diseño de un proceso tecnológico para la...
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I
Universidad de Concepción
Dirección de Postgrado
Facultad de Ingeniería Agrícola - Programa de Magíster en Ingeniería Agrícola
Diseño de un proceso tecnológico para la industrialización de mote de maíz
(Zea mays, variedad blanco Urubamba)
MILTON JIMMY CUARAN GUERRERO
CONCEPCIÓN-CHILE
2013
Profesor Guía: Rudi Radrigán Ewoldt Dpto. de Agroindustrias, Facultad de Ingeniería Agrícola
Universidad de Concepción
II
DISEÑO DE UN PROCESO TECNOLÓGICO PARA LA
INDUSTRIALIZACIÓN DE MOTE DE MAÍZ
(Zea mays, variedad blanco Urubamba)
Comisión evaluadora:
Profesor Guía
___________________________ Rudi Radrigán Ewoldt Ingeniero Agroindustrial, Doctor
Profesor Co-tutor
_ __________________________ Jerónimo Paredes Cáceres Licenciado en Matemáticas, Mg.Sc
Evaluador Interno
___________________________ Diego Rivera Salazar Ingeniero Civil, Doctor
Director (s) de Postgrado
___________________________ Mario Lillo Saavedra Ingeniero Civil Eléctrico, Doctor
III
A Elsa Margoth, con todo mi amor. Por su responsabilidad, abnegación y honestidad.
A Emilia y Abigail, ellas son mi alegría.
A mis padres Gloria y Milton, por la vida misma.
IV
AGRADECIMIENTOS
Al Gobierno Ecuatoriano, en la persona del Ec. Rafael Correa
Delgado, Presidente Constitucional de la República del Ecuador,
por el financiamiento de mis estudios a través de la beca SENESCYT
programa “Desarrollo para el talento humano 2010”.
A la Universidad Técnica del Norte, en la persona del Dr. Antonio
Posso Salgado, Rector, por apoyar mis anhelos de superación.
A los profesores Rudi Radrigán, Gerónimo Paredes, Diego Rivera
por la ayuda cabal que supieron prestar.
Al personal de la Universidad de Concepción, campus Chillán, por
la cordialidad y diligencia mostradas en cada aspecto requerido.
V
INDICE GENERAL
1 Introducción ......................................................................................... 1
1.1 El grano de maíz .......................................................................... 1
1.2 Estructura y composición del grano .............................................. 2
1.3 Almidón de maíz ........................................................................... 5
1.4 Hidratación del grano de maíz ...................................................... 8
1.5 Nixtamalización ............................................................................ 9
1.6 Gelatinización del almidón .......................................................... 10
1.7 El mote de maíz .......................................................................... 11
En la Figura 7 se muestran algunos platos típicos en base al mote. .... 12
1.8 Elaboración del mote de maíz .................................................... 13
2 Metodología ...................................................................................... 14
2.1 Caracterización física del grano de maíz blanco ....................... 14
2.1.1 Dimensiones ........................................................................ 14
2.1.2 Forma ................................................................................... 15
2.1.3 Volumen ............................................................................... 15
2.1.4 Densidad .............................................................................. 16
2.1.5 Textura ................................................................................. 16
2.1.6 Color .................................................................................... 16
2.2 Especificaciones para el maíz blanco ......................................... 17
2.2.1 Impurezas ............................................................................ 17
2.2.2 Granos quebrados y dañados .............................................. 17
2.2.3 Dureza de grano .................................................................. 17
2.2.4 Pérdida de materia seca o prueba de Nixtamalización ........ 18
2.3 Cinética de hidratación ............................................................... 19
VI
2.3.1 Modelo empírico de Peleg ................................................... 20
2.3.2 Modelo difusional de Becker ................................................ 21
2.3.3 Modelo difusional de Crank .................................................. 22
2.4 Temperatura de gelatinización ................................................... 23
2.5 Industrialización del mote de maíz ............................................. 24
2.6 Caracterización física del mote de maíz ..................................... 25
3 Resultados y Discusión ..................................................................... 26
3.1 Caracterización física del maíz blanco ...................................... 26
3.2 Temperatura e hidratación .......................................................... 29
3.3 Estimación de los parámetros cinéticos ..................................... 30
3.3.1 Modelo de Peleg .................................................................. 30
3.3.2 Modelo de Becker ................................................................ 31
3.3.3 Modelo de Crank .................................................................. 32
3.4 Comparación gráfica de los modelos ......................................... 34
3.5 Gelatinización ............................................................................. 35
3.6 Caracterización física del mote de maíz ..................................... 37
3.7 Balances de materia y energía ................................................... 38
3.8 Equipos y capacidades ............................................................... 41
4 Conclusiones ..................................................................................... 42
5 Bibliografía ........................................................................................ 44
6 ANEXOS ........................................................................................... 47
6.1 Anexo 1. Receta para la elaboración del mote de maíz ............. 47
6.2 Anexo 2. Cinética de hidratación del grano pelado de maíz ....... 48
6.3 Anexo 3. Análisis de varianza para las temperaturas ................ 59
6.4 Anexo 4. Layout de la planta agroindustrial de mote de maíz. ... 60
VII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Consumo per cápita de maíz ....................................................... 2
Tabla 2. Composición proximal de distintos tipos de maíz ........................ 5
Tabla 3. Composición química de los motes blanco y amarillo ............... 12
Tabla 4. Resultados de mediciones del grano de maíz blanco ............... 26
Tabla 5. Promedios de densidad, densidad aparente y dureza .............. 27
Tabla 6. Elementos del color del maíz blanco ......................................... 27
Tabla 7. Test de Tukey para la adsorción de agua ................................. 30
Tabla 8. Parámetros correspondientes al modelo de Peleg .................... 31
Tabla 9. Parámetros correspondientes al modelo de Becker .................. 31
Tabla 10. Parámetros correspondientes al modelo de Crank ................. 32
Tabla 11. Valores de difusividad y energías de activación ...................... 33
Tabla 12. Difusividades y energías de activación.................................... 33
Tabla 13. Dimensiones del mote de maíz ............................................... 37
Tabla 14. Elementos del color del mote de maíz..................................... 37
Tabla 15. Parámetros de control para recepción de maíz ....................... 40
Tabla 16. Puntos de control de manufactura ........................................... 40
Tabla 17. Balance de energía ................................................................. 40
Tabla 18. Equipos y capacidades............................................................ 41
VIII
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Estructura del grano de maíz .................................................... 4
Figura 2. Micrografías de gránulos de almidón de maíz ........................... 5
Figura 3. Conformación de la amilopectina ............................................... 7
Figura 4. Estructura de un gránulo de almidón ......................................... 8
Figura 5. Evolución de los gránulos de almidón de maíz a lo largo del
proceso de gelatinización ........................................................................ 11
Figura 6. Maíz blanco (A), maíz blanco pelado (B), mote de maíz (C) ... 12
Figura 7. Fritada, champús, mote pillo .................................................... 12
Figura 8. Elaboración de mote de maíz .................................................. 13
Figura 9. Color del maíz blanco en el sistema RGB ............................... 28
Figura 10. Curvas características de adsorción de agua a diferentes
temperaturas............................................................................................ 29
Figura 11. Gráficas de los modelos para 40, 50 y 60°C .......................... 34
Figura 12. Gráficas de los modelos para 70, 80 y 90°C .......................... 35
Figura 13. Tendencias de las constantes K1 de Peleg ............................ 36
Figura 14. Color del mote de maíz en el sistema RGB ........................... 38
Figura 15. Balance de materia para el procesamiento de 100kg de maíz
................................................................................................................. 39
IX
RESUMEN
El mote de maíz es uno de los alimentos preferidos que acompañan los
platos típicos de diversas localidades a lo largo de la serranía
latinoamericana, lugares de gran valor paisajístico que involucran al
turismo gastronómico, cuyo incremento ha dado lugar al desarrollo de
importantes servicios de hostelería y alimentación que requieren del mote
como producto necesario dentro de sus preparaciones. El producto
abastecido es elaborado artesanalmente y muchas veces no cumple con
los requerimientos del cliente en calidad y/o cantidad, sus productores no
disponen de información técnica para mejorar su elaboración; a través de
este trabajo se logra establecer formalmente un proceso tecnológico para
la industrialización del mote, mediante: la caracterización del grano de
maíz, sus condiciones como materia prima, el proceso de hidratación y la
gelatinización de su almidón, cada aspecto contribuye a la construcción
de los balances de materia y energía requeridos para estandarizar el
producto. En este proceso la dureza del grano influye tanto en el tiempo
de pelado como en el de cocción, el maíz blanco fue catalogado como un
maíz muy suave lo que representa 39 N*mm de dureza. La hidratación del
grano es necesaria para obtener una cocción uniforme, esta se estableció
en 50°C decisión basada en los resultados del test de Tukey para un
diseño completamente al azar con las temperaturas 40, 50, 60, 70, 80,
90°C como tratamientos, con la información de la cinética de hidratación
se calculó la temperatura de gelatinización del almidón en 66°C y se
estableció la temperatura de cocción en 90°C.
