tiene varias aplicaciones en diferentes áreas, así por
ejemplo: se utiliza en la esterilización de fármacos, clarificación de antibióticos,
29
tratamientos primarios de purificación del agua, clarificación y estabilización
biológica de bebidas (como jugos, vinos, cervezas) y como pre-tratamiento
para procesos de ósmosis inversa (Jaffrin et al., 1993; Grandison y Lewis,
1996; Avilés, 2006).
Este proceso presenta ventajas en la clarificación de jugos, ya que al
operar a bajas temperaturas, permite obtener un jugo cristalino estable, libre de
microorganismos, con una buena preservación de sabores y aromas. Mientras
que, una desventaja sería que jugos muy pulposos (con alto contenido de
sólidos suspendidos), no se podrían microfiltrar directamente, sin que estos
hayan sido previamente tratados con enzimas. Para de esta manera evitar una
rápida colmatación de la membrana y por ende bajos flujos de permeado.
(Vaillant et al., 2001; Rodrigues, 2002).
2.3.6.2. Ósmosis Inversa
La ósmosis inversa o hiperfiltración es la resultante de una ósmosis
natural no sólo contrapuesta sino invertida por medio de una presión mecánica
superior a la presión osmótica de la solución tratada (Winston Ho y Sirkar,
1992).
Esta operación es una de las más complejas, en las técnicas de
membranas, ya que trabaja con diámetros tan pequeños menores a 0,0005 µm;
llegando a aplicar presiones del orden de 10 a 70 bar. Este tamaño de poro
extremadamente pequeño, permite retener más de un 95 – 99% de sales
inorgánicas y compuestos orgánicos cargados, debido a la repulsión
electrostática con la superficie de la membrana (Porter, 1990; Grandison y
Lewis, 1996).
Este proceso al trabajar con membranas densas y retener moléculas de
muy bajo peso molecular, tiene como mecanismo fundamental de transporte la
difusión, explicado por el modelo solución-difusión (que fue desarrollado
originalmente por Lonsdale, Merten y Riley en 1965). A continuación se
describe el principio de este modelo:
30
- El modelo solución-difusión asume que tanto el soluto como el solvente se
disuelven en las capas de una superficie homogénea no porosa de la
membrana y entonces cada uno difunde a su través de una manera
desacoplada debido a su propio gradiente de potencial químico, este
gradiente es el resultado de las diferencias de concentración y de presión a
través de la membrana.
- De acuerdo a este modelo, el flujo de permeado del agua a través de la
membrana está descrito por la expresión:
J L ∆P ∆π
Donde:
J es el flujo de permeado (Lh-1m-2)
Lp es la constante de permeabilidad (característica de la membrana)
∆P es la diferencia de presiones ejercidas en ambos lados de la membrana
∆π es la diferencia de presiones osmóticas existentes entre el retenido y el
permeado en ambas caras de la membrana
- La diferencia entre ambas (∆P - ∆π) es realmente la fuerza impulsora que
provoca el flujo de agua, por lo cual las diferencias de presión aplicadas en
ósmosis inversa suelen ser notablemente altas (Winston Ho y Sirkar, 1992).
La ósmosis inversa es una de las operaciones de mayor aplicación
comercial. Se destaca en la utilización de la desalinización de aguas salobres,
tratamientos de aguas residuales y producción de agua ultrapura (García,
2002; Guerrero et al., 2006). En la industria de alimentos permite recuperar
componentes de interés (como azúcares, proteínas, aromas) y se puede
eliminar el alcohol en vinos y cervezas. Además, permite concentrar jugos de
frutas con alta calidad de aroma y sabor (por la buena retención de alcoholes
C2-C6, ésteres C4-C8 y aldehídos C2-C6). Sin embargo, la limitación del proceso
es la alta presión osmótica que hay que vencer, si se requiere disoluciones muy
concentradas (Grandison y Lewis, 1996; Pozderović et al., 2005).
31
2.3.7. TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS EN LA INDUSTRIA DE JUGOS
El uso de tecnología de membranas para el procesamiento de jugos de
frutas se presenta como una buena alternativa, comparada con procesos
tradicionales como la filtración convencional, centrifugación, pasteurización y la
evaporación. Debido principalmente a que, en los procesos con membranas se
puede operar a condiciones moderadas (temperaturas menores a 40 °C),
mediante lo cual el producto que se obtiene es de alta calidad nutricional
(conservación de vitaminas), sensorial (conservación de sabores y aromas) y
libre de aditivos (Cardoso et al., 2002; Cassano et al., 2004; Jiao et al., 2004;
Moβhammer et al., 2006).
Existen varios trabajos realizados sobre clarificación y concentración de
jugos de frutas por procesos con membranas, entre los cuales se menciona los
siguientes:
Wu et al. (1990) compararon y evaluaron los procesos de microfiltración
y ultrafiltración en la clarificación de jugo de manzana, en función de la calidad
de los productos obtenidos y la eficiencia de los procesos (medida a través del
flujo de permeado y del consumo de energía). Los autores determinaron que la
turbidez y el color de los jugos obtenidos en ambos procesos tuvieron
diferencias visibles, siendo el permeado de la ultrafiltración más claro y menos
turbio que el permeado de la microfiltración. Sin embargo, el jugo clarificado por
microfiltración tuvo una mayor aceptabilidad sensorial que el jugo obtenido por
ultrafiltración. En cuanto a la eficiencia de los procesos, la microfiltración
presentó un promedio de flujo de permeado (119 l.h-1.m-2) superior al obtenido
por ultrafiltración (28,5 l.h-1.m-2). Con relación al consumo de energía
(1,15 W-h/l) fue aproximadamente el mismo para los dos procesos.
En el estudio realizado por Chamchong y Noomhorm (1991) estudiaron
el efecto del pH y del tratamiento enzimático en la clarificación de jugo de
mandarina por microfiltración y ultrafiltración. El jugo fue tratado con la enzima
poligalacturonasa y el pH ajustado a 2. Se usaron algunas membranas de
diferente tamaño de poro (25, 50 y 100 kDa; 0,1 y 0,2 µm). Además, se varío la
32
presión transmembrana (93 - 194 kPa) y la velocidad tangencial (0,96 -
3,5 m/s). El desempeño de cada proceso fue evaluado en términos del flujo y
de la claridad del permeado. El jugo pre-tratado con ajuste de pH y enzimación
resultó en un sobrenadante más claro que el tratado solo con enzima. La
membrana de 0,1 µm presentó el mayor flujo de permeado (69 l.h-1.m-2) a
194 kPa y 3,5 m/s, mientras que el permeado más claro se obtuvo a la menor
velocidad tangencial y mayor presión, debido al efecto de polarización de la
concentración en la superficie de la membrana.
Campos et al. (2002) estudiaron la estabilidad del jugo clarificado de cajú
(marañón) después de un proceso de microfiltración. La pulpa fue hidrolizada
(tannasa 0,1%) y luego microfiltrada en un sistema de membranas tubulares
(polietersulfona) de tamaño de poro 0,3 µm, a 200 kPa y 30 °C. El permeado
fue recolectado en recipientes estériles y almacenados a 30 y 4 °C por 2
meses. Los análisis de ácido ascórbico, contenido de taninos, pH, acidez y
microbiológico fueron realizados cada 15 días. El jugo en refrigeración cumplió
los requerimientos de seguridad microbiológica y aún era fuente de vitamina C
(55,74 mg/100 g jugo) y de taninos (0,70 mg/100 g jugo) a los 60 días de
almacenamiento.
Un estudio similar al de Campos et al. (2002) fue realizado por Carneiro
et al. (2002). Los autores evaluaron la esterilización en frío y la clarificación del
jugo de piña por microfiltración tangencial. La pulpa fue hidrolizada con un
coctel enzimático (Pectinex SP-L y Celuclast, 0,03% v/v) y microfiltrada en un
módulo tubular (membranas de polietersulfona de 0,05 m2 de área filtrante y
0,3 µm de tamaño de poro), a 25 °C y 100 kPa. El jugo clarificado fue
recolectado en botellas estériles y almacenadas en refrigeración a 8 °C por un
período de 28 días. Los análisis microbiológicos realizados cada 7 días
estuvieron en acuerdo con los requerimientos de la Legislación Brasileña para
jugos y bebidas.
Jaeger et al. (2008) determinaron la retención de azúcares durante
micro y ultra filtración del jugo de piña. En el estudio probaron membranas de
polisulfona (0,1; 0,45 µm y 50; 100 kDa), polietersulfona y fluoruro de polivinilo
33
(0,3 µm y 30-80 kDa), en módulos de placas y tubular. Los contenidos de
azúcares en los jugos fueron determinados por HPLC. Los resultados
mostraron que el tamaño de poro y el tipo de geometría del módulo influyeron
en el contenido de azúcares del jugo clarificado. La mejor recuperación de
azúcares en el jugo clarificado se obtuvo con la membrana polisulfona (50 kDa-
7,5 bar). Sin embargo, el uso de la membrana polietersulfona (0,3 µm) en el
módulo tubular se mostró más atractivo y apropiado.
Los estudios de los procesos de clarificación por microfiltración
tangencial de los jugos de mora, naranjilla y tomate de árbol fueron realizados
por Yacelga (2007), Mosquera (2008) y Torres (2007), respectivamente. Los
autores hidrolizaron las pulpas frescas de cada fruta, con un coctel enzimático
Klerzyme para la mora (1ml/kg por 30 minutos a 30 °C) y la naranjilla (0,7ml/kg
por 1 hora a 30 °C), mientras que para el tomate de árbol se utilizó el coctel
enzimático Rapidasa Vegetable Juice (1ml/kg por 30 minutos a 30 °C). La
microfiltración de las pulpas enzimadas se realizaron en un módulo tubular
provisto de una membrana cerámica de 0,2 µm de porosidad y con un área
filtrante de 0,2 m2, a 30 °C y 2 bar de presión transmembrana. Los jugos
clarificados de cada fruta presentaron contenidos de azúcares, ácidos
orgánicos y sólidos solubles similares a los de la pulpa original. Además, los
tres jugos presentaron un contenido de polifenoles totales de 300,15; 200,63 y
170,3 mg Ácido gálico/100 g y una actividad antioxidante de 840, 350 y 560
µmol Trolox/100 g en mora, naranjilla y tomate de árbol, respectivamente. Por
otra parte, los jugos tuvieron una estabilidad microbiológica y sensorial durante
el almacenamiento en refrigeración a 8 °C durante 45 días.
Jiao et al. (2004) realizaron una revisión de procesos con membranas
para concentración de jugos de frutas. En el estudio mencionan algunos
resultados obtenidos por varios autores, así tenemos: Merson y Morgan (1968),
determinaron que los aromas solubles en grasas del jugo de naranja fueron
fácilmente retenidos con membranas de acetato de celulosa, mientras que
hubo pérdidas de aromas solubles en agua. Además, estas membranas
presentaron una buena retención de azúcares, ácidos, K, Ca, Mg y fósforos
según Peri et al. (1973). Sin embargo, Chua et al. (1987) y Sheu y Wiley (1983)
34
encontraron que las membranas de poliamida retuvieron mejor los aromas y
otros constituyentes que las membranas de acetato de celulosa.
La investigación realizada por Chou et al. (1991) tuvo como objetivo
estudiar los efectos de las configuraciones, tipos de membranas, presión y
temperatura en el proceso de ósmosis inversa del jugo de manzana. Los
módulos usados fueron de placas y espiral con membranas de poliéter-urea y
poliamida. Los parámetros de operación estuvieron entre 35-50 bar y 20-40 °C
para cada configuración con cada membrana. El jugo inicial de 10 °Brix fue
concentrado a 20 °Brix. Las condiciones de baja temperatura (20 °C) y alta
presión (50 bar) fueron los parámetros operacionales más efectivos para la
recuperación de sabores y aromas. Además, a una mayor presión resultó un
mayor flujo de permeado y un menor tiempo de proceso. El módulo espiral
presentó un flujo de permeado más alto, pero al mismo tiempo una mayor
pérdida de sabores que el módulo de placas. Así también, con las membranas
de poliamida se obtuvo el jugo concentrado con mayor intensidad de sabor y
aroma.
Álvarez et al. (1997) estudiaron el efecto de la presión transmembrana,
temperatura y velocidad tangencial en el proceso de concentración de jugo de
manzana por ósmosis inversa. En el estudio se utilizó membranas de poliamida
tubulares (AFC99, Paterson Candy International Ltd, England, 99% de
retención de NaCl y un área filtrante de 0,9 m2). Los resultados mostraron que
el flujo de permeado fue principalmente afectado por la presión
transmembrana, seguido por la temperatura y la velocidad tangencial. Es decir,
a mayor presión transmembrana se determinó un aumento del flujo de
permeado e igual ocurrió con la concentración final del jugo que fueron de 19,
23 y 27,5 °Brix a 35, 45 y 55 bar, respectivamente. Así también, el flujo de
permeado se incrementó con el aumento de la temperatura. Mientras que, el
efecto de la velocidad tangencial en el flujo de permeado fue importante a bajas
velocidades, pero este fue considerablemente disminuido para valores
superiores a 1,5-2 m/s. Sin embargo, la temperatura y la velocidad tangencial
no influyeron en la concentración máxima que se pudo obtener en el proceso.
35
La retención de componentes aromáticos del jugo de manzana en
ósmosis inversa fue determinada por Álvarez et al. (1998). Las pruebas fueron
realizadas en un módulo espiral (membranas de poliamida MSCB 2521 R99,
con retención del 99,2% de NaCl y un área superficial de 1,03 m2). Se trabajó
en un rango de presiones de 15–35 bar, con flujos de alimentación entre 200–
600 l/h y a una temperatura de 25 °C. La mejor retención del etil-2-metil butano,
etil butano y hexanol (responsables del aroma del jugo) se obtuvo procesando
a 35 bar y 600 l/h, con una retención de más del 90%.
Bottino et al. (2002) desarrollaron un proceso integrado con membranas
para la obtención de un jugo concentrado de tomate. El proceso consistió en
una microfiltración (membranas cerámicas tubulares de 0,2 µm, módulo P19-40
SCT, France) del jugo de tomate fresco, seguido de una concentración del
permeado de la microfiltración por ósmosis inversa (módulo de membranas
espirales OSMO 411T-MS10, Osmonics, USA) y finalmente la recombinación
de los retenidos de la microfiltración y ósmosis inversa. El proceso con
membranas demostró ser potencialmente útil para la producción de un nuevo
jugo de tomate concentrado. El jugo fresco de 5 °Brix y 2,83% de azúcares se
concentró hasta 15 °Brix y 7,36% de azúcares.
La clarificación y concentración del jugo de acerola por membranas fue
estudiada por Matta et al. (2004). En las pruebas se realizó un tratamiento
enzimático (Pectinex Ultra SP-L, 0,01% v/v, a 35°C por 30 minutos) de la pulpa
fresca, luego una microfiltración (PROTOSEP IV KOCH MEMBRANE
SYSTEMS) con membranas tubulares de polietersulfona de 0,3 µm con un área
filtrante de 0,05 m2, a 30 °C y 100 kPa y finalmente al jugo clarificado se le
realizó una concentración por ósmosis inversa (Plate-Frame LAB UNIT M-20
DDS) con membranas compuestas con retención del 95% de NaCl y un área
filtrante de 0,72 m2, a 25 °C y 6 MPa. Los resultados mostraron que el
tratamiento enzimático fue eficiente en la reducción de la viscosidad de la pulpa
fresca. De igual forma, de la microfiltración se obtuvo un jugo clarificado de
buena calidad microbiológica y nutricional debido a la preservación del ácido
ascórbico (4,4% de pérdida). Es así que, el contenido de vitamina C del jugo
integral fue de 1234 mg/100 g y el jugo concentrado alcanzó a 5229 mg/100 g.