X
SUMMARY
Mote is one of the favorite foods that accompany the typical dishes of
various locations along the mountainous Latin American, places of
beautiful scenery that involve culinary tourism, whose growth has given
rise to important hostelry and food services which require mote as a
necessary ingredient in their preparations, supplied product is elaborated
artisan and often does not meet customer requirements in quality and / or
quantity, producers do not have technical information to improve its
elaboration; through this work is achieved formally establish a
technological process for the industrialization of corn with: the
characterization of the corn kernel, its conditions as raw material, the
process of hydration and the gelatinization of the starch, each aspect
contributes to building material and energy balances required to
standardize the product. In this process, the grain hardness influences
both the corn husking time as the cooking time, white corn was classed a
very soft corn, represents 45 N*mm of hardness, grain hydration is
necessary for even cooking, this was set at 50 °C decision based on the
results of the Tukey test for completely randomized design with
temperatures 40, 50, 60, 70, 80, 90 °C as treatments, the starch
gelatinization temperature was calculated at 66 °C with the information of
hydration kinetics; the cooking temperature settled at 90 °C.
1
1 INTRODUCCIÓN
La alimentación básica de los pobladores andinos ha girado por centenares
de años entorno al maíz y la papa, con estos productos y gran imaginación
se conformaron recetas y preparaciones; con el maíz lograban múltiples
platos: tostado, canguil, mote, chuchuca, mazamorras y tortillas por citar
algunos, como bebida fermentada la chicha, vinagre, incluso de las cañas
tiernas obtenían una miel de buena calidad.
De esta variedad de preparaciones el tradicional mote, grano del maíz blanco
pelado y cocido, es una de las formas más versátiles del uso del maíz dentro
de la gastronomía regional andina ya que es un buen acompañante de
platos típicos y es ingrediente principal para la elaboración de otros
productos, razones de su alta demanda en la cocina tradicional.
El mote de maíz al ser un producto de consumo popular y alta demanda es
proclive a industrializarse y para ello es necesario el diseño de un proceso
tecnológico, cuya información es vital para la toma de decisiones sobre una
posible inversión sea por parte de un productor artesanal o un emprendedor.
1.1 El grano de maíz
Botánicamente, el maíz (Zea mays) pertenece a la familia de las gramíneas y
es una planta anual. El grano es a menudo de color blanco o amarillo,
aunque también hay variedades de color negro, rojo y jaspeado. Sus
2
diferencias se deben a los compuestos químicos depositados o almacenados
en él.
Según la FAO(1993a), las variedades cultivadas fundamentalmente para
alimentación comprenden el maíz dulce (Zea Mays subsp. mays Saccharata)
y el reventador (Zea Mays subsp. mays Everta), aunque se usan también en
buena medida el maíz dentado (Zea Mays subsp. mays Indentata), el
amiláceo o harinoso (Zea Mays subsp. mays Amylacea) y el cristalino (Zea
Mays subsp. mays Indurata); este último se utiliza para pienso.
El maíz harinoso es un grano con endospermo blando que se emplea mucho
como alimento en México, Guatemala y los países andinos. En Ecuador su
producción está principalmente destinada al autoconsumo; la Tabla 1
muestra el consumo de maíz per cápita para el año 2009 de algunos países
latinoamericanos, la información mostrada fue obtenida de los institutos de
estadística y censos de esos países.
Tabla 1. Consumo per cápita de maíz
PAÍS Maíz
(Kg/habitante)
México 115 Colombia 104 Ecuador 82 Perú 13
1.2 Estructura y composición del grano
El maíz es un cereal de grano grande, formado de tres partes principales:
3
La cubierta exterior, conformada por la cascarilla, en forma de cutícula
delgada, fina y fibrosa que protege al grano; el pericarpio o envoltura y la
pilorriza, que es un pequeño casquete que cubre la punta del grano y protege
el germen. En esta primera estructura predomina la fibra y representa en
promedio el 6% del peso del grano.
El endospermo o albumen representa aproximadamente el 80-85% del peso
del grano, es la parte feculosa y glutinosa que rodea al germen excepto en
su cara ventral donde el germen es cubierto sólo por el pericarpio. La cara
superior del endospermo es la aleurona, de espesor muy fino, generalmente
conformada de una sola capa de células, es muy rica en proteínas y grasas.
El endospermo está formado casi en su totalidad por almidón, el que puede
ser cristalino y/o amiláceo, el tipo de almidón contenido en el grano varía
dependiendo de la variedad del maíz.
El germen o embrión, situado en la pared basal y ventral del grano, es rico
en aceite, proteínas y minerales, representando el 9.5-12% del peso total del
grano (IICA, 1995).
El maíz blanco variedad Urubamba es del tipo amiláceo o blando, los
gránulos de almidón dentro del endospermo están sueltos, sin la matriz de
proteína. Por esta razón el endospermo parece flojo, suave, harinoso.
En general, los maíces amiláceos al ser ricos en almidón y relativamente
pobres en celulosa ocupan un lugar de preferencia entre los alimentos.
4
Por su alto contenido de elementos nutritivos digestibles totales y de energía
neta son una fuente primordial de calorías, pero la baja disponibilidad de sus
proteínas, gluteína y zeína, no le permiten mayor eficiencia en la
alimentación. Contiene pequeñas cantidades de vitamina D y aceptables
proporciones de vitamina A, B y E (FAO, 1993a; Cravero et al., 2003;
Contreras, 2009).
Figura 1. Estructura del grano de maíz (Fuente: FAO, 1993a)
En la Figura 1 podemos observar las partes que conforman un grano de
maíz, mientras que en la Tabla 2 se muestra la composición proximal de las
distintas variedades de maíz según el tipo de almidón que contienen.
5
Tabla 2. Composición proximal de distintos tipos de maíz
Tipo Humedad Cenizas Proteína Fibra Cruda
Extracto etéreo Carbohidratos
Dulce 9.5 1.5 12.9 2.9 3.9 69.3 Reventador 10.4 1.7 13.7 2.5 5.7 66.0 Dentado 9.6 1.7 10.7 2.2 5.4 70.4 Amiláceo 11.2 2.9 9.1 1.8 2.2 72.8 Cristalino 10.5 1.7 10.3 2.2 5.0 70.3
Fuente: FAO, 1993a
1.3 Almidón de maíz
El componente principal del grano de maíz es el almidón, que corresponde
hasta el 73% del peso del grano; de todos los polisacáridos el almidón es el
único producido universalmente en pequeños agregados individuales
denominados gránulos, que son insolubles en agua fría y tienen una alta
densidad de empaquetamiento (1.5g/cm3). El tamaño de los gránulos puede
variar entre 1 y 100μm y su forma, como se observa en la Figura 2, puede ser
circular, ovalada, poligonal, lenticular (Brumovsky, 2010).
Figura 2. Micrografías de gránulos de almidón de maíz (Fuente: Tovar, 2008)
El almidón está formado por dos polímeros de diferente estructura, amilosa y
amilopectina, los cuales se diferencian por las uniones que presentan dentro
de los gránulos. La proporción de estos dos polímeros y su organización
6
física dentro de la estructura granular varía según la fuente botánica
(Fennema, 2000).
La amilosa es un polímero lineal con enlaces α-D(1→4) glucosídicos, y tiene
un grado de polimerización de 100 a 1000 unidades de glucosa.
La amilopectina, tiene enlaces α-D(1→4) glucosídicos con ramificaciones en
α-D(1→6), con un grado de polimerización de aproximadamente 40000
unidades de glucosa. Es el mayor componente del granulo de almidón,
debido a ello este polímero es responsable de:
Una estructura organizada en forma de anillos (Figura 4), en donde las
moléculas de amilopectina se alinean a lo largo de un eje imaginario que
se extiende desde el hilio (punto de origen) del gránulo hasta el exterior
del mismo.
Cierta propiedad semicristalina formada por dos regiones (Figura 4); una
cristalina y otra amorfa, que dan al gránulo su característica de
birrefringencia. La región cristalina está formada por cadenas de
amilopectina estructuradas en racimos, mientras que la región amorfa
está formada por puntos de ramificaciones.
La amilopectina al presentar ramificaciones (Figura 3) dentro del gránulo de
almidón origina que las regiones cristalinas y amorfas se organicen en forma
alternada. Las ramificaciones presentes en la amilopectina se pueden
clasificar en tres grupos denominados como A, B y C. Las cadenas tipo A
7
son cadenas cortas con un grado de polimerización entre 12 y 20, no llevan
otras cadenas. Las cadenas tipo B, se conocen como cadenas largas tal que
el grado de polimerización se encuentra entre 30 y 45, llevan entre una o
más cadenas. Finalmente las cadenas tipo C, son cadenas muy largas cuyo
grado de polimerización es mayor a 60, es la cadena base que lleva al fin de
la molécula (Cornuéjols y Pérez, 2010).
Figura 3. Conformación de la amilopectina; los círculos punteados representan las cadenas A, los círculos grises las cadenas B y los círculos blancos la cadena C. (Fuente: Cornuéjols y Pérez, 2010)
Para el estudio del almidón, el modelo actual y mayormente aceptado, es el
modelo de grupos. En este modelo las ramificaciones de la amilopectina
están agrupadas (Figura 4). Los grupos con las cadenas lineales más
pequeñas, con grado de polimerización entre 12 y 60, tienden a ser más
cristalinos que las regiones ramificadas y forman pequeñas láminas
cristalinas entre 5 y 7nm de espesor, las cuales se alternan con regiones
menos cristalinas de entre 3 y 4nm de espesor, formadas por los puntos
ramificados. La amilosa se enreda entre la amilopectina (Cornuéjols y Pérez,
2010).
8
Figura 4. Estructura de un gránulo de almidón, a la izquierda el gránulo de almidón en el que se señala sus regiones semicristalina y amorfa, en el centro cadenas de amilopectina ramificadas y a la derecha el posible enredo de amilosa (a) y amilopectina (b) (Fuente: Cornuéjols y Pérez, 2010)
1.4 Hidratación del grano de maíz
El maíz al igual que todos los cereales es un material biológico higroscópico
que adsorbe o cede humedad en un cierto proceso de acondicionamiento,
sea este de secado, almacenamiento o humectación. En la hidratación la
humedad es difundida por medio de la pilorriza del grano, ya que la cascarilla
en primera instancia es impermeable. Iniciado el proceso el agua migra hacia
los espacios libres con máxima rapidez debido a las fuerzas capilares, lo
hace por medio de las celdas transversales y tubulares. Posteriormente se
difunde lenta y constantemente a través de la testa y la aleurona hacia el
endospermo y el germen (Becker, 1960; Fan y Chu, 1963).
Para representar este fenómeno físico se desarrollaron modelos
matemáticos; modelos empíricos como el propuesto por Peleg (1988) y otros
difusionales como el de Becker (1960) o la solución analítica de series
9
infinitas desarrollada por Crank (1975), entre los más importantes, que
permiten inferir resultados como el coeficiente de difusión del agua, la
energía de activación y la estimación de la temperatura de gelatinización del
almidón presente (Bello y Tolaba, 2007; Turhan y Sayar, 2002; Addo y Bart,
2006).
1.5 Nixtamalización
La nixtamalización es la cocción alcalina del maíz, proceso así denominado
por las palabras aborígenes mexicanas nextli - ceniza y tamalli – maíz
cocido. Consiste en la cocción de granos de maíz en agua (proporción 1:2)
con cal (1 al 5% en base al maíz); la mezcla se calienta moderadamente
hasta que hierve y se mantiene así entre 15 y 20 minutos, esta cocción se
realiza para eliminar la cascarilla del grano. Se dice que el maíz está pelado,
si pasado este tiempo de él se desprende fácilmente la cascarilla o se
encuentra solubilizada.
Durante este proceso han ocurrido cambios significativos en el grano: la
solubilización total de la cascarilla y parcial de la aleurona, esto facilita el
ingreso del agua y el calcio al endospermo provocando una gelatinización
parcial de almidones, saponificación de lípidos y el desgarre de la matriz
proteica (Laria, 2004).
De esta manera existe en el grano un aumento del contenido de calcio y de
aminoácidos esenciales, leucina e isoleusina, así como la biodisponibilidad
10
de la niacina. Por otra parte se pierden en gran medida las vitaminas y la
fibra dietética (Cravero et al., 2003; Contreras, 2009).
Una vez pelado el maíz se realiza el agotado, seguido de un enjuague para
posteriormente ser secado en el caso de almacenamiento o se deja en
remojo para su procesamiento.
1.6 Gelatinización del almidón
El almidón se hidrata al calentarse en un medio acuoso y si el calor es
continuo se somete a un proceso de transición, durante el cual los gránulos
se descomponen en una mezcla de polímeros en solución, conocido como
gelatinización.
Por tanto, la gelatinización es la pérdida de orden molecular que cambia de
una forma semicristalina a una eventualmente amorfa; empieza con la
absorción del agua, los puentes de hidrógeno de la región amorfa se rompen;
la amilosa se difunde en el medio acuoso y tiene una mayor movilidad
molecular por el efecto humedad-temperatura y por último, la desintegración
de las zonas cristalinas. En las primeras etapas el proceso puede ser
reversible, en la última el gránulo pierde su estructura (Ratnayake y Jackson,
2008).
La evaluación de los cambios en la microestructura de los almidones durante
la gelatinización se realiza mediante distintas técnicas que tratan de estimar
el orden interno de los gránulos. Entre las técnicas más usadas está la
11
calorimetría diferencial de barrido (DSC), que determina la temperatura y el
rango en el cual suceden los cambios de estado y el flujo de calor
involucrado (Pineda y Coral, 2010)
En la Figura 5 se puede observar el proceso de gelatinización del almidón de
maíz.
Figura 5. Evolución de los gránulos de almidón de maíz a lo largo del proceso de gelatinización (Fuente: Brumovsky, 2010)
1.7 El mote de maíz
El mote de maíz, cuya preparación data de tiempos pre incas subsiste hasta
nuestros días y ha sido motivo de estudios nutricionales y culinarios
(Martínez, 2009; Cravero et al., 2003; Talavera, 2003). En la Tabla 3 se
muestra la composición química de los motes blanco y amarillo.
12
Tabla 3. Composición química de los motes blanco y amarillo tratados con cal
Nutriente (g/100g) Maíz Blanco Maíz Amarillo
Humedad 56.53 56.10 Proteínas 7.21 7.45 Hidratos de carbono 32.80 30.20 Extracto etereo 2.27 1.98 Cenizas 0.91 0.96 Sodio 0.01517 0.01292 Potasio 0.03987 0.04973 Hierro 0.00659 0.00603 Fósforo 0.221 0.286 Calcio 0.37923 0.389
Fuente: Cravero et al., 2003
En la figura 6 se puede observar al maíz blanco, el maíz blanco pelado y el
mote de maíz.
Figura 6. Maíz blanco (A), maíz blanco pelado (B), mote de maíz (C)
En la Figura 7 se muestran algunos platos típicos en base al mote.
Figura 7. Fritada, champús, mote pillo
13
1.8 Elaboración del mote de maíz
Sobre la preparación del mote de maíz existen registros históricos y por
supuesto recetas populares por transmisión oral; recopilaciones
gastronómicas y vagas indicaciones de los libros de cocina típica regional.
La elaboración del mote de maíz se resume en el siguiente diagrama de flujo
(Figura 8), información obtenida mediante entrevista personal con la
comerciante indígena María Maldonado (Anexo 1), quien prepara este
alimento por tercera generación para la ciudad de Ibarra en Ecuador.
MOTE DE MAÍZ
T°amb.
LAVADOAGUA AGUA
T°amb.
REMOJO
24 horas
AGUA
2Kg
100L
50Kg
MAÍZ
AGUA
CALRESIDUOS
Ebullición
PELADO
20 min.
Ebullición
COCCIÓN
8 horas
AGUA
Figura 8. Elaboración de mote de maíz
14
2 METODOLOGÍA
Para proponer un proceso tecnológico de industrialización del mote de maíz
es necesario conocer el grano de maíz, luego establecer las condiciones que
debe cumplir como materia prima, comprender la hidratación del grano y
definir el punto de gelatinización de su almidón, para finalmente desarrollar
los balances de materia y energía.
2.1 Caracterización física del grano de maíz blanco
2.1.1 Dimensiones
El maíz tiene una forma irregular y para aplicaciones de tipo ingenieril, se
asume la existencia de una esfera hipotética que tiene el mismo volumen que
la original así como sus propiedades específicas; el radio de esta esfera es
un radio equivalente (re) para el material real (Figura y Teixeira, 2007; Bello y
Tolaba, 2007)
(
⁄ ) ⁄ [1]
Otras medidas se obtuvieron de forma directa a partir de 50 granos, tomando
tres ejes, largo (L), ancho (A) y espesor (E) con un calibrador de vernier
digital de precisión 0.01mm.
El comercio de granos establece calidades de calibre para los cereales
según su uso. Para el presente trabajo se usaron semillas de exportación,
Grado 1, del maíz blanco.
15
2.1.2 Forma
La forma y tamaño del grano de maíz es muy irregular, puede considerarse
desde redonda (esférica) pasando por discal (cilíndrica) hasta plana (placa),
esto debido a su origen de tipo biológico y su crecimiento sujeto a
condiciones ambientales.
El desarrollo secuencial de la mazorca desde la base a la punta genera un
rango de madurez de la semilla y de llenado de granos y afecta la capacidad
de competir por fotosintatos disponibles y por espacio en la mazorca, el
resultado es la obtención de semillas de distintos tamaños y formas; grandes
y redondas en la base de la coronta, planas en el centro, y pequeñas y
redondas en la punta (FAO, 1993).
Addo y Bart (2006), Sobukola y Abayomi (2009) suponen esférico al grano de
maíz con el fin de realizar absorciones características. Bakshi y Singh (1980)
al realizar su trabajo de hidratación de arroz también considera la forma de
esta gramínea como una esfera.
2.1.3 Volumen
Cincuenta semillas fueron sumergidas en agua y el desplazamiento de la
misma se utilizó para definir su volumen. El ensayo se realizó por triplicado
en una probeta graduada. (Roudot, 2004; Addo y Bart, 2006)
16
2.1.4 Densidad
Los 50 granos antes de ser sumergidos fueron pesados en una balanza de
precisión 0.01 g. La densidad de este producto agrícola resultó de la relación
entra la masa y el volumen obtenidos.
Para la densidad aparente o densidad volumétrica se utilizó una probeta de
volumen conocido, en el cual se depositó la masa hasta completar totalmente
el volumen; luego se pesa la cantidad de producto y se calcula la densidad.
(Roudot, 2004)
2.1.5 Textura
Se escogieron 10 granos de apariencia similar para realizar el test de dureza.
Se aplicó una fuerza uniaxial a través de un elemento auxiliar de forma
cilíndrica, el cual trabaja con un Analizador de Textura Universal INSTRON.
La prueba se realizó a una velocidad de 0.1 mm/s hasta obtener fractura.
2.1.6 Color
Para establecer el color se procedió a la evaluación de la muestra por parte
del equipo Hunter Color quien usa una fuente de luz para iluminar la muestra.
Aquella luz que es reflejada la difracta para obtener las longitudes de onda
que conforman el color de la prueba, los datos espectrales son procesados y
entregados en el sistema CIELab que puede ser transformado al sistema
RGB.