36
Además, en una prueba de aceptabilidad más del 84% de consumidores gustó
de la bebida preparada con el jugo clarificado.
Rektor et al. (2004) investigaron la aplicación de microfiltración y
ósmosis inversa para procesar y preservar el mosto de uva. En los
experimentos usaron mostos de uva blanca y roja. Las unidades de
microfiltración fueron de fibra hueca y tubular con un área filtrante de 0,75 y
0,2 m2, respectivamente, pero ambas unidades de 0,2 µm de tamaño de poro.
Mientras que, el módulo de ósmosis inversa (0,072 m2 de área filtrante) fue de
placas con membranas HR-30 y ACM-2 con retención de sales del 99,5 y
99,4%, respectivamente. En los resultados observaron que ambas unidades de
microfiltración presentaron un buen proceso para la clarificación (retención de
sólidos suspendidos) y esterilización del mosto (decreció el número total de
células, en 6 magnitudes). Así también, las membranas de ósmosis inversa
retuvieron más del 90% de sólidos totales, en ambos mostos concentrados de
uva. Además, las membranas mostraron una buena retención de antocianinas
(99,5%), en el mosto concentrado de uva roja. Los autores concluyeron que
este método da una posibilidad de manejar el exceso de mosto de uva y
desarrollar un nuevo producto sin conservantes.
La concentración del jugo de naranja por ósmosis inversa fue estudiada
por Jesus et al. (2007). El jugo fue concentrado en un módulo de placas con
membranas de 95% de retención de NaCl y 0,72 m2 de área filtrante. Se evaluó
la presión transmembrana, obteniéndose como resultado concentraciones de
16, 28 y 35 °Brix y factores de concentración de 2,3; 3,8 y 5,8 a las presiones
de 20, 40 y 60 bar, respectivamente. Además, a la presión de 60 bar se obtuvo
el mayor flujo de permeado (28 l.h-1.m-2) y el más alto contenido de vitamina C
(101,1 mg/100 g). Al final concluyeron que el jugo concentrado de naranja por
ósmosis inversa mantuvo sus atributos sensoriales y nutricionales.
Pap et al. (2009) estudiaron la aplicabilidad de ósmosis inversa en la
concentración del jugo de grosella negra. En las pruebas utilizaron un jugo
pasteurizado y clarificado por centrifugación convencional. El jugo fue
despectinizado con preparaciones enzimáticas Panzym Super E y Trenolin Rot
37
DF. En la etapa de concentración usaron un módulo tubular (PCI) con
membranas de poliamida AFC-80, con retención del 80% de NaCl y 0,9 m2 de
área filtrante. La concentración la realizaron a 25 °C y 60 bar de presión
transmembrana. Como resultado obtuvieron que el mejor coctel enzimático,
para disminuir fuertemente el ensuciamiento de la membrana, fue Panzym
Super E. Además, consiguieron que el jugo fresco de 16,5 °Brix se concentrara
a 28,6 °Brix, con un flujo de permeado de 20 l.h-1.m-2.
La obtención de un jugo concentrado de grosella negra fue estudiado
también por Bánvölgyi et al. (2009). En el proceso utilizaron tratamiento
enzimático (4 g/l de Pektopol PT 400, a temperatura ambiente por 8 h),
ultrafiltración (membrana tubular de polietersulfona 100 kDa y 0,41 m2 de área
activa; a 25 °C y 4 bar) y ósmosis inversa (membrana de placas Trisep, con
91% de retención y 0,18 m2 de área activa; a 30 °C y 50 bar). El jugo
concentrado presentó aproximadamente el 99% de retención de sólidos
solubles (25 °Brix), polifenoles totales (1,49 mg ácido gálico/l jugo),
antocianinas (0,61 mg cianidina-3-glucósido/l jugo) y capacidad antioxidante
(17,20 mmol ácido ascórbico/l jugo).
En otros trabajos realizados por Álvarez et al. (2000), Cassano et al.
(2003), Rodrigues et al. (2004), Galaverna et al. (2008), Kozák et al. (2008) y
Kozák et al. (2009) fueron estudiados la integración de la microfiltración,
ultrafiltración y ósmosis inversa, con otros procesos como: pervaporación,
evaporación o destilación osmótica y evaporación convencional; con el objetivo
único de obtener un jugo concentrado (manzana, zanahoria, camu-camu,
naranja roja y grosella negra) de alta calidad nutricional y sensorial. En todos
estos procesos integrados, la ósmosis inversa fue una etapa importante de
pre-concentración (22 – 30 °Brix), ya que permitió preservar en mejor manera
los componentes de interés (aromas, vitamina C, antocianinas, polifenoles,
capacidad antioxidante, etc.). Para posteriormente, con la etapa final de
concentración, mediante los procesos antes mencionados, los productos finales
(60 – 72 °Brix) cumplieran con las características deseadas.
38
Es así, por ejemplo, que Galaverna et al. (2008) evaluaron la
preservación de la actividad antioxidante y componentes antioxidantes como el
ácido ascórbico, antocianinas, etc., en el jugo concentrado de naranja roja
obtenido por procesos con membranas (UF-OI-DO). En el estudio utilizaron
jugo fresco (12,3 °Brix) para la clarificación por ultrafiltración (UF) (módulo
tubular con membranas PVDF de 15 kDa y 0,23 m2 de área filtrante, a 25 °C y
3 bar) y posteriormente fue concentrado en dos etapas: la primera etapa fue de
pre-concentración, por ósmosis inversa (OI) (módulo espiral, con membranas
de poliamida del 99% de retención de sales y 1,12 m2 de área filtrante, a 25 °C
y 55 bar) y la etapa final de concentración fue por destilación osmótica (DO)
(membranas de fibra hueca, microporosas de polietileno, Liqui-Cel® Extra-Flow
2,5x8 in, con un área efectiva de 1,4 m2, a 25 °C y 0,28 bar de presión
transmembrana; y con una solución de cloruro de calcio di hidratado 60% p/p).
Los resultados mostraron que en la ósmosis inversa y destilación osmótica se
obtuvieron un jugo concentrado de naranja roja con 21,4 y 61°Brix,
respectivamente. Además, la actividad antioxidante (7,33 mM trolox), ácido
ascórbico (594,2 mg/l) y antocianinas (17,2 mg cianidina-3-glucosido/l) del jugo
concentrado por membranas decreció entre el 15 y 20%, con respecto al jugo
fresco. Mientras que, el jugo concentrado obtenido por tratamiento térmico
presentó pérdidas del 26, 30 y 36% para la actividad antioxidante, ácido
ascórbico y antocianinas, respectivamente. Los autores concluyeron que, un
proceso integrado por membranas se propone como una alternativa para
obtener un jugo concentrado de alta calidad en componentes bioactivos
naturales.
La gran mayoría de trabajos publicados sobre la aplicación de
membranas para obtención de jugos de frutas se refieren al jugo de manzana.
Es así que, el uso de membranas ha sido implementado industrialmente para
concentración del jugo de manzana (Jiao et al., 2004). El jugo de manzana es
sometido primero a centrífugas y luego a un módulo tubular de membranas
poliméricas (0,2 µm) para completar su clarificación. En la etapa de
concentración se utiliza módulos de fibra hueca con el sistema de membranas
de alta y baja retención. Finalmente, el jugo concentrado (58-60 °Brix) es
envasado asépticamente a 2 °C (Mans, 1992).
39
3. RESUMEN DEL TRABAJO
En las últimas décadas, el uso de técnicas de filtración con membranas,
ha aumentado su interés significativamente en la industria de alimentos.
Algunas de sus aplicaciones incluyen clarificación y concentración de una
variedad de jugos de frutas. Esta tecnología de membranas permite desarrollar
jugos de calidad superior a los obtenidos por otros métodos tradicionales
(Cardoso et al., 2002; Cassano et al., 2004; Jiao et al., 2004; Moβhammer et
al., 2006).
Es así que, el propósito de este trabajo fue estudiar el proceso de
concentración de los jugos clarificados de frutas ecuatorianas como: mora
(Rubus glaucus), tomate de árbol morado (Solanum betaceum) y naranjilla
(Solanum quitoense), mediante ósmosis inversa.
En el estudio se evaluó el efecto de la ósmosis inversa, los parámetros
operacionales y los tipos de módulos, sobre los componentes de interés como
son: las vitaminas, antocianinas, polifenoles y actividad antioxidante, de los
productos obtenidos.
Para las pruebas experimentales de concentración se utilizó jugos
clarificados de las frutas en estudio. Los jugos clarificados de mora, naranjilla y
tomate de árbol morado fueron obtenidos de acuerdo a los procedimientos
descritos por Yacelga (2007), Mosquera (2008) y Torres (2007),
respectivamente.
Se trabajó con frutas frescas 100% maduras, para la obtención de las
pulpas. Posteriormente, las pulpas de cada fruta fueron hidrolizadas, con un
coctel enzimático Klerzyme para la mora (1ml/kg por 30 minutos a 30 °C) y la
naranjilla (0,7ml/kg por 1 hora a 30 °C), mientras que para el tomate de árbol
morado se utilizó el coctel enzimático Rapidasa Vegetable Juice (1ml/kg por 30
minutos a 30 °C). La microfiltración de las pulpas enzimadas se realizaron en
un módulo tubular provisto de una membrana cerámica de 0,2 µm de porosidad
40
y con un área filtrante de 0,2 m2, a 30 °C y 2 bar de presión transmembrana.
Finalmente, los jugos clarificados de mora, naranjilla y tomate de árbol morado,
obtenidos de la microfiltración, fueron concentrados por ósmosis inversa.
En una primera parte del estudio (Artículo I), la ósmosis inversa del
clarificado de mora, se realizó en dos tipos de módulos: espiral (LAB UNIT M-2
ASI, provisto de membranas de celulosa con retención del 95% de NaCl y un
área filtrante 1,4 m2) y placas (LAB UNIT M-20 DDS, con membranas
compuestas con retención del 95% de NaCl y un área filtrante de 0,576 m2).
Los ensayos se realizaron a diferentes temperaturas (25 y 35 °C) y presiones
transmembrana (40 y 60 bar). En cada prueba se tomaron muestras de jugo
clarificado y concentrado para los análisis de sólidos solubles (°Brix), pH,
acidez titulable (Instituto Adolfo Lutz, 1985), antocianinas (Fuleki y Francis,
1968) y polifenoles totales (Georgé et al., 2005).
La ósmosis inversa realizada en ambos sistemas permitió preservar y
concentrar los componentes de interés. Sin embargo, el proceso conducido en
el sistema de placas, a 60 bar y 25 °C, permitió obtener la máxima
concentración de sólidos solubles (26 °Brix), antocianinas (244,9 mg
Cianidina/100 g) y de polifenoles totales (711,8 mg Ac. Gálico/100 g), en el jugo
concentrado de mora.
Posteriormente al clarificado de mora, se lo concentró en un módulo
tubular (B1- PCI, tiene 18 membranas tubulares AFC99 de poliamida, con un
área filtrante de 0,9 m2 y una exclusión de NaCl del 99%), a las condiciones de
40 bar y 25 °C (Artículo II). Al comparar, a las mismas condiciones de
operación, los procesos en los módulos: tubular, espiral y placas, los resultados
mostraron que, en el sistema de tubular se obtuvo la mayor concentración del
jugo clarificado de mora, que fue de 7,8 a 20,8 °Brix. Mientras que, en los
módulos espiral y placas fueron de 8,3 a 19,6 y 8,7 a 18,07 °Brix,
respectivamente. Además, el contenido de polifenoles y antocianinas
presentaron retenciones mayores al 90% en los tres módulos. Los tres jugos
concentrados de mora presentaron una alta capacidad antioxidante (3485 µmol
Trolox/100 g jugo aproximadamente).
41
En el caso de la naranjilla (Artículo III), se trabajó en un módulo tubular a
nivel laboratorio (Micro-240, equipado con dos membranas tubulares AFC99 de
poliamida, con un área filtrante de 0,024 m2 y una exclusión nominal de NaCl
del 99%) y planta piloto (B1-PCI, ya descrito anteriormente). En el Micro-240 se
evaluó el efecto de los parámetros de operación, presión (40 y 60 bar) y
temperatura (25 y 35 °C), en función del flujo de permeado y concentración de
sólidos solubles (°Brix). Los resultados mostraron que el aumento de
temperatura no presentaron una variación significativa (p<0,05) en el flujo
medio de permeado y en la concentración final del jugo, mientras que al
mantener constante la temperatura y variar la presión si se evidencia una
diferencia significativa de los mismos.
Posteriormente, se evaluó su escalamiento a nivel piloto en el módulo
tubular B1 y se realizó la concentración del jugo clarificado de naranjilla, con un
volumen de 20 l en modo batch, a 60 bar y 30 °C. En el proceso se tuvo un flujo
medio de permeado de 23,7 l.h-1.m-2 y se llegó a una concentración de 24 °Brix,
en un tiempo de 45 minutos de proceso. El jugo concentrado presentó una
concentración de 229,8 mg Ác. Gálico/100g de polifenoles totales y una
capacidad antioxidante (1855,5 µmol Trolox/100g) de 4 veces más que la
capacidad antioxidante (457 µmol Trolox/100g) del jugo clarificado.
Finalmente, los jugos clarificados de las tres frutas se concentraron por
ósmosis inversa, en el módulo tubular B1, a 60 bar y 30°C (Artículo IV). En los
procesos de concentración se obtuvieron flujos iniciales de permeado de 48, 47
y 46 l.h-1.m-2, para los jugos clarificados de mora, tomate de árbol morado y
naranjilla, respectivamente. Estos flujos de permeado no fueron
estadísticamente diferentes (p<0,05).
Los análisis de los jugos concentrados mostraron que la mora, naranjilla
y tomate de árbol morado se concentraron a 24,9; 23,5 y 24,7 °Brix,
respectivamente. Por lo que, el factor de concentración para los tres jugos
clarificados fue aproximadamente de 3 veces.
42
En los jugos clarificados concentrados, los contenidos de vitamina C,
polifenoles, antocianinas y capacidad antioxidante también aumentaron, en un
factor similar al volumétrico (3 veces). El jugo concentrado de mora presentó la
mayor presencia de vitamina C (23,4 mg/100 g), polifenoles totales (905 mg
Ácido Gálico/100 g), capacidad antioxidante (4409 µmol Trolox/100 g) y
antocianinas (259 mg Cianidina-3-glucósido/100 g). Además, minerales como
el Mg, Ca, Na y Fe presentes en los jugos clarificados de las frutas también
fueron fuertemente retenidos por la membrana, durante el proceso de ósmosis
inversa.
En conclusión, la concentración por ósmosis inversa se presenta como
una buena alternativa para la obtención de jugos clarificados concentrados,
preservando las características nutricionales y funcionales de las frutas frescas.
43
4. BIBLIOGRAFÍA
Álvarez S, Riera FA, Álvarez R, Coca J. 1998. Permeation of apple aroma
compounds in reverse osmosis. Separation and Purification Technology 14(1-3):209-220.
Álvarez S, Riera FA, Álvarez R, Coca J, Cuperus FP, Th-Bouwer S, Boswinkel G, Van Gemert RW, Veldsink JW, Giorno L, Donato L, Todisco S, Drioli E, Olsson J, Trägårdh G, Gaeta SN, Panyor L. 2000. A new integrated membrane process for producing clarified apple juice and apple juice aroma concentrate. Journal of Food Engineering 46:109-125.