17
2.2 Especificaciones para el maíz blanco
2.2.1 Impurezas
Fueron utilizadas dos cribas de orificios rectangulares, 4mm (mesh 5) y 2mm
(mesh 10) de lado, con su respectiva charola de fondo. Se procedió a
zarandear una muestra de 1000 gramos de maíz; en el fondo se depositan
las impurezas menores y las mayores fácilmente se identifican en las cribas,
las mismas que se separan manualmente del maíz. El resultado se expresa
en porcentaje del peso total de la muestra. (CNM, 2002)
2.2.2 Granos quebrados y dañados
Las partículas de granos retenidas en la criba de 2 mm y aquellos trozos de
maíz que no hayan pasado por la malla de 4 mm y tienen un tamaño inferior
al 50 % del grano se los cuantificó junto con los granos que presentaron
daños por condiciones climatológicas, insectos, hongos, roedores. Este
resultado se expresó en porcentaje del peso total de la muestra y representó
el contenido de granos quebrados y dañados de la materia prima (CNM,
2002).
2.2.3 Dureza de grano
Se empleó una solución de nitrato de sodio de densidad 1.250 g/ml, a una
temperatura de 22°C - 23°C. Se vertieron 100 granos limpios en 350 ml de la
solución de nitrato de sodio en un vaso de precipitado de 600 ml, se agitan y
se separan gentilmente los granos unos de otros mediante un agitador de
18
vidrio y se espera un minuto para tomar lectura, indicativo tanto para la
dureza como para el tiempo de nixtamalización.
El número de granos que ascendieron a la superficie se usa como índice de
flotación (%). Este método se basa en el principio de que los granos duros
son de mayor densidad y por lo tanto tales granos flotan en menor cantidad
que los granos de menor densidad, en la solución de nitrato de sodio. (CNM,
2002)
2.2.4 Pérdida de materia seca o prueba de Nixtamalización
En un vaso de precipitado de 600ml se preparó 400ml de agua con 1g de cal
de 92% de pureza, se elevó la temperatura a 91°C agitando hasta diluir la cal
en el agua; luego se agregó 200g de maíz limpio, manteniendo la
temperatura por el tiempo de cocción que se haya obtenido después de
medir la dureza del grano por el método de flotación. Se dejó reposar el maíz
por espacio de 1 h.
Al terminar la nixtamalización y el tiempo de reposo, en el vaso de
precipitado de 600 ml previamente pesado, se separaron los granos con un
colador, los cuales se enjuagaron con 200 ml de agua, recuperando el agua
de enjuague y vertiéndola sobre la misma agua residual del cocimiento en el
vaso de precipitado. El vaso que contienen el agua de cocimiento y
enjuague, se expone a ebullición hasta tener un volumen de agua mínimo,
donde todavía se puedan apreciar los sólidos en suspensión en la solución y
19
luego fue colocado en la estufa de circulación de aire, manteniéndola a 90°C,
hasta evaporar todo el contenido de humedad. El vaso de 600 ml, es
colocado en el desecador de vidrio para enfriarlo, para posteriormente ser
pesado en la balanza analítica. (CNM, 2002)
2.3 Cinética de hidratación
La estimación de la absorción de agua por parte de los granos de maíz se
determinó por inmersión de las semillas (20g. aprox.) en agua común a
temperatura constante (±0.5°C), en un baño termostatizado con agitación.
Las temperaturas estudiadas fueron 40, 50, 60, 70, 80, 90°C. Iniciado el
experimento se realizaron controles de ganancia de peso por gravimetría a
intervalos regulares de tiempo, cada hora, para ello se retiraron las muestras
del agua y tras un escurrido de su exceso se procedió a un rápido secado
con papel absorbente hasta que los granos pierden el brillo debido a la
presencia de agua en la superficie. Inmediatamente son pesados en una
balanza electrónica de precisión 0.01 g. En cada intervalo, el agua ganada
fue calculada como la diferencia de peso entre la medida realizada y la
inmediata anterior. Tres repeticiones fueron llevadas a cabo para cada
temperatura observada. El método descrito ha sido empleado por Becker
(1960), Bakshi y Singh (1980), Calzetta y Aguerre (2006).
Los modelos utilizados para describir esta cinética de hidratación fueron los
de Peleg (1988), Becker (1960) y Crank (1975), mismos que aportan
información específica para el proceso de industrialización del mote de maíz
20
a través de sus parámetros. Para obtener dichos parámetros se realizaron
los ajustes de curvas correspondientes, por computadora, para los dos
primeros mediante regresión lineal y el tercero con el uso de la técnica de
mínimos cuadrados. Información relacionada se puede consultar en el Anexo
2.
2.3.1 Modelo empírico de Peleg
La asíntota característica de absorción de agua en cereales fue descrita por
Peleg (1988) en un modelo de dos parámetros:
( )
( ) [2]
donde M(t) es el contenido de humedad en el tiempo t y Mo es el contenido
de humedad inicial, en porcentajes (%), K1 y K2 son las constantes de Peleg.
La forma linealizada (ecuación 3) de la expresión anterior se usó para
encontrar el valor de sus constantes, que se determinaron por regresión
lineal.
( ( ) ) [3]
A través de Peleg se puede estimar la humedad de saturación (Me) usando la
siguiente expresión:
[4]
21
2.3.2 Modelo difusional de Becker
La difusión de la humedad está definida por la ley de Fick, como:
(
) [5]
donde D es el coeficiente de difusividad, c (kg.m-3) es la concentración de la
sustancia difundida en un punto del sólido; x, y, z, son las coordenadas
cartesianas del punto en consideración, t (horas) es el tiempo de difusión.
Según Becker (1960) la ecuación 5 puede llegar a una integración
aproximada, de tal manera, que se obtiene una solución para una partícula
de forma arbitraria:
√ [6]
Donde c es la concentración alcanzada, cs concentración en la superficie, co
concentración inicial; ⁄ √( ) con área (S) y volumen (V) del grano
de maíz.
Si la concentración se expresa en contenido de humedad:
[7]
con m, ms, mo, humedades alcanzada, inicial y de superficie,
respectivamente, la ecuación de Becker puede ser reescrita de la siguiente
manera:
22
( √ ⁄ ) [8]
que en términos de variables experimentales quedaría:
√ [9]
con
(
√ ) ( ) (
)√ [10]
la ecuación 10 sugiere una función lineal, que al ser descrita entrega una
pendiente que contiene a la difusividad.
2.3.3 Modelo difusional de Crank
Según Crank (1975) la segunda ley de difusión de Fick en términos de
humedad alcanzada (para esfera), es:
∑
(
)
[11]
donde, ms y mo son el contenido de humedad de saturación e inicial
respectivamente, m la humedad en el tiempo t, R el radio esférico
equivalente y Def la difusividad efectiva.
Para los modelos difusionales con cualquier conjunto de tres mediciones de
humedad tomadas a igual intervalo de tiempo t, se puede estimar la
humedad de saturación ms mediante la siguiente ecuación (Bello y Tolaba,
2007; Calzetta y Aguerre, 2005):
23
[12]
donde, m son los contenidos de humedad en los tiempos t en i, i+1 e i+2
mediciones consecutivas.
El ajuste consistió en variar el parámetro Def hasta hacer mínima la
diferencia relativa entre la humedad experimental y la predicha por este
modelo cinético.
En todos los modelos el error fue evaluado mediante el cálculo del error
relativo porcentual medio, E(%) (Bello y Tolaba, 2007).
( )
∑
| |
[13]
Donde mi y mpi son la humedad experimental y predicha para cada tiempo i,
respectivamente y n el número de datos del experimento.
2.4 Temperatura de gelatinización
Este parámetro fue obtenido a partir del termograma realizado por el equipo
DSC (calorimetría diferencial de barrido), calibrado con un estándar de Indio.
La medición se logró con un flujo controlado de 50µL/min de muestra en un
rango de 40 a 100°C a velocidad constante de 5°C/min.
24
La temperatura de gelatinización también fue estimada mediante los
parámetros de la ecuación empírica de Peleg mediante una relación tipo
Arrhenius, que manifiesta un efecto de la temperatura (T) sobre K1.
( ) [14]
[15]
En las ecuaciones 14 y 15, CK es una constante, Ea es la energía de
activación, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura
absoluta (°K).
2.5 Industrialización del mote de maíz
Para el diseño del proceso de industrialización de mote de maíz se tomó en
consideración la metodología propuesta por Maroulis y Saravacos (2003),
que comprende las siguientes fases:
Elaboración de un flujograma de operaciones
Balance de materia y energía
Capacidades y equipos a utilizarse
Para el balance de materia se usaron los valores de ganancia de humedad
de las curvas de adsorción de agua y los valores límites de aceptación para
la materia prima; en tanto que el balance de energía fue realizado en base a
los calores específicos del maíz y el agua, mediante la siguiente relación:
25
[14]
Este gasto energético fue usado para calcular la capacidad de la caldera, los
otros equipos fueron estimados usando los valores de las densidades
volumétricas del maíz y el mote.
2.6 Caracterización física del mote de maíz
Volumen, densidad y color fueron evaluados para el producto elaborado; los
procedimientos fueron los mismos que se describieron anteriormente, a
excepción del volumen ya que se usó la metodología del picnómetro (Figura
& Teixeira, 2007).
26
3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Caracterización física del maíz blanco
Las mediciones realizadas sobre el grano de maíz blanco se indican en la
tabla 4.
Tabla 4. Resultados de mediciones del grano de maíz blanco
PARAMETRO MAÍZ
BLANCO
Contenido de Humedad (% Hbh) 12.10±0.30
Largo (mm) 17.10±1.02
Ancho (mm) 15.88±1.30
Espesor (mm) 5.36±0.77
Radio Esférico (mm) 6.20
Volumen (cm3) 1.00
No se encontraron referencias de dimensiones para esta variedad de maíz;
sin embargo, en comparación con otros maíces amiláceos utilizados en la
alimentación humana, variedades cultivadas en México, supone parámetros
normales ya que Antuna et al. (2008) reporta longitudes promedio de 16mm.
Se calculó la densidad en 1.017 g/cm3, menor a la densidad de información
bibliográfica 1.2–1.3 g/cm3 (FAO, 1993b) esto debido a que es un maíz
amiláceo, en estas variedades la densidad de empaquetamiento de los
gránulos del almidón es menor.
27
Tabla 5. Promedios de densidad, densidad aparente y dureza del grano de maíz
PARÁMETROS VALORES
Densidad (g/cm3) 1.017±0.004
Densidad aparente (g/cm3) 0.538±0.007
Dureza (N*mm) 39.22±13.82
Índice de flotación (%) 100
Materia seca (%) 4.8
El resultado obtenido por flotación en una solución de nitrato de sodio (100%
de flotación), permitió denominar al maíz blanco como un maíz muy suave
cuya medida en dureza según el texturómetro INSTRON fue de 39.22
Newtons*mm, más bajo que los 58.86 Newtons*mm que promedian las
variedades amiláceas de maíces criollos mexicanos estudiados por Antuna
et al (2008).
El color del maíz blanco según el Codex Alimentarius (FAO, 2012) debe ser
blanco y/o rosa claro; la muestra obtenida se expuso a evaluación del
colorímetro Hunter Color, los resultados en el sistema L*ab y RGB se
muestran a continuación:
Tabla 6. Elementos del color del maíz blanco
Sistema L*ab L* a* b* COLOR
Blanco Urubamba 70.07±3.9 1.53±0.8 22.18±1.2
Sistema RGB R G B
Blanco Urubamba 189 169 131
Patrón de rosado 242 226 200
Patrón de blanco 255 245 238
28
Figura 9. Color del maíz blanco en el sistema RGB
Considerando al maíz en su conjunto, como materia prima, se tomó un
kilogramo para calcular el porcentaje de impurezas así como sus granos
quebrados y dañados, la muestra presentó un 0.3% de impurezas y 2.7% de
granos quebrados y dañados, lo que representó un 3% de materia prima no
conforme. Según la Norma Mexicana NMX-FF-034 (CNM, 2002) el maíz
blanco para proceso alcalino Grado 1 debe presentar una máximo de 2% de
impurezas y 5% para granos quebrados y dañados, por lo que el producto
adquirido cumple con la norma.
Se realizó la prueba de nixtamalización según la Norma Mexicana NMX-FF-
034 (CNM, 2002); la pérdida de materia seca obtenida por el pelado en oxido
de calcio fue del 4.8%, perteneciente a la cascarilla; dicha norma expresa un
máximo del 5% por pérdida de materia seca.
29
3.2 Temperatura e hidratación
Las curvas experimentales del maíz blanco presentan la forma característica
de hidratación (Figura 10); de rápida adsorción en la primera hora del
proceso seguida por una disminución constante a medida que la hidratación
se acerca a la humedad de saturación del grano.
Figura 10. Curvas características de adsorción de agua a diferentes temperaturas
Se puede observar que existen dos grupos de curvas, el primero de 40, 50,
60 y 70°C donde la forma asintótica es muy marcada y el segundo grupo
para las temperaturas de 80 y 90°C, que se acercan a la linealidad durante
primeras seis horas, en las cuales las tasas de absorción son mayores; por
tanto en el grupo 1 a medida que avanza el proceso cinético la absorción
tiende a la baja mientras que en el segundo grupo al alza; esta
0,00
0,40
0,80
1,20
1,60
2,00
0 2 4 6 8 10
Co
nte
nid
o d
e a
gua
(kg/
kg d
.b)
tiempo (horas)
40°C
50°C
60°C
70°C
80°C
90°C
30
diferenciación se asocia a los cambios irreversibles que suceden en el grano
debido a la gelatinización de su almidón.
Al realizar un Análisis de Varianza (Anexo 2) se detectó un efecto de la
temperatura sobre la adsorción de agua del maíz (F<0.001), luego se aplicó
el test de Tukey que no identificó diferencia significativa entre los promedios
de ganancia de humedad de 40 y 50°C, lo mismo sucede entre 50 y 60°C;
para las otras temperaturas si se detectaron diferencias entre sí.
Tabla 7. Test de Tukey para la adsorción de agua a diferentes temperaturas
Grupo Media
gr. de agua ganados n
Temperatura
(°C)
A 26.42 3 90
B 18.63 3 80
C 14.96 3 70
D 13.02 3 60
E D 11.68 3 50
E 10.31 3 40
D.M.S = 1.75
3.3 Estimación de los parámetros cinéticos
Los datos obtenidos de la cinética de absorción de agua fueron ajustados a
los modelos de Peleg, Becker y Crank.
3.3.1 Modelo de Peleg
Como se puede observar en la Tabla 8 el error se manifiesta más alto para
las temperaturas de 80 y 90°C esto debido a la mayor absorción de agua que
tiene lugar en el grano de maíz ya que se llega a producir la degradación del
gránulo de almidón, existiendo una gelatinización generalizada y el alcance
31
del peak máximo de viscosidad de la amilosa y la amilopectina; las curvas de
80 y 90°C se acercan a la linealidad, lo que incurre en un mayor error de
predicción por parte del modelo.
Tabla 8. Parámetros correspondientes al modelo de Peleg
Temperaturas (°C)
k1 k2 R2 Me (%)
Error relativo (%)
40 0.03 0.0122 0.9995 95.60 0.58
50 0.0197 0.0118 0.9990 98.38 1.02
60 0.0186 0.0106 0.9993 107.97 0.79
70 0.0149 0.0092 0.9996 122.33 0.61
80 0.0168 0.0065 0.9875 167.48 3.21
90 0.0156 0.0041 0.9876 257.53 2.87
3.3.2 Modelo de Becker
En la Tabla 9 el error de predicción es mayor para las temperaturas de 50, 60
y 70°C, por que Becker supone una relación lineal de la humedad ganada
con respecto a la raíz cuadrada del tiempo de hidratación; su predicción
mejora en 80 y 90°C ya que tienden a ser lineales, en las primeras seis
horas, mientras que la curva de 40°C en todo este tiempo se mantiene cerca
de un promedio de absorción lento pero constante.
Tabla 9. Parámetros correspondientes al modelo de Becker
Temperaturas (°C)
α Dx10
-6
(m2/h)
R2
ms (%)
Error Relativo (%)
40 24.310 0.8792 0.9956 99.51 1.36
50 27.075 1.0907 0.9796 99.51 5.28
60 30.475 1.3819 0.9844 99.51 4.07
70 35.156 0.5456 0.9743 171.29 5.62
80 42.582 0.8004 0.9923 171.29 3.89
90 61.406 1.6644 0.9977 171.29 1.86
32
3.3.3 Modelo de Crank
El modelo de Crank al proponer una asíntota, es de esperar un mayor error
de predicción en las temperaturas de 80 y 90°C al igual que Peleg.
Tabla 10. Parámetros correspondientes al modelo de Crank
Temperaturas Defx10
-6
(m2/h)
R2 ms (%)
Error relativo (%)
40 0.9583 0.9858 79.09 4.19
50 1.0606 0.9997 87.96 1.20
60 1.1691 0.9972 93.39 2.76
70 1.1753 0.9964 107.19 1.70
80 0.7785 0.9861 141.73 3.57
90 0.8684 0.9842 181.19 9.24
En el presente trabajo los tres modelos tienen un uso particular, el modelo de
Peleg por su facilidad de manejo permite predecir eficazmente la humedad
final del producto y es muy útil, principalmente, para el cálculo de la
temperatura de gelatinización del almidón del maíz; el modelo de Becker al
considerar lineal el proceso de absorción de agua del maíz con respecto a la
raíz cuadrada del tiempo de humectación en tiempos cortos, estima con
cierta facilidad los valores de la difusividad, los resultados obtenidos de los
dos modelos permiten configurar las bases para el proceso de
industrialización del mote de maíz. El modelo de Crank por su parte al ser
una solución refinada de la ecuación de difusión másica se la considera de
mayor exactitud en el cálculo de la difusividad y de mejor aproximación en la
estimación de humedad que Becker.
33
Comparativamente las difusividades del maíz blanco pelado durante su
hidratación son mayores que los valores observados en bibliografía para las
del maíz entero (Tabla 11).
Tabla 11. Valores de difusividad y energías de activación
Temperatura
(°C)
Maíz Blanco Pelado Maíz entero
Peleg
K1
Becker
Defx10-6
(m2h
-1)
Crank
Defx10-6
(m2h
-1)
Defx10-6
(m2h
-1)
40 0.03 0.8792 0.9583 0.28
50 0.0197 1.0907 1.0606 0.602 60 0.0186 1.3819 1.1691 1.023
Ea (kJ/mol) 20.8681 21.0829 8.6195 56.2684
La difusividad del maíz entero pertenece a la variedad Hi-starch evaluada por
Charan y Prasad (1996).