Alvarez V, Alvarez S, Riera FA, Alvarez R. 1997. Permeate flux prediction in apple juice concentration by reverse osmosis. Journal of Membrane Science 127(1):25-34.
American Water WARF. 1998. Tratamiento del Agua por Procesos de Membrana: Principios, Procesos y Aplicaciones. Madrid-España: McGRAW-HILL Inc. 837 p.
Ashurst PR. 1995. Producción y envasado de zumos y bebidas de frutas sin gas. Zaragoza-España: Aspen Publishers, Inc. 415 p.
Avilés SL. 2006. Evaluación del Uso Combinado de Membrana y Preservativo para Mejorar la Calidad de un Cordial de Parcha (Passiflora edulis variedad flavicarpa). Mayagüez-Puerto Rico: Universidad de Puerto Rico - Recinto Universitario de Mayagüez. 66 p.
Bánvölgyi S, Horváth S, Stefanovits-Bányai É, Békássy-Molnár E, Vatai G. 2009. Integrated membrane process for blackcurrant (Ribes nigrum L.) juice concentration. Desalination 241(1-3):281-287.
Bejarano W. 1992. Manual de Mora (Rubus glaucus Benth). Quito-Ecuador: PROEXANT. 46 p.
Bermejo J, León J. 1992 Cultivos marginados otra perspectiva de 1492. Director de publicaciones FAO Roma-Italia.
Bernal J, Díaz C. 2003. Manual: Tecnología para el Cultivo del TOMATE DE ÁRBOL. Rionegro Antioquia-Colombia: Begón Ltda. 130 p.
Bottino A, Capannelli G, Turchini A, Della Valle P, Trevisan M. 2002. Integrated menbrane processes for the concentration of tomato juice. Desalination 148(1-3):73-77.
Bravo L. 1998. Polyphenols: Chemistry, Dietary Sources, Metabolism and Nutritional Significance. Nutritional Reviews 56(11):317-333.
Cabral LMC. Conferencia en Embrapa: Processos de separaÇao por membranas na indústria de alimentos; 2006; Río de Janeiro-Brasil. p 34.
Campos D, Sabino Santos A, Blumenberg Wolkoff D, Martins Matta V, Corrêa Cabral LM, Couri S. 2002. Cashew apple juice stabilization by microfiltration. Desalination 148:61-65.
Candelas-Cadillo MG, Alanís-Guzmán MGJ, Bautista-Justo M, Del Río-Olague F, García-Díaz C. 2005. Contenido de licopeno en jugo de tomate secado por aspersión. Revista Mexicana de Ingeniería Química 4:299-307.
Cardoso C, Meira Rufino J, Habert AC, Nobrega R, Corrêia Cabral LM, Piacsek Borges C. 2002. Membrane for processing tropical fruit juice. Desalination 148(1-3):57-60.
44
Carneiro L, Sa IdS, Gomes FdS, Martins Matta V, Corrêa Cabral LM. 2002. Cold sterilization and clarification of pineapple juice by tangential microfiltration. Desalination 148(1-3):93-98.
Cassano A, Drioli E, Galaverna G, Marchelli R, Di Silvestro G, Cagnasso P. 2003. Clarification and concentration of citrus and carrot juices by integrated membrane processes. Journal of Food Engineering 57:153-163.
Cassano A, Jiao B, Drioli E. 2004. Production of concentrated kiwifruit juice by integrated membrane process. Food Research International 37:139-148.
Cepeda PM. 2000. Diagnóstico de la Problemática en el Cultivo de la Mora Rubus glaucus en la Provincia de Tungurahua. Ambato-Ecuador: Universidad Técnica de Ambato. 69 p.
Chamchong M, Noomhorm A. 1991. Effect of pH and enzymatic treatment on microfiltration and ultrafiltration of tangerine juice. Journal of Food Process Engineering 14(1):21-34.
Champ MM-J. 2002. Non-nutrient bioactive substances of pulses. British Journal of Nutrition 88(3):S307-S319.
Cheryan M. 1998. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook. Lancaster-USA: Thecnomic Publishing Company, Inc. 527 p.
Chou F, Wiley RC, Schlimme DV. 1991. Reverse osmosis and flavor retention in Apple juice concentration. Journal of Food Science 56(2):484-487.
Chua HT, Rao MA, Acree TE, Cunningham DG. 1987. Reverse osmosis concentration of apple juice: flux and flavor retention by cellulose acetate and polyamide membranes. Journal of Food Process Engineering 9(3):231-245.
De la Casa EJ. 2006. Estudio de las Interacciones Proteína-Membrana en los Procesos de Filtración Tangencial. Granada-España: Universidad de Granada. 240 p.
Fuleki T, Francis FJ. 1968. Quantitative Methods for Anthocyanins. 1. Extraction and Determination of Total Anthocyanins in Cranberries. Journal of Food Science 33:72-77.
Galaverna G, Di Silvestro G, Cassano A, Sforza S, Dossena A, Drioli E, Marchelli R. 2008. A new integrated membrane process for the production of concentrated blood orange juice: Effect on bioactive compounds and antioxidant activity. Food Chemistry 106(3):1021-1030.
Galvis JA, Herrera A. 1995. Manual: La Mora Manejo Postcosecha. Bogotá-Colombia: Publicaciones SENA. 35 p.
Galvis JA, Herrera A. 1999. El Lulo (Solanum Quitoense Lam.). Manejo Postcosecha. Bogotá-Colombia: Publicaciones SENA. 38 p.
García CF. 2002. Aplicación de la Ósmosis Inversa y la Nanofiltración en el Acondicionamiento de Aguas para Calderas. Oviedo-España: Universidad de Oviedo. 309 p.
García M, De Pascual T. S, Santos B. C, Rivas G. JC. 2004. Evaluation of the antioxidant properties of fruits. Food Chemistry 84(1):13-18.
García MC, García HR. 2001. Manual: Manejo Cosecha y Postcosecha de Mora, Lulo y Tomate de Árbol. Bogotá-Colombia: Produmedios. 107 p.
Georgé S, Brat P, Alter P, Amiot MJ. 2005. Rapid determination of polyphenols and vitamin C in plant-derived products. Journal of Agricultural and Food Chemistry 53:1370-1373.
45
Grandison AS, Lewis MJ. 1996. Separation Processes in the Food and Biotechnology Industries: Principles and Applications. First Published ed. Cambridge-England: Woodhead Publishing Limited. 65-96 p.
Guerrero JR, Falcón Hernández J, Martínez Pérez R. 2006. Estudio Preliminar del Tratamiento del Residual Líquido (WL) de la Empresa "Comandante Pedro Sotto Alba" MOA NICKEL S.A. Tecnología Química XXVI(2):83-93.
Heber D. 2004. Vegetables, fruits and phytoestrogens in the prevention of diseases. J Postgrad Med 50(2):145-149.
Huang D, Ou B, Prior RL. 2005. The Chemistry behind Antioxidant Capacity Assays. Journal of the Agricultural and Food Chemistry 53(6):1841-1856.
Instituto Adolfo Lutz. 1985. Normas Analíticas: Métodos químicos e físicos para análise de alimentos. São Paulo.
Jaeger de Carvalho LM, Miranda de Castro I, Bento da Silva CA. 2008. A study of retention of sugars in the process of clarification of pineapple juice (Ananas comosus, L. Merril) by micro- and ultra-filtration. Journal of Food Engineering 87(4):447-454.
Jaffrin MY, Gupta BB, Chaibi A. 1993. Effect of physical parameters on the microfiltration of wine on a flat polymeric membrane. Chemical Engineering and Processing 32:379-387.
Jesus DF, Leite MF, Silva LFM, Modesta RD, Matta VM, cabral LMC. 2007. Orange (Citrus sinensis) juice concentration by reverse osmosis. Journal of Food Engineering 81(2):287-291.
Jiao B, Cassano A, Drioli E. 2004. Recent advances on membrane processes for the concentration of fruit juices: a review. Journal of Food Engineering 63(3):303-324.
John JH, Ziebland S, Yudkin P, Roe LS, Neil H. 2002. Effects of fruit and vegetable consumption on plasma antioxidant concentrations and blood pressure: a randomised controlled trial. The Lancet 359(9322):1969-1974.
Joshipura KJ, Hu FB, Manson JE, Stampfer MJ, Rimm EB, Speizer FE, Colditz G, Ascherio A, Rosner B, Spiegelman D, Willett WC. 2001. The effect of fruit and vegetable intake on risk for coronary heart disease. Annals of Internal Medicine 134(12):1106-1114.
Kang S-Y, Seeram NP, Nair MG, Bourquin LD. 2003. Tart cherry anthocyanins inhibit tumor development in ApcMin mice and reduce proliferation of human colon cancer cells. Cancer Letters 194:13-19.
Kozák Á, Bánvölgyi S, Vincze I, Kiss I, Békássy-Molnár E, Vatai G. 2008. Comparison of integrated large scale and laboratory scale membrane processes for the production of black currant juice concentrate. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 47(7):1171-1177.
Kozák Á, Békássy-Molnár E, Vatai G. 2009. Production of black-currant juice concentrate by using membrane distillation. Desalination 241(1-3):309-314.
León J, Viteri P, Cevallos G. 2004. Manual del Cultivo de Tomate de Árbol. Quito-Ecuador: INIAP - PROMSA. 51 p.
Mafart P, Béliard E. 1991. Ingeniería Industrial Alimentaria: Técnicas de Separación. Zaragoza-España: Editorial Acribia, S.A. 147-185 p.
Mans J. 1992. The champagne of apple juice concentrates. Prepared Foods 161:70.
46
Martínez A. 2004. Obtención de Oligosacáridos de Leche de Diferentes Especies por Tecnología de Membranas. Granada-España: Universidad de Granada. 234 p.
Martínez A, Beltrán O, Velastegui G, Ayala G, Jácome R, Yánez W, Valle E. 2007. Manual del Cultivo de la Mora de Castilla (Rubus glaucus B). Ambato-Ecuador: V&P Publicidad. 36 p.
Martínez L. Informe Técnico: Frutales No Tradicionales de Exportación. AGROALFAPECUARIA; 2002; Quito-Ecuador. p 1-8.
Matta VM. 1999. Estudo da UtilizaÇão dos Processos de SeparaÇão por Membranas para ObtenÇão de Suco de Acerola Clarificado e Concentrado. Campinas-Brasil: Universidade Estadual de Campinas. 181 p.
Matta VM, Moretti RH, Cabral LMC. 2004. Microfiltration and reverse osmosis for clarification and concentration of acerola juice. Journal of Food Engineering 61(3):477-482.
Merson RL, Morgan AI. 1968. Juice concentration by reverse osmosis. Food Technology 22(5):631-634.
Morales J. 2001. Diagnóstico Agro-socioeconómico del Cultivo de Tomate de Árbol (Cyphomandara betacease Sendt) en Cuatro Provincias de la Sierra Ecuatoriana (Imbabura, Pichincha, Tungurahua y Azuay). Quito-Ecuador: Universidad Central del Ecuador. 99 p.
Morton JF. 1987. Naranjilla, Tree Tomate In: Fruits of Warm Climates. Miami, FL.: Julia F. Morton. 425-428, 437-440 p.
Mosquera ME. 2008. Evaluación Técnica-Financiera de la Industrialización del Jugo Clarificado de Naranjilla (Solanum quitoense Lam.) Obtenido Mediante Microfiltración Tangencial. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 116 p.
Moβhammer MR, Stintzing FC, Carle R. 2006. Evaluation of different methods for the production of juice concentrates and fruit powders from cactus pear. Innovative Food Science & Emerzing Technologies 7(4):275-287.
Murillo E. 2006 Actividad antioxidante «in vitro» de las bebidas de frutas. Bebidas Mexicanas - Alfa Editores Técnicos:20-27.
Pap N, Kertész S, Pongrácz E, Myllykoski L, Keiski RL, Vatai G, László Z, Beszédes S, Hodúr C. 2009. Concentration of blackcurrant juice by reverse osmosis. Desalination 241(1-3):256-264.
Páramo JA, Orbe MJ, Rodríguez JA. 2001. Papel de los Antioxidantes en la Prevención de la Enfermedad Cardiovascular. Medicina Clínica (Barcelona) 116:629-635.
Pérez P, Pérez J. 2000. Métodos para medir el daño oxidativo. Revista Cubana de Medicina Militar 29(3):192-198.
Peri C, Battisti P, Setti D. 1973. Solute transport and permeability characteristics of reverse osmosis membranes. Lebensmittel-Wissenschaft und Technologie 6(4):127-132.
Petrus Cuperus F. 1998. Membrane processes in agro-food State-of-the-art and new opportunities. Separation Purification Technology 14(1-3):233-239.
Porter MC. 1990. Handbook of Industrial Membrane Technology. Westwood, New Jersey-U.S.A.: Noyes Publications. 594 p.
Pozderović A, Moslavac T, Pichler A. 2005. Concentration of aqueous solutions of organic components by reverse oamosis II. Influence of transmembrane pressure and membrane type on concentration of
47
different alcohol solutions by reverse osmosis. Journal of Food Engineering 78(3):1092-1102.
Proaño MdlÁ. 2008. Evaluación de la calidad postcosecha de seis ecotipos de naranjilla (Solanum quitoense Lam.) procedentes del noroccidente de Pichincha. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 91 p.
Ramirez MB, Gonzalez AN, Correa LJ. 2007. Actividad Antimicrobiana, Conservante y Obtención de un Colorante Natural a Partir de Plantas de la Región de Boyaca. Scientia et Technica XIII(33):415-417.
Rektor A, Pap N, Kókai Z, Szabó R, Vatai G, Békássy-Molnár E. 2004. Application of membrane filtration methods for must processing and preservation. Desalination 162:271-277.
Rodrigues RB. 2002. AplicaÇão dos Processos de SeparaÇão por Membranas para ProduÇão de Suco Clarificado e Concentrado de Camu Camu (Myrciaria dubia). Campinas-Brasil: Universidad Estadual de Campinas. 146 p.
Rodrigues RB, Menezes HC, Cabral LMC, Donier M, Rios GM, Reynes M. 2004. Evaluation of reverse osmosis and osmotic evaporation to concentrate camu-camu juice (Myrciaria dubia). Journal of Food Enginnering 63(1):97-102.
Rodriguez F, Aguado J, Calles J, Cañizares P, López B, Santos A, Serrano D. 2002. Ingeniería de la industria alimentaria. Operaciones de procesado de alimentos. Madrid-España: Editorial Síntesis, S.A. 175-201 p.
Sabbe S, Verbeke W, Van Damme P. 2009. Confimation/disconfirmation of consumers' expectations about fresh and processed tropical fruit products. Journal of Food Science and Technology 44(3):539-551.
Sablani SS, Goosen MFA, Al-Belushi R, Wilf M. 2001. Concentration polarization in ultrafiltration and reverse osmosis: a critical review. Desalination 141(3):269-289.
Serrano J, Goñi I, Saura-Calixto F. 2007. Food antioxidant capacity determined by chemical methods may underestimate the physiological antioxidant capacity. Food Research International 40(1):15-21.
Sheu MJ, Wiley RC. 1983. Preconcentration of apple juice by reverse osmosis. Journal of Food Science 48(2):422-429.
Soria J. 1989. La Naranjilla que actualmente se cultiva y se consume en Ecuador. Quito-Ecuador: Informativo: Gaceta Agropecuaria. 11 p.
Soria N. 2000. Informe: Tecnología del Cultivo de Tomate de Árbol. Quito-Ecuador: Servicio de Información y Censo Agropecuario (SICA) del Ministerio de Agricultura y Ganadería del Ecuador (MAG). 3 p.