Tabla 12. Difusividades y energías de activación
Maíces Difusividades Defx10
-6 (m
2h
-1)
Kizan 3.994x10-8
a 1.193x10-7
Piooner 3379 8.996x10
-8 a 2.339x10
-7
Hi starch 0.159x10-6
a 1.746x10-6
Energía de activación
(kJ/mol)
k-1859 31.7275 Gold Rash 34.1935 popcorn 28.6921 Hi starch 45.8035
Asociada a la difusividad está la energía de activación (Ea), mediante una
relación tipo Arrhenius (ecuación 14). Al usar las difusividades y obtener un
solo parámetro (Ea) pueden compararse las diferentes variedades de maíz en
función de la energía necesaria para iniciar el proceso de hidratación. Verma
34
y Prasad (1999) reportan difusividades para el maíz entre 3.994x10-8 y
1.193x10-7 m2h-1 en un rango de temperatura de 30-60°C para la variedad
Kizan; Haros y Viollaz (1995) informan coeficientes de difusión de 8.996x10-8
a 2.339x10-7 m2h-1 para dent Pioneer 3379 en temperaturas de 45-65°C, en
tanto Charan y Prasad (1996) para Hi Starch a temperaturas de 25-70°C
obtuvieron un coeficiente de difusividad entre 0.159x10-6 a 1.746x10-6 m2h-1 y
una energía de activación de 45.8035 kJ mol-1, Fan et al (1963) reportan para
los maíces, Gold Rash, K-1859 y popcorn energías de 34.1935, 31.7275 y
28.6921 kJ mol-1, respectivamente (tabla 12).
3.4 Comparación gráfica de los modelos
Como se puede observar, con el aumento de la temperatura existe también
un aumento en la humedad ganada a medida que transcurre el tiempo de
hidratación.
Figura 11. Gráficas de los modelos para 40, 50 y 60°C, Experimental (o), Peleg (—), Becker(- -), Crank (— —)
35
Para todas las temperaturas Peleg es el modelo que mejor se aproxima a los
datos experimentales, el modelo de Becker tiene un buen ajuste a
temperaturas altas 80 y 90°C, en los otros casos subestima. Crank se
muestra errático para 40 y 90°C. El mejor comportamiento de los modelos se
obtiene a los 60°C.
Figura 12. Gráficas de los modelos para 70, 80 y 90°C. Experimental (o), Peleg (—), Becker(- -), Crank (— —)
3.5 Gelatinización
En el modelo empírico de Peleg una relación tipo Arrhenius (ecuación 15),
entre la temperatura (T) y K1, da lugar a dos tendencias lineales que pueden
interceptarse alrededor de cierta temperatura:
36
Figura 13. Tendencias de las constantes K1 de Peleg
El punto de intercepción corresponde a una temperatura de 66°C relacionada
a la temperatura de gelatinización del almidón para el maíz blanco, Sagol et
al. (2006) reporta temperaturas de gelatinización para granos enteros de
maíz entre 64 y 70°C y registros de Tovar (2008) indican temperaturas de
gelatinización de almidón de maíz blanco entre 60 y 72°C, obtenidas
mediante DSC.
La relación tipo Arrhenius implica un cambio estructural, debido a la variación
de la energía de activación. La intersección de las tendencias lineales es un
punto de quiebre asociado a cambios irreversibles del material en cuestión
causados por el efecto combinado de temperatura y humedad (Turhan y
Sayar, 2002).
y = -2,51x + 11,582
y = 0,2971x + 3,3089
3,2
3,4
3,6
3,8
4
4,2
4,4
2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3
ln K
1-1
Temperatura (°K)
40, 50, 60°C
70, 80, 90°C
37
3.6 Caracterización física del mote de maíz
No se encontraron referencias sobre dimensiones del mote de maíz, en la
tabla 12 al compararlo con el maíz se puede observar que existe un
aumento, principalmente en el ancho y espesor.
Tabla 13. Dimensiones del mote de maíz
PARAMETRO MAÍZ
BLANCO MOTE DE
MAÍZ INCREMENTO
(%)
Contenido de Humedad (% Hbh) 12.1 61.51 408.4
Largo (mm) 17.1 18.57 8.6
Ancho (mm) 15.88 18.31 15.3
Espesor (mm) 5.36 7.27 35.82
Se utilizó un picnómetro y agua para definir el volumen del mote de maíz y
con su peso se calculó la densidad real, que para este producto fue de 1.129
g/cm3; la densidad aparente promedió los 0.568 g/cm3, ambas densidades
son mayores que los valores registrados para el maíz blanco.
Tabla 14. Elementos del color del mote de maíz
Sistema L*ab L* a* b* COLOR
Mote de maíz 65.37±4.3 0.35±0.02 18.40±2.3
Maíz Blanco 70.07±3.9 1.53±0.8 22.18±1.2
Diferencia 4.7 1.18 3.78
Diferencia (%) 7 77 17
Sistema RGB R G B
Mote de maíz 172 157 126
Maíz Blanco 189 169 131
38
El color del mote muestra valores más bajos que el maíz en todos sus
elementos, sin embargo es mayor la diferencia en a* y b*, razón de un tono
más ocre; en la Tabla 14 se muestran los resultados en el sistema L*ab del
equipo Hunter color y la transformación a RGB del promedio de dichos
resultados. En la Figura 14 se puede observar el mote de maíz y su color
estándar.
Figura 14. Color del mote de maíz en el sistema RGB
3.7 Balances de materia y energía
En la Figura 15 se presenta el diagrama de flujo para la elaboración de mote
de maíz, con las operaciones ahí indicadas se realizó el balance materia
necesario para establecer un balance de energía, que se muestra en la
Tabla 17.
También se proponen parámetros de control para la recepción de la materia
prima (Tabla 15) y los puntos de control de manufactura (Tabla 16),
elementos propios de un proceso industrial.
39
190Kg
57%Hbh
190Kg
57%Hbh
PRODUCTO FINAL
ALMACENAMIENTO
EMPAQUE
90°C
COCCIÓN
4 horas
VAPOR AGUA
146Kg
44%Hbh
50°C
HIDRATACIÓN
6 horas
AGUA
234Kg
205Kg
161Kg
T°ambiente
LAVADO
1Omin
AGUA AGUA
117Kg
30%Hbh
234Kg 234Kg
98Kg
12%Hbh
196Kg
4Kg199Kg
AGUA
CALRESIDUOS
Ebullición
PELADO
25 min.
117Kg
30%Hbh
41m3
2Kg
41m3
AIRERESIDUOS
AIRE
LIMPIEZA Y
SEPARACIÓN
100 Kg
12% Hbh
MAÍZ
Figura 15. Balance de materia para el procesamiento de 100kg de maíz
40
Tabla 15. Parámetros de control para recepción de maíz
PRUEBA METODO Máximo
(%)
Humedad Estufa – Medidor de humedad 13
Impurezas NMX-FF-034/1-SCFI-2002 2
Color Comparativo visual 2
Granos dañados NMX-FF-034/1-SCFI-2002 5
Dureza NMX-FF-034/1-SCFI-2002 20
Nixtamalización NMX-FF-034/1-SCFI-2002 5
NMX= Norma Mexicana
Tabla 16. Puntos de control de manufactura
CONTROL PROCESO Máximo
(°C) TIEMPO
Temperatura Pelado 95 *25-45 min Temperatura Hidratación 55 6 horas Temperatura Cocción 92 4 horas
*según prueba de dureza NMX-FF-034/1-SCFI-2002
Tabla 17. Balance de energía
MAÍZ (Kg) ΔT ENERGÍA (KJ)
PELADO 98 67 9849
HIDRATADO 99 27 4009.5
COCCIÓN 146 40 8760
Cp (kJ/kg) 1.5
AGUA (Kg) ΔT ENERGÍA (KJ)
PELADO 196 74 14504
HIDRATADO 297 34 10098
COCCIÓN 151 40 6040
Cp (kJ/kg) 1
TOTAL ENERGÍA
53260.5
41
3.8 Equipos y capacidades
En la Tabla 18 se propone un listado de equipos básicos para la
industrialización de 100 kg de maíz, sus capacidades fueron calculadas con
los datos obtenidos al caracterizar el maíz y el mote; para la caldera se utilizó
la información de la energía requerida para el proceso productivo.
Tabla 18. Equipos y capacidades
EQUIPO OPERACIÓN CAPACIDAD WEB
Zaranda RSA Limpieza y separación
4 t/h http://www.prillwitz.com.ar
Marmita Pelado 0.5 m3 http://www.metalmachine.com.ec
Marmita Hidratación y cocción
0.5 m3 http://www.metalmachine.com.ec
Envasadora volumétrica
Empaque 90 u/h http://www.indupaksa.com
Caldera generación de vapor
5HP http://2295.ec.all.biz/
Con la finalidad de mejorar la presentación del proceso tecnológico para la
elaboración de mote de maíz, se diseñó un layout para la planta
agroindustrial (Anexo 4) que consta de información básica.
42
4 CONCLUSIONES
El proceso de hidratación del maíz blanco pelado presentó curvas de
adsorción características de un proceso difusivo a temperaturas menores a
los 70°C, mientras que a mayores temperaturas se observa una tendencia
lineal, reflejada en un marcado aumento en las tasas de adsorción de agua.
Esta característica se la relaciona con el efecto humedad-temperatura sobre
los gránulos de almidón y principalmente con la gelatinización del mismo.