Tapia C, Velásquez J, Estrella J, Cazar E. 1993. Informativo: Recolección de Naranjilla (Solanum quitoense Lam.) en Ecuador. Quito-Ecuador: IBPGR-INIAP. 41 p.
Torres LJ. 2007. Evaluación Técnica Económica de la Industrialización de Jugo Clarificado de Tomate de Árbol (Solanum betaceum Cav.) mediante Microfiltración Tangencial. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 121 p.
Vaillant F, Millan A, Dornier M, Decloux M, Reynes M. 2001. Strategy for economical optimisation of the clarification of pulpy fruit juices using crossflow microfiltration. Journal of Food Engineering 48(1):83-90.
Wargovich MJ. 2000. Anticancer Properties of Fruits and Vegetables. HortScience 35(4):573-575.
48
Winston Ho WS, Sirkar KK. 1992. Membrane Handbook. New York-USA: Kluwer Academic Publishers. 954 p.
Wrolstad RE, Heatherbell DA. 1974. Identification of Anthocyanins and Distribution of Flavonoids in Tamarillo Fruit (Cyphomandra betaceae (Cav.) Sendt.). Journal of the Science of Food Agricultural 25(10):1221-1228.
Wu ML, Zall RR, Tzeng WC. 1990. Microfiltration and Ultrafiltration Comparison for Apple Juice Clarification. Journal of Food Science 55(4):1162-1163.
Wu X, Beecher GR, Holden JM, Haytowitz DB, Gebhardt SE, Prior RL. 2006. Concentrations of Anthocyanins in Common Foods in the United States and Estimation of Normal Consumption. Journal of the Agricultural and Food Chemistry 54(11):4069-4075.
Yacelga NP. 2007. Obtención de Jugo Clarificado de Mora (Rubus Glaucus Bent) Mediante Microfiltración Tangencial. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 149 p.
Zafra-Stone S, Yasmin T, Bagchi M, Chatterjee A, Vinson JA, Bagchi D. 2007. Berry anthocyanins as novel antioxidants in human health and disease prevention. Molecular Nutrition ε Food Research 51(6):675-683.
ARTÍCULO I
P1. PROCESOS PARA EL DISEÑO DE ALIMENTOS
Alimentos Ciencia e Ingeniería. Vol. 16(1) 89
UTILIZACIÓN DE TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS PARA LA OBTENCIÓN DE JUGO CLARIFICADO CONCENTRADO DE MORA (Rubus glaucus)
Marcillo, V.1; Cruz, A.P.G.2; Cabral, L.M.C.2; Matta, V.M.2; Vera, E.1; Ruales, J.1
1ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE ALIMENTOS Y BIOTECNOLOGÍA
Casilla: 17-01-2759 Email: [email protected] QUITO-ECUADOR
2EMBRAPA AGROINDUSTRIA DE ALIMENTOS RIO DE JANEIRO-BRASIL
Palabras claves: mora (Rubus glaucus), jugos concentrados, ósmosis inversa, membranas planas, membranas espirales
RESUMEN
El objetivo del trabajo fue estudiar el proceso de concentración del jugo clarificado de mora (Rubus glaucus) por ósmosis inversa. El jugo fue clarificado por microfiltración tangencial y para la concentración se utilizó equipos de ósmosis inversa (Sistema Placas y Sistema Espiral). Las pruebas se realizaron a diferentes temperaturas (25 y 35° C) y presiones transmembrana (40 y 60 bar). Los resultados muestran que con un proceso conducido a 60 bar y 25° C para el sistema de placas se obtiene una máxima concentración de 26° Brix, 244,85 mg Cianidina/100g de antocianinas y 711,8 mg Ac. Gálico/100g de polifenoles totales. INTRODUCCIÓN La mora de Castilla (Rubus glaucus), es una de las variedades de mayor importancia comercial y la más cultivada en la región Andina del Ecuador, debido a su gran aceptación por sus características sensoriales (aroma, sabor y color). Por otra parte, el uso de tecnología de membranas en la industria de alimentos ha aumentado su interés en los últimos años, debido a la posibilidad de separar moléculas de interés comercial a menor costo, el moderado consumo de energía y la minimización de daños térmicos en el proceso (Petrus Cuperus, 1998). Así por ejemplo, los procesos con membranas como microfiltración y ósmosis inversa son especialmente atrayentes para concentración de jugos de frutas, ya que permitirán una mejor preservación de componentes funcionales, nutricionales y sensoriales de los jugos, porque los procesos son realizados a temperatura ambiente, a diferencia de otros procesos tradicionales como la evaporación donde la concentración de jugos son realizados a altas temperaturas (Bottino et al., 2002). Es así que, el estudio de concentración de jugo clarificado de mora por ósmosis inversa permitirá elaborar y presentar un nuevo producto que cumpla con las exigencias de consumidores existentes. MATERIALES Y MÉTODOS Materia Prima Se utilizó mora (Rubus glaucus) fresca 100% madura de la Provincia de Tungurahua-Ecuador, como materia prima para la producción de jugo clarificado por microfiltración tangencial, a su vez este jugo clarificado se empleó en los ensayos de concentración. Metodología Para la obtención del jugo clarificado de mora se utilizó una unidad piloto de microfiltración (TIA), provisto de una membrana cerámica de 0,2 µm de porosidad y con una superficie de membrana de 0,2 m2, del Departamento de Ciencias de Alimentos y Biotecnología (DECAB), Quito –
Ecuador. Los jugos clarificados fueron almacenados en recipientes plásticos de capacidad de 4 l, a congelación (-8° C) hasta su utilización en las pruebas de concentración. Las pruebas de concentración del jugo clarificado de mora se realizaron en los equipos de ósmosis inversa Sistema Placas – Membranas Planas LAB UNIT M-20 DDS y Sistema Espiral LAB UNIT M-2 WGM de la Planta Piloto II de Embrapa Agroindustria de Alimentos – Brasil. El sistema espiral tiene un área filtrante de 1,4 m2 y una exclusión nominal de NaCl del 95%. El tanque de alimentación tiene una capacidad de 20 l y una presión máxima de trabajo de 40 bar. En el sistema espiral se realizaron pruebas de permeabilidad hidráulica y de jugo clarificado a diferentes temperaturas y presiones transmembrana. Las pruebas de concentración del jugo fueron a 25 y 35° C con una presión transmembrana de 40 bar. El sistema placas tiene un área filtrante de 0,576 m2 y una exclusión nominal de NaCl del 95%. El tanque de alimentación tiene una capacidad de 12 l y una presión máxima de trabajo de 60 bar. Las pruebas de concentración del jugo se realizaron a 25 y 35° C y una presión transmembrana de 40 y 60 bar. En cada prueba se tomaron muestras de jugo al inicio y final de cada proceso, además se midió el flujo del permeado y los sólidos solubles de la fracción retenida durante todo el proceso cada 5 minutos. Tanto en la materia prima como en el jugo concentrado se cuantificaron sólidos solubles (°Brix), pH, acidez (Lutz, 1985), antocianinas (Fuleki y Francis, 1968), fenólicos totales (Georgé et al., 2005). RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Figura 1. se presentan las curvas de permeabilidad con agua y jugo clarificado de mora obtenidas en el sistema de membranas espirales por ósmosis inversa. La permeabilidad hidráulica obtenida en estas membranas fue de 1,9 l/hm2bar con una resistencia de la membrana de 0,53 hm2bar/l. Mientras que, la curva de la permeabilidad del jugo muestra que existe una reducción significativa (p<0,05) de los valores del flujo del permeado y una pérdida de la linealidad con relación a la verificada para el agua. Además, el flujo límite del permeado para el jugo no pudo ser determinado en el rango de presiones que el sistema permite trabajar (40 bar presión máxima de operación), ya que el flujo de permeado aumenta para cada condición de presión hasta los 40 bar.
P1. PROCESOS PARA EL DISEÑO DE ALIMENTOS
Alimentos Ciencia e Ingeniería. Vol. 16(1) 90
Figura 1. Permeabilidad con agua y jugo clarificado de mora en membranas espirales a 25° C. La permeabilidad del jugo clarificado de mora aumenta al elevar la temperatura del proceso (Figura 2.), obteniéndose un incremento del 31% cuando el proceso es a 35° C con respecto al proceso que es a 25° C. Sin embargo, el porcentaje de aumento de la permeabilidad empieza a disminuir cuando las temperaturas de trabajo pasan de los 35° C a 40° C. A la presión de 40 bar se tienen los mayores flujos de permeados y para los procesos a temperaturas de 35 y 40° C, los flujos no son estadísticamente diferentes (p<0,05).
Figura 2. Permeabilidad del jugo de mora en membranas espirales a diferentes temperaturas. La concentración del jugo en los sistemas se llevó a cabo en modo batch, con un flujo de permeado inicial alto, la concentración sucedió rápido, reduciendo el volumen de alimentación e incrementando la presión osmótica del jugo, lo cual causó la disminución del flujo a lo largo del proceso (Figura 3.).
Figura 3. Flujo de permeado durante la ósmosis inversa del jugo clarificado de mora (presión transmembrana de 40 bar), en los sistemas espiral (SE) y placas (SP). El flujo medio para el sistema espiral fue de 14 l/hm2 a 25° C y 15 l/hm2 a 35° C a una presión transmembrana de 40 bar, lo que muestra que la temperatura no influyó significativamente en el flujo medio del permeado. Mientras que, el flujo medio para el sistema de placas fue de 9,5 l/hm2 a 25° C y 14 l/hm2 a 35° C a una presión transmembrana de 40 bar, lo que indica que en este sistema si influye significativamente la temperatura del proceso en el flujo medio del permeado.
La variación del contenido de sólidos solubles (°Brix) durante el proceso de ósmosis inversa en los sistemas espiral y placas del jugo clarificado se presenta en la Figura 4. Las curvas son típicas del proceso, de manera que la concentración aumentó hasta el límite de la presión osmótica del jugo. Para el sistema espiral se obtuvo un factor de concentración volumétrica de 2,5 y 2,6 para los procesos a 25 y 35° C respectivamente. Mientras que, para el sistema placas se obtuvo un factor de concentración volumétrica de 2,1 para los procesos a 25 y 35° C, entonces el mayor factor de concentración volumétrica se obtuvo en el sistema espiral a las mismas condiciones de operación.
Figura 4. Variación de sólidos solubles durante la ósmosis inversa del jugo clarificado de mora (presión transmembrana de 40 bar), en los sistemas espiral (SE) y placas (SP). Con los resultados (Figuras 3 y 4.) para un mismo tiempo de operación (40 minutos), al comparar los dos sistemas se tiene que con membranas espirales se obtuvo los mejores flujos medios y concentraciones de jugo. Sin embargo, si se podría alcanzar con membranas planas las mismas concentraciones de jugo que se obtienen con membranas planas, pero esto requeriría un mayor tiempo de operación. El flujo del permeado decrece con el aumento de la concentración de sólidos solubles durante el proceso de concentración como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Efecto de la concentración del jugo clarificado de mora en el flujo del permeado a diferentes presiones transmembrana en el sistema de placas a 25° C.
En el sistema de placas a una presión transmembrana de 60 bar se obtuvo la más alta concentración del jugo que fue de 26° Brix con un flujo medio de permeado 14,8 l/hm2, en 40 minutos de proceso. Las propiedades del jugo de mora antes y después de los diferentes procesos de ósmosis inversa se muestran en las Tablas 1, 2 y 3.
P1. PROCESOS PARA EL DISEÑO DE ALIMENTOS
Alimentos Ciencia e Ingeniería. Vol. 16(1) 91
Tabla N.1 Caracterización del jugo de mora en el proceso de ósmosis inversa en el sistema espiral (presión transmembrana de 40 bar).
25° C 35° C
Jugo Clarificado Jugo Concentrado Jugo Clarificado Jugo Concentrado
Sólidos Solubles (°Birx) 8,3 19,6 8,7 22,2
pH 2,91 2,8 2,88 2,81
Acidez (g Ác.Cítrico/100g) 2,2 4,86 2,2 5,69 Antocianinas
(mg Cianidina/100g) 96,49 221,34 92,23 208,20 Polifenoles Totales
(mg Ác. Gálico/100g) 271,15 568,11 265,04 678,6
Tabla N.2 Caracterización del jugo de mora en el proceso de ósmosis inversa en el sistema placas (presión transmembrana de 40 bar).
25° C 35° C
Jugo Clarificado Jugo Concentrado Jugo Clarificado Jugo Concentrado
Sólidos Solubles (°Birx) 8,73 18,07 9,03 18,33
pH 2,8 2,7 2,91 2,79
Acidez (g Ác. Cítrico/100g) 2,49 5,26 2,63 4,72 Antocianinas
(mg Cianidina/100g) 94,46 189,71 112,85 200,2 Polifenoles Totales
(mg Ác. Gálico/100g) 274,35 556,66 303,15 579,89 Tabla N.3 Caracterización del jugo de mora en el proceso de ósmosis inversa en el sistema placas (presión transmembrana de 60 bar).
25° C Jugo
Clarificado Jugo
Concentrado
Sólidos Solubles (°Birx) 8,53 26
pH 2,87 2,78
Acidez (g Ác. Cítrico/100g) 2,13 6,2 Antocianinas
(mg Cianidina/100g) 92,84 244,85 Polifenoles Totales
(mg Ác. Gálico/100g) 245,95 711,8 Los resultados de la caracterización del jugo (Tablas 1, 2 y 3.) muestran que es posible concentrar por ósmosis inversa a diferentes parámetros (temperatura y presión) y membranas, preservando y concentrando aproximadamente en 2 (a 25-35º C y 40 bar) y 3 (a 25º C y 60 bar) veces los compuestos de intereses funcionales como son las antocianinas y los polifenoles. En el sistema de placas a las condiciones de 25° C y 60 bar se obtuvo la mayor concentración de sólidos solubles (26° Brix), antocianinas (244,85 mg Cianidina/100g) y polifenoles totales (711,8 mg Ac. Gálico/100g). CONCLUSIONES El proceso de concentración por ósmosis inversa se presenta como una alternativa para la obtención de jugo concentrado de mora con un buen contenido de componentes funcionales como son los polifenoles y antocianinas. El parámetro más influyente en el proceso de concentración por ósmosis inversa del jugo de mora fue la presión transmembrana. En el proceso de ósmosis inversa conducido a 60 bar y 25° C en el sistema de placas se obtuvo la más alta concentración de sólidos solubles, antocianinas y polifenoles totales.
AGRADECIMIENTO Investigación financiada por la Unión Europea FP6-2003-INCO-DEV-2, contrato 015279 proyecto PAVUC. BIBLIOGRAFÍA • Bottino A, Capannelli, G, Turchini, A, Della Valle, P,
Trevisan, M. 2002. Integrated membrane processes for the concentration of tomato juice. Desalination 148:73-7.
• Fuleki T, Francis, F. 1968. Quantitative methods for anthocyanins - 1. Extraction and determination of total anthocyanins in cranberries. J. Food Sci. 33:72-7.
• Georgé S, Brat, P, Alter, P, Amiot, MJ. 2005. Rapid determination of polyphenols and vitamin C in plant-derived products. J. Agric. Food Chem. 53:1370-3.
• Lutz A. 1985. Instituto Adolfo Lutz. Normas Analíticas: Métodos químicos e físicos para análise de alimentos. Sao Paulo.
• Petrus Cuperus F. 1998. Membrane processes in agro-food State-of-the-art and new opportunities. Sepa. Puri. Tech. 14:233-9.
ARTÍCULO II
Evaluación de la concentración de jugo de mora (Rubus glaucus) por
ósmosis inversa en módulos de diferentes configuraciones
Verónica Marcillo1, Virgínia Matta2, Edwin Vera1 y Jenny Ruales1 1ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE ALIMENTOS Y BIOTECNOLOGÍA Casilla: 17-01-2759 Email: [email protected]
QUITO-ECUADOR 2EMBRAPA AGROINDUSTRIA DE ALIMENTOS
RIO DE JANEIRO-BRASIL
Resumen
El objetivo de este estudio fue evaluar la aplicabilidad de ósmosis inversa
para la concentración del jugo clarificado de mora, utilizando diferentes tipos de
módulos (tubular, espiral y placas). Además, se determinó en los jugos
concentrados la retención de componentes como: antocianinas, polifenoles y
su capacidad antioxidante. El jugo clarificado de mora se concentró por lotes,
en cada módulo, a 40 bar y 25°C. Al comparar los procesos de ósmosis inversa
en los tres módulos, los resultados mostraron que los contenidos de sólidos
solubles en los jugos clarificados procesados en los módulos tubular, espiral y
placas aumentaron en los jugos concentrados en 2,7; 2,3 y 2,1 veces,
respectivamente. En los módulos tubular y placas se tuvieron retenciones
superiores al 94% de antocianinas y polifenoles, mientras que en el módulo
espiral se obtuvo retenciones menores al 92% de estos componentes
funcionales. Sin embargo, los jugos concentrados obtenidos en los tres
módulos presentaron una capacidad antioxidante superior en 3,2; 4,0 y 4,4
veces con respecto a la capacidad de los jugos clarificados, cuando fueron
procesados en los módulos espiral, tubular y placas, respectivamente. La
concentración por ósmosis inversa para el jugo clarificado de mora permitió
obtener un jugo concentrado con una interesante capacidad antioxidante
(contenidos mayores a 3357 µmol Trolox/100 g jugo), debido a la presencia de
antocianinas y polifenoles.
Palabras claves: Procesos con membranas, configuraciones de sistemas, mora
de Castilla (Rubus glaucus), concentrados.
1. Introducción
La mora de Castilla (Rubus glaucus) es la variedad de mora más cultivada
en el Ecuador (representa un 98% de la producción total de mora) y la de
mayor consumo interno, principalmente por su agradable sabor y aroma
(Martínez et al., 2007). Además, esta fruta posee un interesante e intenso color
rojo-morado, debido a la gran presencia de antocianinas (Wu et al., 2006).
Las antocianinas son compuestos fenólicos que han demostrado tener
efectos beneficiosos en la salud, como antioxidantes. Un antioxidante tiene la
capacidad de prevenir y disminuir la formación de radicales libres, que son los
causantes principales de los diferentes tipos de daños celulares en el
organismo (Bravo, 1998; García et al., 2004).
Por otra parte, la mora de Castilla tiene una alta susceptibilidad al deterioro
después de cosechada, por lo que, gran parte de la producción se la
comercializa rápidamente para elaboración de jugos, néctares, licores, arropes,
mermeladas, jaleas, helados, repostería y confitería, durante todo el año
(Cepeda, 2000).
En los últimos años, los procesos con membranas tales como la
microfiltración y ósmosis inversa se han presentado como alternativas para el
procesamiento de frutas, principalmente para la obtención de jugos clarificados
y concentrados. Estos procesos presentan ventajas, comparados con los
procesos convencionales como la filtración frontal, centrifugación,
pasteurización y la evaporación térmica. Debido principalmente a que, en los
procesos con membranas se puede operar a condiciones moderadas
(temperaturas menores a 40 °C), el producto que se obtiene es de alta calidad
nutricional (conservación de vitaminas), sensorial (conservación de sabores y
aromas) y libre de aditivos (Cardoso et al., 2002; Jiao et al., 2004).
El objetivo de este estudio fue evaluar el proceso de concentración por
ósmosis inversa del jugo clarificado de mora, utilizando módulos de diferentes
configuraciones y evaluar su efecto sobre la retención de componentes como:
antocianinas, polifenoles y su capacidad antioxidante en el jugo concentrado.
2. Materiales y métodos
2.1. Preparación del jugo clarificado
La mora de Castilla fresca (100% madura) de la Provincia de Tungurahua-
Ecuador fue utilizada como materia prima para la producción del jugo
clarificado por microfiltración tangencial, de acuerdo al procedimiento descrito
por Yacelga (2007).
La mora fue despulpada en un refinador BALDOR Electric Co. de 1,5 HP y
1500 rpm. A la pulpa se le realizó una hidrólisis enzimática por 30 minutos a
30°C con el coctel enzimático Klerzyme (344 PL, 1507 PG, 712 PE, 195 CX y
8 CA UI/ml) de INTERENZIMAS LTDA., en una concentración de 1 ml/kg de
pulpa. En el proceso de clarificación se utilizó una unidad piloto de
microfiltración tangencial (TIA) provisto de una membrana cerámica tubular de
0,2 µm de porosidad y con un área filtrante de 0,2 m2. Las condiciones de
operación fueron 30°C y 2 bar de presión transmembrana. El jugo clarificado
fue almacenado en recipientes plásticos, en congelación (-18°C) hasta su
utilización en las pruebas de concentración.
2.2. Ósmosis inversa
Las pruebas de concentración del jugo clarificado de mora se realizaron en
diferentes módulos de ósmosis inversa: placas (LAB UNIT M-20), espiral (2,5 S
Seawater-ASI) y tubular B1 (Aquious-PCI) (Tabla 1).
Tabla 1
Módulos de ósmosis inversa Módulos Fabricante Presión máxima, bar Retención de NaCl, % Área de membrana, m2
Espiral ASI 40 95 1,4
Placas DDS 60 95 0,576
Tubular PCI 60 99 0,9
En los tres equipos se realizaron las pruebas de permeabilidad hidráulica y
en las unidades espiral y tubular se realizó la permeabilidad del jugo clarificado
de mora a 25°C y diferentes presiones transmembrana.
El esquema general del proceso de concentración está presentado en la
Fig. 1. La temperatura de la alimentación fue controlada por un intercambiador
de calor y después el jugo era alimentado al módulo de ósmosis inversa. La
corriente del jugo concentrado fue recirculado al tanque de alimentación, para
repetir el proceso hasta su agotamiento.
Fig. 1. Diagrama de proceso de concentración por ósmosis inversa.
Las pruebas de concentración del jugo se realizaron por lotes, alimentando
20 l de jugo clarificado de mora para el módulo espiral y tubular y 12 l para el
módulo de placas. Las condiciones de operación fueron 25°C y una presión
transmembrana de 40 bar, para los tres módulos. Durante todos los procesos
de concentración se midieron los flujos del permeado y los sólidos solubles de
las fracciones retenidas, cada 5 minutos.
2.3. Métodos analíticos
En el jugo clarificado y concentrado se cuantificaron los contenidos de
sólidos solubles (°Brix), pH, acidez (Horwitz, 2000), antocianinas (Abdel y Holc,
Permeado
Tanque de alimentació
Módulo de ósmosis
Intercambiador de
Bomba de alimentació
Concentrad
1999), polifenoles totales (Georgé et al., 2005) y capacidad antioxidante (Re et
al., 1999).
3. Resultados y discusión
Las pendientes de las rectas de la Fig. 2 representan las permeabilidades
hidráulicas de las membranas en los módulos tubular, espiral y placas de
ósmosis inversa. El flujo de agua destilada a través de la membrana es
directamente proporcional a la presión aplicada (Fig. 2), con una permeabilidad
hidráulica de 1,97 ± 0,08; 1,93 ± 0,07 y 1,42 ± 0,07 l.h-1.m-2.bar-1, para los
módulos tubular, espiral y placas respectivamente. El módulo de placas
presentó la más alta resistencia de la membrana con 0,70 ± 0,03 h.m2.bar.l-1
comparado con los sistemas tubular (0,51 ± 0,01 h.m2.bar.l-1) y espiral
(0,52 ± 0,01 h.m2.bar.l-1).
Fig. 2. Permeabilidad hidráulica en los diferentes módulos a 25°C.
Las curvas de permeabilidad del jugo (Fig. 3) para los módulos tubular y
espiral muestran que existe una reducción significativa (p<0,05) de los valores
del flujo del permeado y una pérdida de la linealidad con relación a la
verificada para el agua (Fig. 2), es decir, el flujo de permeado obtenido con el
jugo se redujo tres veces con respecto al flujo de permeado obtenido con el
agua. Además, en ambos módulos la permeabilidad del jugo clarificado de
mora de 8°Brix presentó valores similares, obteniéndose a la presión de 40 bar
y 25°C flujos de permeado de 27,4 ± 2,1 y 25,3 ± 1,1 l.h-1.m-2 en los módulos
tubular y espiral, respectivamente.
Para los diferentes módulos, los flujos de permeado durante la ósmosis
inversa del jugo a 25°C y 40 bar de presión transmembrana, se muestran en la
Fig. 4. Las concentraciones del jugo en los diferentes sistemas se llevaron por
lotes, con un tiempo de proceso de 40 minutos. En los módulos tubular y
espiral se obtuvieron curvas de flujo de permeado muy similares, durante todo
el proceso de concentración (Fig. 4). Mientras que, en el módulo de placas a
los 20 minutos de proceso se obtuvieron flujos similares a los otros dos
módulos.
Fig. 3. Permeabilidad del jugo de mora en membranas de ósmosis inversa a 25°C.
Fig 4. Flujo de permeado durante la ósmosis inversa del jugo clarificado de mora
(presión transmembrana 40 bar y 25°C), en los diferentes módulos.
En los procesos de concentración a 25°C y 40 bar de presión, los flujos
medios de permeado de los módulos tubular (14,5 ± 1,8 l.h.-1m-2) y espiral
0
5
10
15
20
25
30
15 20 25 30 35 40 45
Flujo de
Permeado
(l.h
‐1.m
-2)
Presión Transmembrana (bar)
Espiral
Tubular
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Flujo de
Permeado
(l.h
‐1.m
-2)
Tiempo de Proceso (min)
Placas
Espiral
Tubular
(13,9 ± 1,0 l.h-1.m-2) fueron similares, pero mayores que el flujo medio de
9,5 ± 1,1 l.h.-1m-2 obtenido en el módulo de placas.
Las variaciones del contenido de sólidos solubles (°Brix) durante los
proceso de ósmosis inversa en los tres sistemas se presentan en la Fig. 5. Las
curvas en los tres módulos son típicas del proceso de ósmosis, de manera que
la concentración aumentó hasta el límite de la presión osmótica del jugo.
Además, para un mismo tiempo de concentración (40 minutos), en los tres
módulos se obtuvieron jugos concentrados, con un contenido de sólidos
solubles en un rango entre 18 - 20°Brix.
Fig 5. Concentración por ósmosis inversa del jugo clarificado de mora (presión
transmembrana 40 bar y 25°C), en los diferentes módulos.
Las propiedades del jugo de mora antes y después de los diferentes
procesos de ósmosis inversa se muestran en la Tabla 2. Los resultados de la
caracterización del jugo muestran que fue posible concentrarlo por ósmosis
inversa en diferentes módulos y obtener un jugo concentrado que presentó un
mayor contenido de los diferentes componentes de interés (Tabla 2),
comparado con el jugo clarificado.
En el sistema de tubular se obtuvo la mayor concentración del jugo
clarificado que fue de 20,8°Brix con un factor de concentración volumétrica de
2,8. Mientras que en los módulos espiral (19,6°Brix) y placas (18,1°Brix) se
obtuvieron factores de concentración volumétrica de 2,4 y 2,1 respectivamente.
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Sólid
os Solub
les (°Brix)
Tiempo de Proceso (min)
Placas
Espiral
Tubular
Además, los procesos de ósmosis inversa en los tres módulos mostraron
una buena retención de azúcares en un alrededor del 100%, considerando que
los azúcares no fueron detectados en la corriente de permeado en todos los
procesos de concentración.
Tabla 2
Caracterización del jugo de mora en el proceso de ósmosis inversa en los diferentes
módulos (presión transmembrana 40 bar y 25°C)*.
Tubular Espiral Placas JCl JCo Fc JCl JCo Fc JCl JCo Fc
FCV - 2,8 - - 2,4 - - 2,1 -
Sólidos solubles (°Brix) 7,80 20,80 2,7 8,30 19,60 2,3 8,73 18,07 2,1 pH 2,93 2,81 - 2,91 2,80 - 2,80 2,70 - Acidez
(g Ác. Cítrico/100g) 2,31 5,90 - 2,20 4,86 - 2,49 5,26 -
Antocianinas totales
(mg Cianidina-3-glucósido/100g) 135,53 354,31 2,6 106,91 245,25 2,2 108,64 220,18 2,0
Polifenoles totales
(mg Ác. Gálico/100g) 354,95 966,15 2,7 271,15 568,11 2,1 274,35 556,66 2,0
Capacidad antioxidante
(µmol Trolox/100g) 890,63 3584,24 4,0 1109,77 3511,49 3,2 747,38 3357,66 4,4
* Jugo clarificado (JCl) al inicio y jugo concentrado (JCo) al final del proceso. Fc: Factor de
concentración. FCV: Factor de concentración volumétrica.
En los módulos tubular y placas, los componentes funcionales como las
antocianinas y polifenoles presentaron factores de concentración similares a los
factores de concentración volumétrica (Tabla 2), lo que indica que durante la
ósmosis inversa del jugo de mora se obtuvieron retenciones mayores al 94%
de estos componentes, así por ejemplo los polifenoles fueron retenidos en un
97% en el módulo tubular, mientras que en el módulo espiral se obtuvo las más
bajas retenciones, del 92% y 88% para antocianinas y polifenoles,
respectivamente. Al comparar estos valores de retención con los señalados por
Bánvölgyi et al. (2009) en su estudio de ósmosis inversa del jugo de grosella
negra (retenciones del 99% de antocianinas y polifenoles), se puede constatar
que es posible obtener mayores retenciones de estos compuestos que las
obtenidas en este estudio.
En los tres jugos concentrados se verificó que la capacidad antioxidante fue
superior en factores de 3,2; 4,0 y 4,4 veces a la capacidad antioxidante de los
jugos clarificados originales, procesados en los módulos espiral, tubular y
placas, respectivamente. Además, si comparamos estos factores con respecto
a los factores de concentración volumétrica para cada uno de los jugos (Tabla
2), se puede apreciar que la capacidad antioxidante aumentó en promedio 1,6
veces más de lo esperado. Esto pudo ocurrir posiblemente, no solo por la
buena retención que existió de polifenoles y antocianinas (90%
aproximadamente), sino también a que pudo existir una buena retención de
otros componentes como la vitamina C, E y minerales como el Cu que están
presentes en la mora (Martínez et al., 2007). Estos componentes también son
antioxidantes (García et al., 2004), que posiblemente en concentraciones
presentes en el jugo clarificado no fueron posibles ser detectadas sus
actividades antioxidantes, mientras que al retenerse durante la ósmosis inversa
estos compuestos se incrementaron y pudieron ser detectadas sus actividades
antioxidantes y así, contribuir en gran manera a la alta capacidad antioxidante
que presentó el jugo concentrado.
Estos jugos de mora concentrados por ósmosis inversa presentaron en
promedio un una alta capacidad antioxidante de 3485 ± 116 µmol Trolox/100 g.
Este valor de capacidad antioxidante fue aproximadamente un 6% menos que
el valor de capacidad antioxidante en mora fresca reportado por Vasco et al.