Los modelos utilizados para representar la absorción de agua, del grano
pelado de maíz, realizaron aportes específicos al desarrollo global del
trabajo: el modelo de Peleg es práctico y de manera muy sencilla ofrece
información rápida sobre la humedad alcanzada y la temperatura de
gelatinización del grano, el de Becker sin mayor complicación identifica los
valores aproximados del coeficiente de difusividad, mientras que Crank
establece resultados más precisos de difusividades pero la demanda de
herramientas, para su cálculo, son mayores.
En la relación tipo Arrhenius, entre la constante K1 del modelo de Peleg y la
temperatura, se manifiestan dos tendencias lineales: aquellos valores bajo
los 70°C y los mayores e igual a 70°C, que al graficarlos confluyen en un
punto común cuya componente en temperatura (66°C) se aproxima a la
temperatura de gelatinización del almidón de maíz en estudio (68°C), por
tanto el uso del modelo de Peleg es muy útil para este propósito y se
43
manifiesta como un método no destructivo para identificar la temperatura de
gelatinización en granos enteros.
Los valores de difusividad del maíz blanco pelado obtenidos mediante
Becker y Crank en relación con valores reportados de maíces enteros, son
más altos, esto debido a la ausencia de la cáscara cuya característica es la
impermeabilidad.
Dentro de la caracterización del grano de maíz la dureza es importante por
cuanto influye directamente en los tiempos de nixtamalización y por tanto en
el proceso de industrialización, este tema ha sido muy estudiado por
investigadores mexicanos, en nuestro caso el maíz usado para elaborar mote
se encuentra entre los maíces suaves a muy suaves que cuantificado
significa 39.22 N*mm de dureza.
El color del mote no sufre cambio sino una degradación del original (maíz),
muy marcada en a* y de menor rango en b* prácticamente manteniendo su
luminosidad (L*), esto sugiere que el producto final mantiene, en cierta
medida su color, por lo que la mezcla del maíz blanco con maíces de colores
siempre será evidente. Se sugiere al color como parámetro de calidad.
Las densidades y dimensiones, tanto del maíz como del mote colaboraron
en la definición de las capacidades de los equipos
44
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47
6 ANEXOS
6.1 Anexo 1. Receta para la elaboración del mote de maíz
La información para la preparación del mote de maíz se obtuvo mediante
entrevista personal con la comerciante indígena otavaleña María Maldonado,
quien prepara este alimento por tercera generación para la ciudad de Ibarra
en Ecuador.
Su explicación para la elaboración del mote es la siguiente: para pelar 50
kilos de maíz blanco necesitamos el doble de agua y 2 kilos de cal.
Colocamos en una caldera el agua, el maíz y la cal a calentar a fuego
moderado, en ese orden, hasta que hierva, mantenemos el hervor por 15 a
25 minutos observando que la cascarilla haya desaparecido, luego se
escurre el maíz pelado y se lava dos veces, luego se deja en remojo hasta el
día siguiente para ser cocinado.
El mote se obtiene cocinando el maíz pelado por un tiempo aproximado de 8
horas a fuego lento, debe estar suave y un poco abierto.
48
6.2 Anexo 2. Cinética de hidratación del grano pelado de maíz
CINÉTICA DE HIDRATACIÓN DEL GRANO PELADO DE MAÍZ
(ZEA MAYS, variedad Blanco Urubamba)
RESUMEN
La rehidratación característica del grano pelado de maíz (ZEA MAYS, variedad blanco
Urubamba) en agua común fue investigada en las siguientes temperaturas: 40, 50, 60
grados Centígrados, usando el modelo empírico de Peleg y los difusionales de Becker y
Crank. Los valores determinados para el coeficiente de difusión variaron de 0.8792x10-6
a
1.3819x10-6
m2/h. Una relación tipo Arrhenius entre el coeficiente de difusión y la
temperatura fue usada para el cálculo de la energía de activación cuyo valor fluctúa entre los
20.868 y 21.082 kJ/mol.
Palabras Clave: grano pelado, difusión, humedad de saturación, energía de activación
ABSTRACT
The characteristic corn grain husked rehydration (ZEA MAYS, variety Urubamba white) in
common water was investigated in the following temperatures: 40, 50, 60 degrees Celsius,
using the empirical model of Peleg and the diffusionals models of Becker and Crank. The
values determined for the diffusion coefficient ranged from 0.8792x10-6
to 1.3819x10-6
m2/h.
An Arrhenius type relationship between the diffusion coefficient and temperature was used to
calculate the activation energy whose value ranges from 20.868 to 21.082 kJ/mol.
Keywords: corn grain husked, saturation moisture, activation energy, diffusion
APLICACIÓN PRÁCTICA
La información presentada sobre la cinética de absorción de agua puede ser usada para
determinar el comportamiento de este cereal en varios procesos de rehidratación a nivel
industrial; información de carácter ingenieril que permite diseñar el procesamiento de este
alimento, equipos para tal efecto, calcular el consumo de agua y energía, estandarizar el
producto final, entre otros.
49
INTRODUCCIÓN
Uno de los granos más consumidos en los países andinos es el maíz, en su forma
tradicional como mote de maíz, que es el grano del maíz blanco, pelado y luego cocido. Por
su peculiar elaboración presenta alto contenido de calcio, hierro y potasio (463.97, 7.95,
75.64, mg/100g respectivamente), alta también es la disponibilidad de sus aminoácidos
esenciales por lo que es considerado un alimento de importante valor nutricional (Cravero et
al., 2003; Contreras, 2009)
El pelado del maíz se conoce como nixtamalizado y ha sido extensamente estudiado
(Quintanar y Jaramillo, 2010; Méndez y García, 2008; Laria, 2004), luego del pelado se
realiza una serie de procesos para obtener diversos subproductos muy apreciados en la
industria química y de los alimentos; en el caso de los países andinos como Colombia,
Ecuador, Perú, Bolivia y Argentina se realiza la hidratación a altas temperaturas (cocción)
del maíz pelado para obtener el conocido mote de maíz, un producto suave y muy gustoso,
alimento básico en varias poblaciones del callejón interandino y de uso común en la
gastronomía regional. La información sobre este y varios otros productos de origen ancestral
es muy limitada.
La rehidratación del maíz blanco pelado se puede representar en curvas de ganancia en
peso debido a la absorción del agua a través del tiempo, de remojo a bajas temperaturas o
de cocción a temperaturas altas; definidas así bajo o sobre la temperatura de gelatinización
del almidón del cereal en estudio.
Para generalizar el comportamiento de este fenómeno físico presente en los alimentos
deshidratados, se recurre a modelos matemáticos que permiten estudiar cada caso en
particular.
Entre los modelos empíricos que mayor aceptación ha tenido y por tanto ampliamente usado
para realizar hidrataciones características es el de Peleg (1988), un modelo de dos
parámetros no exponencial, caracterizado por su simplicidad y resultados muy prácticos, su
validez ha sido demostrada en varios trabajos sobre la hidratación de cereales y legumbres
(Turhan y Sayar, 2002; Calzetta y Aguerre, 2006; Sobukola y Abayomi, 2009).
Entre los modelos difusionales, tenemos el de Becker (1960) que emplea una solución
simplificada de la ecuación de difusión de Fick, varias investigaciones sobre hidratación de
granos (Fan y Chu, 1963; Charan y Prasad, 1996; Addo y Bart, 2006) encuentran que el
modelo de Becker se ajusta bien a datos experimentales, en ellos se reporta la influencia de
la temperatura sobre el coeficiente de difusividad, expresada en una relación tipo Arrhenius.
50
El uso de las soluciones de Crank para la ecuación de difusividad másica tanto para placa,
esfera y cilindro también son frecuentes; este es un modelo difusional más complejo que
necesita mayor inversión de cómputo que los anteriores (Bello y Tolaba, 2004; Khazaei y
Mohammadi, 2008), esta alternativa de trabajo es también muy utilizada en procesos de
deshidratado.
Estos son los modelos con mayor aplicación para predecir la capacidad de hidratado de
cereales y legumbres en general; el presente trabajo está orientado al estudio experimental
de la adsorción de agua y mediante su ajuste a los modelos señalados, obtener sus
parámetros, los que realizan un aporte específico al desarrollo del diseño de un proceso
tecnológico para la industrialización de mote de maíz.
MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
Granos pelados de maíz, variedad blanco Urubamba, de primera calidad fueron obtenidos
en el mercado de cereales, en la ciudad de Ibarra, Ecuador. Estas semillas, antes de ser
testeadas fueron nuevamente clasificadas para mantener muestras estándares, separando
aquellos granos que se encuentran algo quebradizos, deformes, picados. El contenido de
humedad inicial de las semillas fue determinado usando el método de estufa de secado a
105°C por 24 horas (AOAC, 1985), obteniendo un 13.64 Kg/Kg de humedad en base seca
(Hbs).
Determinación de dimensiones geométricas
Cincuenta semillas al azar fueron seleccionadas para tomar las medidas de largo (L), ancho
(A) y espesor (E) con un micrómetro digital (modelo No.F025519, China) de precisión
0.01mm. Los granos de maíz tienen forma irregular; se puede observar que en la misma
mazorca varían desde planos hasta redondos, por lo que se asume la existencia de una
esfera hipotética que tiene el mismo volumen que la original así como sus propiedades
específicas; el radio de esta esfera es un radio equivalente (re) para el material real (Figura y
Teixeira, 2007; Bello y Tolaba, 2007)
El radio esférico, re, fue calculado usando la siguiente relación:
(
⁄ ) ⁄ [1]
El área (S):
[2]
Donde:
51
( ) ⁄ [3]
De igual manera, cincuenta semillas fueron sumergidas en agua y el desplazamiento de la
misma se utilizó para medir el volumen (V) de cada una de ellas, volumen desplazado
dividido para el número de semillas, ensayo que se realizó por triplicado en una probeta
graduada.