(2008), cuyo valor fue de 4100 ± 260 µmol Trolox/100 g peso fresco.
4. Conclusiones
Los procesos de concentración por ósmosis inversa en los diferentes
módulos estudiados, tubular, placas y espiral se presentaron como una
alternativa para la obtención de un jugo clarificado concentrado de mora, con
buenas características funcionales. Sin embargo, en los sistemas tubular con
membranas de poliamida (99% de retención NaCl) y placas con membranas de
film compuesto (95% de retención de NaCl) se obtuvieron las mejores
retenciones (mayores al 94%) de sólidos solubles, antocianinas y polifenoles.
Además en el módulo de placas, la capacidad antioxidante del jugo
concentrado fue de 4,4 veces más que la capacidad antioxidante del jugo
clarificado original (747,4 µmol Trolox/100 g).
Agradecimientos
Al proyecto PAVUC de la Comunidad Europea, por su financiamiento.
Además, un agradecimiento por su colaboración en este estudio, al grupo de
trabajo de Embrapa-Brasil, también participantes en el proyecto PAVUC.
Bibliografía
Abdel ES, Holc P. 1999. A Rapid Method for Quantifying Total Antocyanins in Blue Aleorose and Purple Pericarps Wheats. Cereal Chemistry 76(3):350-354.
Bánvölgyi S, Horváth S, Stefanovits-Bányai É, Békássy-Molnár E, Vatai G. 2009. Integrated membrane process for blackcurrant (Ribes nigrum L.) juice concentration. Desalination 241(1-3):281-287.
Bravo L. 1998. Polyphenols: Chemistry, Dietary Sources, Metabolism and Nutritional Significance. Nutritional Reviews 56(11):317-333.
Cardoso C, Meira Rufino J, Habert AC, Nobrega R, Corrêia Cabral LM, Piacsek Borges C. 2002. Membrane for processing tropical fruit juice. Desalination 148(1-3):57-60.
Cepeda PM. 2000. Diagnóstico de la Problemática en el Cultivo de la Mora Rubus glaucus en la Provincia de Tungurahua. Ambato-Ecuador: Universidad Técnica de Ambato. 69 p.
García M, De Pascual T. S, Santos B. C, Rivas G. JC. 2004. Evaluation of the antioxidant properties of fruits. Food Chemistry 84(1):13-18.
Georgé S, Brat P, Alter P, Amiot MJ. 2005. Rapid determination of polyphenols and vitamin C in plant-derived products. Journal of Agricultural and Food Chemistry 53:1370-1373.
Horwitz W. 2000. Official Methods of Analysis of AOAC International. Maryland. Jiao B, Cassano A, Drioli E. 2004. Recent advances on membrane processes
for the concentration of fruit juices: a review. Journal of Food Enginnering 63(3):303-324.
Martínez A, Beltrán O, Velastegui G, Ayala G, Jácome R, Yánez W, Valle E. 2007. Manual del Cultivo de la Mora de Castilla (Rubus glaucus B). Ambato-Ecuador: V&P Publicidad. 36 p.
Re R, Pellegrini N, Proteggente A, Pannala A, Yang M, Rince-Evans C. 1999. Antioxidant Activity Applying An Improved ABTS Radical Cation Decoloration Assay. Free Radical Biology & Medicine 26:1231-1237.
Vasco C, Ruales J, Kamal-Eldin A. 2008. Total phenolic compounds and antioxidant capacities of major fruits from Ecuador. Food Chemistry 111:816-823.
Wu X, Beecher GR, Holden JM, Haytowitz DB, Gebhardt SE, Prior RL. 2006. Concentrations of Anthocyanins in Common Foods in the United States
and Estimation of Normal Consumption. Journal of the Agricultural and Food Chemistry 54(11):4069-4075.
Yacelga NP. 2007. Obtención de Jugo Clarificado de Mora (Rubus Glaucus Bent) Mediante Microfiltración Tangencial. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 149 p.
ARTÍCULO III
OBTENCIÓN DE JUGOS CLARIFICADOS CONCENTRADOS DE NARANJILLA (Solanum quitoense) USANDO TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS
DEVELOPMENT OF CLARIFIED NARANJILLA CONCENTRATE JUICE FROM NARANJILLA (Solanum quitoense) USING MEMBRANE TECHNOLOGY
Verónica Marcillo, Edwin Vera y Jenny Ruales
Departamento de Ciencia de Alimentos y Biotecnología. Escuela Politécnica Nacional. P.O.Box 17012759. Quito-Ecuador. E-mail: [email protected]
ABSTRACT
This investigation has as objective to concentrate the clarified juice of naranjilla.
The clarified juice was obtained by crossflow microfiltration using a ceramic membrane of 0,2 μm. The tests of concentration of the clarified juice of naranjilla were carried out in two units of reverse osmosis Micro-240 and B1 twin-entry of Aquious-PCI.
The polyphenols presented a retention of 229,84mg Gallic acid/100g. The concentrated juice showed an antioxidant capacity (1855,50µmol Trolox/100g) of 4 times that the antioxidant capacity (457 µmol Trolox/100g) of the clarified juice.
The clarified juice and concentrated were shown as Newtonians fluids, in spite of the light increase of viscosity of the concentrated juice (1,45mPa.s). The tests carried out in the module Micro-240 allowed a good estimate of the time of process of reverse osmosis and the operation conditions of pressure and temperature, for obtaining the clarified naranjilla concentrate juice at level pilot in the B1 module.
The process of reverse osmosis carried out with the tubular membranes AFC99 of polyamide (99% of retention of NaCl) presented a good retention of sugars, organic acids and functional components, allowing to have a juice with a high antioxidant capacity.
The use of membrane technology of is presented as good alternative for obtaining clarified naranjilla concentrate juice.
RESUMEN
Esta investigación tuvo como objetivo concentrar el jugo clarificado de naranjilla.
El jugo clarificado fue obtenido por microfiltración tangencial usando una membrana cerámica de 0,2 μm. Las pruebas de concentración del jugo clarificado de naranjilla se realizaron en las unidades de ósmosis inversa Micro-240 y B1 twin-entry de Aquious-PCI.
Los polifenoles presentaron una retención de 229,84 mg Ác. Gálico/100g. El jugo concentrado mostró una capacidad antioxidante (1855,50 µmol Trolox/100g) de 4 veces mayor
que la capacidad antioxidante (457 µmol Trolox/100g) del jugo clarificado.
Los jugos clarificado y concentrado se mostraron como fluidos newtonianos, a pesar del leve aumento de viscosidad del jugo concentrado (1,45 mPa.s).
Las pruebas realizadas en el módulo Micro-240 permitieron una buena estimación del tiempo de proceso de ósmosis inversa y las condiciones de operación de presión y temperatura, para la obtención del jugo clarificado concentrado de naranjilla a nivel piloto en el módulo B1.
El proceso de ósmosis inversa realizado con las membranas AFC99 tubulares de poliamida (99% de retención de NaCl) presentó una buena retención de azúcares, ácidos orgánicos y componentes funcionales, permitiendo tener un jugo con una alta capacidad antioxidante.
El uso de tecnología de membranas se presenta como una buena alternativa para la obtención del jugo clarificado concentrado de naranjilla.
PALABRAS CLAVES: Ósmosis inversa, naranjilla, jugos concentrados
INTRODUCCIÓN
La concentración de jugo de naranjilla, como de cualquier otro producto alimenticio involucra la remoción de agua para reducir el costo de almacenamiento y de transporte. La ósmosis inversa (OI) es un proceso de membranas cuyo interés esta incrementándose en la industria de alimentos, en la cual se presenta algunas ventajas con respecto a la evaporación y congelamiento, las otras 2 técnicas más ampliamente usadas para este propósito.
Como el proceso es realizado a temperaturas relativamente bajas, el daño térmico es mínimo. Otra ventaja es el bajo consumo energético.
Estudios previos realizados en concentración de jugos usando tecnología de membranas han mostrado una gran retención de propiedades sensoriales y de azúcares.
Procesos en sistemas de microfiltración tangencial están limitados a ensuciamiento de la membrana y a procesos de polarización de concentración. En el caso de ósmosis inversa, la
polarización de concentración tiene especial importancia debido al incremento de la presión osmótica cuando la concentración en la superficie de la membrana se incrementa.
Debido a la variación de composición de los jugos es necesario realizar estudios de permeabilidad de las membranas y evaluación de flujo de procesamiento con cada jugo. El objetivo de la presente investigación fue estudiar el proceso de concentración del jugo clarificado de naranjilla (Solanum quitoense) por ósmosis inversa.
MATERIALES Y MÉTODOS
Materia Prima La naranjilla (Solanum quitoense), se adquirió en la Provincia de Tungurahua-Ecuador. Para la obtención del jugo clarificado de naranjilla se siguió el procedimiento descrito por Mosquera (2008). Se trabajó con fruta de grado de madurez 5 (100% madura) para la obtención de la pulpa y se adicionó ácido ascórbico al 0,15% p/p. Posteriormente a la pulpa se le realizó una hidrólisis enzimática por 1 hora a 30°C con el coctel enzimático Klerzyme, en una concentración de 0,7 ml/kg de pulpa. En el proceso de clarificación se utilizó una unidad piloto de microfiltración tangencial (TIA), provisto de una membrana cerámica tubular de 0,2 µm de porosidad y con una superficie de membrana de 0,2 m2, a 30 °C y 2 bar de presión transmembrana. Los jugos clarificados fueron almacenados en recipientes plásticos de capacidad de 10 l, en congelación (-18 °C) hasta su utilización en las pruebas de concentración. Metodología Las pruebas de concentración del jugo clarificado de naranjilla se realizaron en las unidades de ósmosis inversa Micro-240 y B1 twin-entry de Aquious-PCI. El módulo Micro-240 está equipado con dos membranas tubulares AFC99 de poliamida, con un área filtrante de 0,024 m2 y una exclusión nominal de NaCl del 99%. En el equipo se realizaron pruebas de permeabilidad hidráulica y de jugo clarificado de naranjilla a diferentes temperaturas y presiones transmembrana. Además, se evaluó el efecto de los parámetros de operación presión (40 y 60 bar) y temperatura (25 y 35 °C), en función del flujo de permeado y concentración de sólidos solubles (°Brix). El módulo B1 twin-entry tiene 18 membranas tubulares AFC99 de poliamida, con un área filtrante de 0,9 m2 y una exclusión de NaCl del 99%. En el sistema se realizaron las pruebas concentración a nivel piloto, a las condiciones pre-establecidas en el Micro-240. En el proceso inicial y final de concentración se tomaron las muestras respectivas para los análisis de caracterización.
En las muestras se analizaron estas propiedades: sólidos solubles (°Brix), pH, acidez titulable y densidad (Horwitz, 2000), beta carotenos (Pettersson y Jonsson, 1990), polifenoles totales (Georgé et al., 2005), capacidad antioxidante (Re et al., 1999), azúcares (DECAB, 2004a), ácidos orgánicos (Pérez et al., 1997), vitamina C (DECAB, 2004b) y viscosidad usando un sistema de cono plato de 60 mm, 2° con Termal Break a 20 °C en el Reómetro AR 2000 (TA Instruments, 2000).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La curva característica de permeabilidad hidráulica de la membrana de ósmosis inversa se presenta en la Figura 1, con la cual se pudo determinar que el valor de la permeabilidad de la membrana con agua pura a 25 °C fue de 1,95 l/hm2bar y la resistencia de la membrana fue de 0,51 hm2bar/l. Además, al comparar la permeabilidad de la membrana con jugo clarificado de naranjilla y con agua, se puede apreciar una reducción significativa (p<0,05) de los valores de flujo de permeado a diferentes temperaturas. Figura 1. Permeabilidad del agua (25 °C) y del
jugo clarificado de naranjilla (6,5 °Brix), en membranas de ósmosis inversa (módulo Micro-240) a diferentes temperaturas.
Además, para la presión de 60 bar y 25 °C se obtuvo con agua un flujo de alrededor de 116 l/hm2 y con el jugo se obtuvo un flujo de 36 l/hm2, mostrando una disminución del flujo del 70%. Por otro lado, en la Figura 1 se puede observar que la permeabilidad con jugo (6,5 °Brix) aumenta con la temperatura, sin embargo entre las temperaturas 35 y 40 °C los flujos no son estadísticamente diferentes (p<0,05). Por lo tanto a la presión de 60 bar y entre las temperaturas 35 y 40 °C el flujo medio fue de 57 l/hm2.
Tabla 1. Proceso de concentración a diferentes presiones y temperaturas en el módulo Micro-240
*Valores en cada columna, seguidos por letras diferentes son estadísticamente diferentes (p<0,05) Las pruebas de concentración del jugo en el módulo Micro-240 se llevaron a cabo en modo batch con una alimentación de 2 l y en promedio con un jugo de 6,5 °Brix. Las gráficas y resultados obtenidos en los diferentes procesos se presentan en la Figura 2 y Tabla 1 respectivamente. Las curvas de la Figura 2 muestran el decrecimiento del flujo a medida que aumenta la concentración del jugo y su variación con respecto a la presión y temperatura.
Figura 2. Efecto de la presión y temperatura en el proceso de concentración del jugo clarificado de naranjilla por ósmosis inversa (módulo Micro-240).
Los datos de la Tabla 1 muestran que para una presión determinada el aumento de temperatura no presenta una variación significativa (p<0,05) en el flujo medio de permeado y en la concentración final del jugo, mientras que al mantener constante la temperatura y variar la presión si se evidencia una diferencia significativa de los mismos. Mediante el análisis de los resultados anteriores se decidió trabajar a una presión de 60 bar y 30°C, con un volumen de 4 l en el módulo Micro-240, obteniéndose como resultados (Figura 3) un flujo medio de permeado de 23 l/hm2, una concentración del jugo de 20,6 °Brix en 8,5 horas de proceso. Esto permitió predecir que es posible llegar a concentraciones mayores de 20 °Brix, en
menor tiempo de proceso, usando el módulo B1 que es de mayor área filtrante (0,9 m2). Figura 3. Flujo de permeado y concentración del
jugo clarificado de naranjilla por ósmosis inversa a 60 bar y 30 °C (módulo Micro-240).
La concentración del jugo en el módulo B1 se llevó a cabo a una presión de 60 bar y 30 °C, con un volumen de 20 l en modo batch, obteniéndose las curvas de la Fig. 4. En el proceso se tuvo un flujo medio de permeado de 23,7 l/hm2 y se llegó a una concentración de 24 °Brix, en un tiempo de 45 minutos de proceso. Las Figuras 3 y 4 muestran un comportamiento similar en el proceso de concentración por ósmosis inversa tanto para el micro-240 como para el módulo B1. El flujo de permeado disminuye a medida que aumenta la concentración de sólidos solubles. Además, con el resultado del flujo medio en el proceso de ósmosis inversa en el Micro-240, se predijo que el tiempo estimado para concentrar los 20 l de jugo en el módulo B1 sería de 1 hora, esto resultó una buena aproximación, ya que el tiempo real del proceso fue de 45 minutos. Figura 4. Flujo de permeado y concentración del
jugo clarificado de naranjilla por ósmosis inversa a 60 bar y 30 °C (módulo B1).
Las propiedades del jugo de naranjilla antes y después del proceso de ósmosis inversa se presentan en la Tabla 2.
Proceso Flujo medio*
(l/hm2)
Sólidos solubles*
(°Brix)
Tiempo (min)
40 bar 25 °C
17,16 ± 1,57a 11,0 ± 0,4a 190
40 bar 35 °C
19,80 ± 1,09a 11,4 ± 0,3a 190
60 bar 25 °C
24,92 ± 1,11b 13,9 ± 0,6b 180
60 bar 35 °C
27,76 ± 1,80b 13,6 ± 0,5b 180
El jugo concentrado presenta en general un mayor contenido de los diferentes componentes (Tabla 2), comparado con el jugo clarificado. La concentración del jugo fue de 24 °Brix, lo que indica que el factor de concentración volumétrica fue aproximadamente de 3. Además, el proceso mostró una buena retención de azúcares en un alrededor del 100%, considerando que los azúcares no fueron detectados en la corriente de permeado, ya que el refractómetro mostró siempre 0 °Brix. Tabla 2. Caracterización del jugo de naranjilla en
el proceso de ósmosis inversa, en el módulo tubular a una presión transmembrana de 60 bar y 30 °C.
Jugo clarificado
Jugo concentrado
Sólidos solubles (°Brix) 7,1 ± 0,06 23,9 ± 0,10 pH 3,3 ± 0,01 3,2 ± 0,01 Acidez (g Ácido cítrico /100g)
3,1 ± 0,19 8,9 ± 0,18
Beta Carotenos (mg/100g)
LND LND
Polifenoles (mg Ácido gálico/100g)
67,5 ± 1,4 229,8 ± 18,1
Actividad antioxidante (µmol Trolox/100g)
457,0 ± 1,0 1856 ± 104,5
Vitamina C (mg /100g) 21,9 ± 0,5 121,5 ± 1,3 Fructosa (mg/100g) 799 ± 2,0 1326 ± 1,6 Glucosa (mg/100g) 941 ± 2,0 1804 ± 2,2 Sacarosa (mg/100g) 1613 ± 1,4 3808 ± 14,5 Ácido cítrico (mg/100g) 2317 ± 95,6 7423 ± 40,5 Ácido tartárico (mg/100g)
553 ± 11,7 2166 ± 24,7
Ácido málico (mg/100g) 744 ± 40,3 2545 ± 79,8 Viscosidad (mPa.s) 1,2 ± 0,03 1,5 ± 0,10 Densidad (g/cm³) 20°C 1,0235 ± 0,0001 1,0728 ± 0,0006
El pH en el jugo concentrado disminuye a 3,2 y la acidez aumenta a 8,9 g Ác. Cítrico/100g, debido al incremento del contenido de ácidos orgánicos, siendo el de mayor presencia el ácido cítrico con 7423 mg/100g.
Los beta carotenos no fueron determinados, debido a su ausencia en el jugo clarificado. Mientras que, los polifenoles presentaron una retención de 229,8 mg Ác. Gálico/100g. El jugo concentrado mostró una capacidad antioxidante (1855,5 µmol Trolox/100g) de 4 veces mayor que la capacidad antioxidante (457 µmol Trolox/100g) del jugo clarificado.
Los jugos clarificado y concentrado se mostraron como fluidos newtonianos, a pesar del leve aumento de viscosidad del jugo concentrado (1,45 mPa.s).
CONCLUSIONES
Las pruebas realizadas en el módulo Micro-240 permitieron una buena estimación del tiempo de proceso de ósmosis inversa y las condiciones de operación de presión y temperatura, para la
obtención del jugo clarificado concentrado de naranjilla a nivel piloto en el módulo B1.
El proceso de ósmosis inversa realizado con las membranas AFC99 tubulares de poliamida (99% de retención de NaCl) presentó una buena retención de azúcares, ácidos orgánicos y componentes funcionales, permitiendo tener un jugo con una alta capacidad antioxidante.
El uso de tecnología de membranas se presenta como una buena alternativa para la obtención del jugo clarificado concentrado de naranjilla.
AGRADECIMIENTOS
Este estudio fue financiado por el proyecto PAVUC Contrato 015279.
REFERENCIAS
DECAB. 2004a. Método modificado del Manual de la Columna ASTEC NH2 series de Advanced Separation Technologies Inc. USA.
DECAB. 2004b. Método modificado y validado por el DECAB del paper: Macrae, R. (1988) "HPLC in food analysis" Academic Press, Great Britain. Academic Press. Segunda ed.
Georgé S, Brat P, Alter P, Amiot MJ. 2005. Rapid determination of polyphenols and vitamin C in plant-derived products. Journal of Agricultural and Food Chemistry 53:1370-1373.
Horwitz W. 2000. Official Methods of Analysis of AOAC International. Maryland.
Mosquera ME. 2008. Evaluación Técnica-Financiera de la Industrialización del Jugo Clarificado de Naranjilla (Solanum quitoense Lam.) Obtenido Mediante Microfiltración Tangencial. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 116 p.
Pérez A, Olías R, Espada J, Olías J, Sanz C. 1997. Rapid Determination of sugars, Nonvolatile Acids and Ascorbic in Strawberry and other Fruits. Food Chemistry 45:3545-3549.
Pettersson A, Jonsson L. 1990. Separation of Cis-Trans Isomers of alpha- and beta-Carotene by Adsorption HPLC and Identification with Diode Array Detection. Journal Micronutrients Analysis 8:23-41.
Re R, Pellegrini N, Proteggente A, Pannala A, Yang M, Rince-Evans C. 1999. Antioxidant Activity Applying An Improved ABTS Radical Cation Decoloration Assay. Free Radical Biology & Medicine 26:1231-1237.
TA Instruments I. 2000. AR 2000 Rheometer Operator`s Manual.
ARTÍCULO IV
Concentración por ósmosis inversa de jugos de frutas andinas con
capacidad antioxidante: mora (Rubus glaucus), naranjilla (Solanum
quitoense) y tomate de árbol morado (Solanum betaceum)
Verónica Marcillo1, Virgínia Matta2, Edwin Vera1 y Jenny Ruales1 1ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE ALIMENTOS Y BIOTECNOLOGÍA Casilla: 17-01-2759 Email: [email protected]
QUITO-ECUADOR 2EMBRAPA AGROINDUSTRIA DE ALIMENTOS
RIO DE JANEIRO-BRASIL
Resumen
La concentración por ósmosis inversa fue evaluada para los jugos
clarificados de mora, naranjilla y tomate de árbol morado. Los jugos clarificados
de las tres frutas se concentraron por ósmosis inversa, en el módulo B1
(Aquious-PCI) de 18 membranas tubulares AFC99 de poliamida, con un área
filtrante de 0.9 m2 y una exclusión de NaCl del 99%, a 60 bar y 30°C. Los
análisis de los jugos concentrados mostraron que la mora, naranjilla y tomate
de árbol morado se concentraron a 24,9; 23,5 y 24,7 °Brix, respectivamente. El
factor de concentración, para las tres frutas fue de 2,8 veces aproximadamente.
En los jugos clarificados concentrados, los contenidos de vitamina C,
polifenoles, antocianinas y capacidad antioxidante también aumentaron, en un
factor similar al factor volumétrico (3 veces). El jugo concentrado de mora
presentó la mayor presencia de vitamina C (23,4 mg/100 g), polifenoles totales
(905 mg Ácido Gálico/100 g), capacidad antioxidante (4409 µmol Trolox/100 g)
y antocianinas (259 mg Cianidina-3-glucósido/100 g). Además, minerales como
el Mg, Ca, Na y Fe presentes en los jugos clarificados de las frutas, también
fueron fuertemente retenidos por la membrana, durante el proceso de ósmosis
inversa, ya que presentaron factores de concentración mayores al factor
volumétrico. En conclusión, la concentración por ósmosis inversa se presentó
como una buena alternativa, para la obtención de jugos clarificados
concentrados de frutas; preservando las características nutricionales y
funcionales de las frutas frescas.
Palabras claves: Jugo concentrado, frutas andinas, capacidad antioxidante.
1. Introducción
Ecuador produce una gran variedad de frutas como la mora, naranjilla,
tomate de árbol morado, etc. que poseen un gran interés en el mercado por sus
agradables características sensoriales (García y García, 2001; Martínez, 2002).
Además, un estudio realizado a estas frutas en fresco determinó que tienen un
interesante contenido de polifenoles, siendo la mora de Castilla, la fruta de más
alto contenido de polifenoles y con una gran capacidad antioxidante (Vasco et
al., 2008).
Por otro lado, numerosas investigaciones epidemiológicas han mostrado
que una dieta rica en frutas y vegetales está relacionada con ciertos beneficios
en la salud humana, tales como la reducción del riesgo de desarrollar
enfermedades degenerativas como el cáncer (Wargovich, 2000; Heber, 2004),
enfermedades cardiovasculares (Joshipura et al., 2001), hipertensión (Mignone
et al., 2009) y procesos inflamatorios (Zafra-Stone et al., 2007). Los
constituyentes responsables para estos efectos benéficos se atribuye
principalmente a los compuestos fenólicos, algunas vitaminas (A, C, E) y
carotenos, por su acción antioxidante (García et al., 2004; Wu et al., 2006;
Mignone et al., 2009). Estas sustancias aumentan la defensa antioxidante del
organismo contra el estrés oxidativo, responsable de diferentes tipos de daño
celular (Bravo, 1998).
Es así que, las personas han aumentado su interés por consumir productos
derivados principalmente de frutas, con gran calidad funcional, nutricional y
sensorial (Sabbe et al., 2009), favoreciendo ampliamente el desarrollo de las
industrias de bebidas de frutas (Murillo, 2006).
Una variedad de bebidas en base de frutas son los jugos clarificados y
concentrados, que pueden ser obtenidos mediante el uso de tecnología de
membranas. A base de estas bebidas, se han podido desarrollar otros
productos como son las bebidas gaseosas, aguas aromáticas, bebidas
energizantes (para deportistas), cocteles, productos gelificados naturales, etc.
(Vaillant et al., 2001). Además, los jugos de frutas obtenidos por procesos con
membranas como microfiltración (MF), ultrafiltración (UF) y ósmosis inversa
(OI) presentan una mejor conservación de componentes aromáticos, vitamina
C y antioxidantes naturales, debido principalmente a que estos procesos
operan a temperaturas ambientales (Cardoso et al., 2002; Jiao et al., 2004;
Galaverna et al., 2008).
La importancia de las propiedades antioxidantes de los alimentos en el
mantenimiento de la salud ha despertado el interés de los científicos,
fabricantes y consumidores. Por este motivo, el objetivo principal de esta
investigación fue evaluar el proceso de concentración por ósmosis inversa para
la elaboración de jugos clarificados concentrados de mora, naranjilla y tomate
de árbol morado con potencial antioxidante natural.
2. Materiales y métodos
2.1. Materia prima
La mora de castilla y tomate de árbol morado se obtuvieron de los cultivos
del INIAP ubicados en Ambato-Ecuador. Mientras que, la naranjilla se obtuvo
de cultivos ubicados en Baños-Ecuador. Las tres frutas se procesaron en
estado fresco 100% maduras.
2.2. Metodología del proceso
Cada lote de frutas fue procesado de acuerdo al diagrama de proceso
mostrado en la Fig. 1. El tomate de árbol requirió una etapa adicional que fue la
de pelado, debido a que su cáscara es gruesa y amarga, por lo que no fue
posible despulparla directamente.
La clarificación por microfiltración tangencial de los jugos de mora,
naranjilla y tomate de árbol morado fueron realizados según los procedimientos
descritos por Yacelga (2007), Mosquera (2008) y Torres (2007),
respectivamente. Las pulpas frescas fueron hidrolizadas con un coctel
enzimático Klerzyme (344 PL, 1507 PG, 712 PE, 195 CX y 8 CA UI/ml) de
INTERENZIMAS LTDA para la mora (1 ml/kg por 30 minutos a 30°C) y la
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En el equipo se realizaron pruebas de permeabilidad con agua destilada y
con los jugos clarificados de las tres frutas a 30°C y diferentes presiones
transmembrana. Las pruebas de concentración de los jugos se realizaron a
30°C y una presión de 60 bar, para cada lote de jugo. Durante el proceso se
midió el flujo del permeado y los sólidos solubles de la fracción retenida cada 5
minutos.
2.3. Métodos analíticos
En el jugo clarificado y concentrado se cuantificaron la cantidad de sólidos
solubles (°Brix), pH, acidez, humedad, carbohidratos, proteínas, lípidos y
cenizas (Horwitz, 2000), azúcares (DECAB, 2004a), ácidos orgánicos (Pérez et
al., 1997), vitamina C (DECAB, 2004b), beta carotenos (Pettersson y Jonsson,
1990), antocianinas totales (Giusti y Wrolstad, 2001), polifenoles totales
(Georgé et al., 2005), capacidad antioxidante (Re et al., 1999) y minerales
(Abdulla, 1986).
3. Resultados y discusión
3.1. Proceso de concentración por ósmosis inversa
La Fig. 2 muestra el efecto de la presión transmembrana sobre el flujo de
permeado tanto para el agua como para los tres jugos clarificados de mora,
naranjilla y tomate de árbol morado. Se observó un incremento del flujo de
permeado con el incremento de la presión, a una misma temperatura y
concentración inicial (7-8°Brix) de los jugos.
Los ensayos de permeabilidad de membrana no están normalizados y por
ello es difícil la comparación entre membranas de diferentes fabricantes. Sin
embargo, la permeabilidad de la membrana en agua destilada es un parámetro
de referencia de la integridad y limpieza de la membrana (Mafart y Béliard,
1991). La permeabilidad de la membrana con agua destilada fue de
1,97 l.h-1.m-2.bar-1, a 30°C (Fig. 2), la cual permaneció constante después de la
limpieza de la membrana en cada proceso realizado. Álvarez et al., (1997) en
un equipo similar de ósmosis inversa (PCI-England, con 18 membranas de
poliamida tubulares AFC99, 99% de retención de NaCl y un área filtrante de
0,9 m2) determinó que la permeabilidad de la membrana con agua pura fue de
1,32 l.h-1.m-2.bar-1, a 30°C.
Fig. 2. Permeabilidad hidráulica y de los diferentes jugos clarificados de mora,
naranjilla y tomate de árbol a 30°C.
En la Fig. 2 se puede observar también que los flujos de permeado de los
jugos clarificados son muy bajos comparados con los del agua destilada. Así
tenemos que a 60 bar de presión, el flujo de permeado para el agua fue de
122 l.h-1.m-2, mientras que para los jugos de mora, tomate de árbol morado y
naranjilla fueron de 48, 47 y 46 l.h-1.m-2, respectivamente. Además, los flujos de
permeado entre los tres jugos clarificados no fueron estadísticamente
diferentes (p<0,05), a 60 bar de presión.
La Fig. 3 presenta las curvas de los flujos de permeado y de las
concentraciones de los sólidos solubles durante la ósmosis inversa de los jugos
de mora, naranjilla y tomate de árbol morado, a 60 bar y 30°C. Durante los
procesos de ósmosis inversa de cada uno de los lotes de jugo, el flujo de
permeado decreció mientras la concentración de sólidos solubles se
incrementaba. Las curvas obtenidas para los tres jugos presentaron
comportamientos similares (Fig. 3).
Para un mismo tiempo de proceso de 45 minutos y con 20 l de alimentación
para cada uno de los tres jugos, se llegó a obtener flujos medios de permeado
de 23,9; 22,8 y 23,1 l.h-1.m-2 para los jugos de mora, tomate de árbol morado y
naranjilla, respectivamente (Fig. 3). A partir de estos jugos clarificados, que
estuvieron en un rango de 7-8 °Brix de concentración inicial, se obtuvieron
jugos concentrados entre 24-25 °Brix, obteniéndose un factor de concentración
de 2,8 veces aproximadamente.
Fig. 3. Comportamiento del flujo de permeado y sólidos solubles durante la
concentración por ósmosis inversa de los jugos clarificados de mora, naranjilla y
tomate de árbol morado (30°C y 60 bar).
Álvarez et al. (1997) concentraron un jugo clarificado de manzana de
11 °Brix a 26 °Brix (2,4 veces) usando un equipo similar al utilizado en esta
investigación, a 30°C y 55 bar. El proceso de concentración lo iniciaron con un
flujo de permeado de 42 l.h-1.m-2. Al comparar los factores de concentración,
que para el caso del jugo de manzana fue de 2,4 veces y en nuestro estudio
fue en promedio de 2,8 veces para las tres frutas, se pudo constatar que el
proceso de ósmosis inversa en este módulo tubular permitió concentrar jugos
de diferentes frutas con factores de concentración similares.
3.2. Características de los jugos clarificados concentrados
En la Tabla 1 se muestran las características de los jugos clarificados y
concentrados de mora, naranjilla y tomate de árbol morado, en el proceso de
ósmosis inversa.
Los jugos concentrados por ósmosis inversa presentaron un incremento en
la concentración de todos los componentes, comparados con los jugos
clarificados. Estos jugos concentrados mostraron concentraciones de 24,9;
23,5 y 24,7 °Brix, para los jugos de mora, naranjilla y tomate de árbol morado
respectivamente (incremento de tres veces aproximadamente). Además, el
contenido de sólidos solubles en el permeado de la ósmosis inversa fue de
0 °Brix en los diferentes procesos, lo que indica que estos componentes fueron
retenidos al 100% por la membrana de ósmosis.
El valor de pH de los jugos concentrados disminuyó ligeramente (0,7%)
mientras que la acidez aumentó (64%), debido al incremento de los ácidos
orgánicos, principalmente del ácido cítrico que es el de mayor presencia en los
tres jugos. Por otro lado, los azúcares como la fructosa, glucosa y sacarosa
aumentaron en un promedio de tres veces sus concentraciones, en los tres
jugos concentrados comparados con los jugos clarificados.
El jugo concentrado de mora presentó la mayor presencia de vitamina C,
con un factor de concentración de 3,3 veces (23,4 mg/100 g) seguido por el
jugo concentrado de naranjilla cuyo factor de concentración fue de 4 veces (9,8
mg/100 g). Los jugos clarificados y concentrados de tomate de árbol morado
mostraron límites no detectables de esta vitamina C. Sin embargo, estos
contenidos de vitamina son bajos comparados a los obtenidos en otros jugos
concentrados por ósmosis inversa como es el caso de la naranja roja que tuvo
103,3 mg/100 g, con un factor de concentración 1,5 veces (Galaverna et al.,
2008), lo que es función de la composición original de la fruta.
En el jugo clarificado y concentrado de naranjilla no se determinó presencia
de antocianinas totales, mientras que en los jugos clarificados y concentrados
de mora y tomate de árbol morado se obtuvieron concentraciones de 104 a 259
(incremento de 2,5 veces) y de 7 a 29 mg Cianidina-3-glucósido/100 g,
(incremento de 3,9 veces), respectivamente. Además, estos componentes no
fueron detectados en los permeados de ósmosis inversa en todos los procesos
realizados. Cabe resaltar que, después del proceso de concentración del jugo
de mora, se pudo apreciar una coloración rosada en el agua destilada que se
utilizó para el lavado del módulo, lo que indica que pudo existir una leve
adsorción de las antocianinas en la superficie de la membrana. En otros
estudios determinaron que con membranas de poliamida del 91-99% de
retención de sales fue posible obtener retenciones del 82-99% de antocianinas
totales (Galaverna et al., 2008; Bánvölgyi et al., 2009).
Los polifenoles totales y la capacidad antioxidante en los tres jugos
concentrados aumentaron sus valores en un factor similar al volumétrico
(incremento de tres veces), al compararlos con los jugos clarificados. Además,
estos componentes y la capacidad antioxidante tampoco fueron detectados en
el permeado de ósmosis inversa de los jugos, por lo que se considera que hubo
una retención de los mismos en un alrededor del 100%. Al mismo tiempo se
puede decir que se preservó muy bien los polifenoles y la capacidad
antioxidante en los jugos concentrados con respecto a su presencia en las
frutas frescas, ya que Vasco et al. (2008) determinaron que la mora, naranjilla y
tomate de árbol morado presentaron 2167, 91 y 81 mg Ácido Gálico/100 g fruta
fresca y 4100, 320 y 420 µmol Trolox/100 g fruta fresca, respectivamente.
Los minerales como el Mg, Ca, Na y Fe, presentes en los jugos clarificados
de las frutas, también fueron fuertemente retenidos por la membrana, durante
el proceso de ósmosis inversa. Comparando las concentraciones de estos
minerales entre los jugos clarificados y concentrados, se observaron un
incremento de los mismos en factores de 2-4 veces. En general, en el
permeado de ósmosis inversa de los tres jugos se determinaron
concentraciones inferiores a 0,05 mg/100 g de estos minerales.
En un estudio de bebidas de frutas industrializadas realizado por Murillo
(2006), él manifiesta que la bebida tropical de mora tuvo la mayor actividad
antioxidante frente a diferentes variedades de bebidas en base de otras frutas e
incluso elaboradas a base de colorantes y saborizantes artificiales. Esto nos
indica que el jugo clarificado concentrado de mora es una bebida con potencial
antioxidante natural.
Además, algunos estudios previos realizados por Mosquera (2008), Torres
(2007), y Yacelga (2007) mostraron la buena aceptabilidad sensorial de las
bebidas preparadas en base a los jugos clarificados de las frutas en estudio. En
igual forma, Sabbe et al. (2009) mostró la aceptabilidad sensorial de la bebida
preparada con el jugo concentrado de mora a la dilución correspondiente, con
evaluadores europeos. Esto nos muestra las buenas posibilidades de mercado
para este tipo de jugos.
4. Conclusiones
La concentración por ósmosis inversa se presentó como una buena
alternativa, para la obtención de jugos clarificados concentrados de mora,
naranjilla y tomate de árbol morado, preservando principalmente las
características nutricionales y funcionales, como fue la presencia de
antioxidantes naturales.
Entre los tres jugos estudiados, el jugo clarificado concentrado de mora
presentó la mayor presencia de vitamina C (23,4 mg/100 g), polifenoles
solubles totales (905 mg Ácido Gálico/100 g), capacidad antioxidante (4409
µmol Trolox/100 g) y antocianinas totales (259 mg Cianidina-3-glucósido/100g).
Para aumentar los niveles de concentración de estos jugos clarificados,
puede ser interesante el uso de otros procesos con membranas como
destilación osmótica (DO) acoplados a la ósmosis inversa.
Tabla 1 Caracterización de jugos clarificados y concentrados de mora, tomate de árbol morado y naranjilla durante la ósmosis inversa.
Contenido
por 100 g de jugo* Mora Tomate de Árbol Morado Naranjilla
JCl JCo JCl JCo JCl JCo FCV 3,10 2,90 3,00
Sólidos Solubles (˚Brix) % 8,43 24,98 9,03 24,70 8,17 23,50 pH 2,64 2,62 3,44 3,42 3,08 3,04
Acidez g Ác. Cítrico 2,95 8,16 2,26 6,59 2,61 6,94 Humedad g 91,91 75,90 90,79 77,76 91,68 80,73
Carbohidratos g 6,63 19,31 7,25 18,41 6,27 13,86 Proteínas g 0,45 1,06 0,69 1,60 0,81 0,97 Lípidos g 0,61 2,57 0,48 1,71 0,45 2,43 Cenizas g 0,40 1,16 0,79 0,52 0,79 2,01 Fructosa mg 1202,59 3519,48 703,30 1996,88 609,06 1823,23 Glucosa mg 2742,37 6232,66 1109,47 3700,47 1253,57 3159,60 Sacarosa mg 2196,64 5786,89 857,31 3734,06 757,24 3216,35
Ácido Cítrico mg 2278,69 5541,48 1745,65 6917,55 3152,72 8293,15 Ácido Tartárico mg LND LND LND LND LND LND Ácido Málico mg 601,53 1155,89 119,77 462,13 283,26 798,26 Vitamina C mg Ác. Ascórbico 7,16 23,39 LND LND 2,42 9,76
Beta Carotenos mg ND ND LND LND LND LND Antocianinas Totales mg Cianidina-3-glucósido 104,54 259,50 7,52 29,31 ND ND
Polifenoles Solubles Totales mg Ác. Gálico 302,79 904,68 80,92 227,32 139,71 374,00 Capacidad Antioxidante µmol Trolox 1493,24 4409,60 181,96 769,80 544,38 1704,40
Mg mg 24,26 80,95 16,91 63,86 17,03 69,42 Ca mg 0,54 1,62 0,22 1,08 0,30 1,35 Na mg 0,67 3,05 0,82 2,97 0,90 3,12 Fe mg 0,11 0,34 0,37 0,58 0,16 0,45
*Jugo clarificado (JCl) al inicio y jugo concentrado (JCo) al final del proceso. LND: Límite no detectable. ND: No determinado. FCV: Factor de concentración
volumétrica.
Agradecimientos
Los autores expresan su agradecimiento al proyecto de la Comunidad
Europea FP6-2003-INCO-DEV-2 “Producing Added Value from Under-utilised
Tropical Fruit Crops with High Commercial Potential” (PAVUC), a través del
cual se realizó este estudio.
Bibliografía
Abdulla M. 1986. Inorganic elements in prepared meals in Sweden. Lund: University of Lund.
Alvarez V, Alvarez S, Riera FA, Alvarez R. 1997. Permeate flux prediction in apple juice concentration by reverse osmosis. Journal of Membrane Science 127(1):25-34.
Bánvölgyi S, Horváth S, Stefanovits-Bányai É, Békássy-Molnár E, Vatai G. 2009. Integrated membrane process for blackcurrant (Ribes nigrum L.) juice concentration. Desalination 241(1-3):281-287.
Bravo L. 1998. Polyphenols: Chemistry, Dietary Sources, Metabolism and Nutritional Significance. Nutritional Reviews 56(11):317-333.
Cardoso C, Meira Rufino J, Habert AC, Nobrega R, Corrêia Cabral LM, Piacsek Borges C. 2002. Membrane for processing tropical fruit juice. Desalination 148(1-3):57-60.
DECAB. 2004a. Método modificado del Manual de la Columna ASTEC NH2 series de Advanced Separation Technologies Inc. USA.
DECAB. 2004b. Método modificado y validado por el DECAB del paper: Macrae, R. (1988) "HPLC in food analysis" Academic Press, Great Britain. Academic Press. Segunda ed.
Galaverna G, Di Silvestro G, Cassano A, Sforza S, Dossena A, Drioli E, Marchelli R. 2008. A new integrated membrane process for the production of concentrated blood orange juice: Effect on bioactive compounds and antioxidant activity. Food Chemistry 106(3):1021-1030.
García M, De Pascual T. S, Santos B. C, Rivas G. JC. 2004. Evaluation of the antioxidant properties of fruits. Food Chemistry 84(1):13-18.
García MC, García HR. 2001. Manual: Manejo Cosecha y Postcosecha de Mora, Lulo y Tomate de Árbol. Bogotá-Colombia: Produmedios. 107 p.
Georgé S, Brat P, Alter P, Amiot MJ. 2005. Rapid determination of polyphenols and vitamin C in plant-derived products. Journal of Agricultural and Food Chemistry 53:1370-1373.
Giusti M, Wrolstad R. 2001. Anthocyanins: Characterization and measurement with UV-visible spectroscopy. Current protocols in Food Analytical Chemistry John Wiley & Sons, Inc:1-13.
Heber D. 2004. Vegetables, fruits and phytoestrogens in the prevention of diseases. J Postgrad Med 50(2):145-149.
Horwitz W. 2000. Official Methods of Analysis of AOAC International. Maryland. Jiao B, Cassano A, Drioli E. 2004. Recent advances on membrane processes for the
concentration of fruit juices: a review. Journal of Food Engineering 63(3):303-324.
Joshipura KJ, Hu FB, Manson JE, Stampfer MJ, Rimm EB, Speizer FE, Colditz G, Ascherio A, Rosner B, Spiegelman D, Willett WC. 2001. The effect of fruit and
vegetable intake on risk for coronary heart disease. Annals of Internal Medicine 134(12):1106-1114.
Mafart P, Béliard E. 1991. Ingeniería Industrial Alimentaria: Técnicas de Separación. Zaragoza-España: Editorial Acribia, S.A. 147-185 p.
Martínez L. Informe Técnico: Frutales No Tradicionales de Exportación. AGROALFAPECUARIA; 2002; Quito-Ecuador. p 1-8.
Mignone LI, Giovannucci E, Newcomb PA, Titus-Ernstoff L, Trentham-Dietz A, Hampton JM, Willett WC, Egan KM. 2009. Dietary carotenoids and the risk of invasive breast cancer. International Journal of Cancer 124(12):2929-2937.
Mosquera ME. 2008. Evaluación Técnica-Financiera de la Industrialización del Jugo Clarificado de Naranjilla (Solanum quitoense Lam.) Obtenido Mediante Microfiltración Tangencial. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 116 p.
Murillo E. 2006 Actividad antioxidante «in vitro» de las bebidas de frutas. Bebidas Mexicanas - Alfa Editores Técnicos:20-27.
Pérez A, Olías R, Espada J, Olías J, Sanz C. 1997. Rapid Determination of sugars, Nonvolatile Acids and Ascorbic in Strawberry and other Fruits. Food Chemistry 45:3545-3549.
Pettersson A, Jonsson L. 1990. Separation of Cis-Trans Isomers of alpha- and beta-Carotene by Adsorption HPLC and Identification with Diode Array Detection. Journal Micronutrients Analysis 8:23-41.
Re R, Pellegrini N, Proteggente A, Pannala A, Yang M, Rince-Evans C. 1999. Antioxidant Activity Applying An Improved ABTS Radical Cation Decoloration Assay. Free Radical Biology & Medicine 26:1231-1237.
Sabbe S, Verbeke W, Van Damme P. 2009. Confimation/disconfirmation of consumers' expectations about fresh and processed tropical fruit products. Journal of Food Science and Technology 44(3):539-551.
Torres LJ. 2007. Evaluación Técnica Económica de la Industrialización de Jugo Clarificado de Tomate de Árbol (Solanum betaceum Cav.) mediante Microfiltración Tangencial. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 121 p.
Vaillant F, Millan A, Dornier M, Decloux M, Reynes M. 2001. Strategy for economical optimisation of the clarification of pulpy fruit juices using crossflow microfiltration. Journal of Food Engineering 48(1):83-90.
Vasco C, Ruales J, Kamal-Eldin A. 2008. Total phenolic compounds and antioxidant capacities of major fruits from Ecuador. Food Chemistry 111:816-823.
Wargovich MJ. 2000. Anticancer Properties of Fruits and Vegetables. HortScience 35(4):573-575.
Wu X, Beecher GR, Holden JM, Haytowitz DB, Gebhardt SE, Prior RL. 2006. Concentrations of Anthocyanins in Common Foods in the United States and Estimation of Normal Consumption. Journal of the Agricultural and Food Chemistry 54(11):4069-4075.
Yacelga NP. 2007. Obtención de Jugo Clarificado de Mora (Rubus Glaucus Bent) Mediante Microfiltración Tangencial. Quito-Ecuador: Escuela Politécnica Nacional. 149 p.
Zafra-Stone S, Yasmin T, Bagchi M, Chatterjee A, Vinson JA, Bagchi D. 2007. Berry anthocyanins as novel antioxidants in human health and disease prevention. Molecular Nutrition ε Food Research 51(6):675-683.
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