Las medidas correspondientes son: largo 17.1 mm, ancho 15.88 mm, espesor 5.36 mm, con
radio esférico de 6.2 mm y un volumen de 1 cm3.
Estudio de la absorción de agua
La estimación de la absorción de agua por parte de los granos de maíz se determinó por
inmersión de las semillas (20g. aprox.) en agua común a temperatura constante (±0.5°C), en
un baño termostatizado con agitación. Las temperaturas estudiadas fueron 40, 50, 60°C.
Iniciado el experimento se realizaron controles de ganancia de peso por gravimetría a
intervalos regulares de tiempo, cada hora, para ello se retiraron las muestras del agua y tras
un escurrido de su exceso se procedió a un rápido secado con papel absorbente hasta que
los granos pierden el brillo debido a la presencia deagua en su superficie, inmediatamente
son pesados en una balanza electrónica de precisión 0.01 g. En cada intervalo, el agua
ganada fue calculada como la diferencia de peso entre la medida realizada y la inmediata
anterior. Tres repeticiones fueron llevadas a cabo para cada temperatura observada.
Terminado el experimento, se determinó el contenido de humedad producto de las
hidrataciones. El método descrito ha sido empleado por Becker (1960), Bakshi y Singh
(1980), Calzetta y Aguerre (2006).
Modelos de Absorción
Modelo de Peleg
Las curvas de sorción tienen su forma característica, que puede ser descrita por un modelo
de dos parámetros:
( ) ( ) [4]
Donde M(t) es la humedad en el tiempo t, Mo la humedad inicial, k1 y k2 constantes.
La humedad de equilibrio, Me, acorde con este modelo cuando t→∞, es dada por:
⁄ [5]
De igual manera, la absorción instantánea:
52
( )
( )
[6]
Una de las características de la ecuación de Peleg es que puede ser transformada en una
relación lineal:
[ ( ) ] [7]
Modelo de Becker
La difusión de la humedad está definida por la ley de Fick, como:
(
) [8]
donde D es el coeficiente de difusividad, c (kg.m-3
) es la concentración de la sustancia
difundida en un punto del sólido; x, y, z, son las coordenadas cartesianas del punto en
consideración, t (horas) es el tiempo de difusión. Según Becker (1960) la ecuación 8 puede
llegar a una integración aproximada, de tal manera, que se obtiene una solución para una
partícula de forma arbitraria:
√ [9]
donde c es la concentración alcanzada, cs concentración en la superficie, co concentración
inicial; ⁄ √( ) con área (S) y volumen (V).
Si la concentración se expresa en contenido de humedad:
[10]
siendo m, ms, mo las humedades alcanzada, inicial y de superficie, respectivamente; así la
ecuación de Becker puede ser reescrita de la siguiente manera:
( √ ⁄ ) [11]
que en términos de variables experimentales quedaría:
√ [12] con
(
√ ) ( ) (
)√ [13]
lo que sugiere una función lineal, que al ser descrita entrega una pendiente que contiene a la
difusividad.
53
Solución de Crank
Según Crank (1975) la segunda ley de difusión de Fick en términos de humedad alcanzada
(para esfera), es:
∑
(
)
[14]
donde, ms y mo son el contenido de humedad de saturación e inicial respectivamente, m la
humedad en el tiempo t, R el radio equivalente y Def la difusividad efectiva.
Para los modelos difusionales, para cualquier conjunto de tres mediciones de humedad
tomadas a igual intervalo de tiempo j, se puede obtener la humedad de saturación ms
mediante la siguiente ecuación (Bello y Tolaba, 2007; Calzetta y Aguerre, 2005):
[15]
donde, m son los contenidos de humedad en los tiempos t en i, i+1 e i+2 mediciones
consecutivas.
El ajuste consistió en variar el parámetro Def hasta hacer mínima la diferencia relativa entre
la humedad experimental y la predicha por este modelo cinético.
En todos los modelos el error fue evaluado mediante el cálculo del error relativo porcentual
medio, E(%) (Bello y Tolaba, 2007)
( )
∑
| |
[16]
Donde mi y mpi son la humedad experimental y predicha para cada tiempo i, respectivamente
y n el número de datos del experimento.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El fenómeno de rehidratación
Los patrones de absorción de agua para el grano pelado de maíz blanco son representados
en la Figura 1, la cantidad de agua absorbida incrementa rápidamente en sus inicios,
aspecto atribuido generalmente al efecto de capilaridad presente en las capas más externas
del grano que tienden en el menor tiempo alcanzar la humedad de equilibrio (Becker, 1960).
Las etapas inmediatas, marcadas por una alta tasa de absorción de agua tienen explicación
en el fenómeno de difusión másica, dependientes en todo momento de la diferencia entre la
humedad de saturación y la humedad contenida en el tiempo dado, esta relación es
54
denominada fuerza conductora (Calzetta y Aguerre, 2005; Sobukola y Abayomi, 2009).
Conforme avanza el proceso de hidratación el contenido de agua también va en aumento,
decreciendo la fuerza conductora y consecuentemente la tasa de absorción. La rehidratación
termina cuando el contenido de agua absorbida iguala a la humedad de saturación.
Modelo de Peleg
En la Figura 2 se puede observar que el modelo propuesto por Peleg al ser linealizado
presenta un ajuste con un R2≥0.99 para los tres ensayos realizados, lo que confirma una
adecuada descripción de la cinética de hidratación para el maíz blanco pelado.
Figura 16. Contenido de agua del grano de maíz a diferentes temperaturas de hidratación: 40, 50, 60°C.
Figura 17. Regresión lineal de Peleg en función del tiempo (t) para las temperaturas 40, 50, 60°C
En la Tabla 1 se presenta los parámetros de ajuste, k1 y k2, para las ecuación de Peleg y la
humedad de equilibrio (Me). Las constantes k1 y k2 son afectadas por la temperatura, en
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10
co
nte
nid
o d
e h
um
ed
ad
(%
Hb
s)
t (horas)
40°C
50°C
60°C
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0 5 10
t/(M
t-M
o)
t (horas)
Experimental40°C
Experimental50°C
Experimental60°C
PELEG
55
ambos casos disminuyen conforme aumenta la temperatura de hidratación, en tanto que la
humedad de equilibrio (Me) tiende a aumentar. Bajos valores de k2 indican un aumento de la
humedad de equilibrio.
Tabla 19. Valores de las constantes para la ecuación de Peleg
Temperaturas (°C)
k1 k2 R2 Me (%) Error (%)
40 0.03 0.0122 0.9995 95.6035 0.5804
50 0.0197 0.0118 0.9990 98.3821 1.0270
60 0.0186 0.0106 0.9993 107.9759 0.7962
La constante k1 está relacionada con la transferencia de masa y su recíproco con el
coeficiente de difusión (Turhan y Sayar, 2002; Sobukola y Abayomi, 2009), debido a ello se
puede calcular la energía de activación, obtenida de una relación tipo Arrhenius entre el
inverso de k1 y la temperatura, su valor es de 20.8681 kJ/mol.
Modelo de Becker
Becker (1960) propone que el incremento del contenido de humedad en el grano, cualquiera
sea su geometría, tiene una relación lineal con la raíz cuadrada del tiempo de adsorción,
Figura 3; en el caso del maíz blanco pelado se toma como tiempo de rehidratación las
primeras seis horas, en las cuales la tasa de adsorción es mayor; pasado este tiempo la
característica asintótica de la curva es muy marcada.
Figura 18. Relación entre la humedad ganada y el tiempo de adsorción
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0,5 1 1,5 2 2,5 3
Hu
med
ad
ga
nad
a (
1-M
R)
t1/2
Experimental40°C
Experimental50°C
Experimental60°C
BECKER
56
Los valores del coeficiente de difusividad al ser graficados con el recíproco de la temperatura
absoluta sugieren una relación tipo Arrhenius (Fan y Chu, 1963; Charan y Prasad, 1996), a
partir de la cual podemos encontrar la energía de activación cuyo valor para las
temperaturas propuestas es de 19.58 kJ/mol. En la Tabla 2 se encuentran los valores
correspondientes del modelo planteado por Becker.
Tabla 20. Coeficientes α y difusividades para el modelo de Becker
Temperaturas α Dx10-6
(m
2/h)
R2 ms (%) Error (%)
40 24.3095 0.8792 0.9956 99.51 1.3618
50 27.0745 1.0907 0.9796 99.51 5.2776
60 30.4749 1.3819 0.9844 99.51 4.0658
Solución de Crank
La propuesta de Crank necesita de una solución numérica para la obtención de la
difusividad, en la Tabla 3 se presenta las humedades de saturación (ms) y las difusividades
(D) obtenidas por este método. La energía de activación fue de 19.29 kJ/mol.
Tabla 21. Difusividades con el modelo de Crank.
Temperaturas (°C)
Defx10-6
(m2/h) R
2 ms (%) Error (%)
40 0.9583 0.9958 79.09 4.193
50 1.0606 0.9997 87.96 1.204
60 1.1691 0.9972 93.39 2.764
La medida del coeficiente de difusividad de un material permite conocer la capacidad de
transporte de materia a escala molecular de cada componente del sistema de un lugar a
otro, materia difundida a través de él. En lo referente al maíz tenemos los estudios de Verma
y Prasad (1999) quienes reportan un valor entre 3.994x10-8
y 1.193x10-7
m2/h para un rango
de temperatura de 30-60°C para la variedad Kizan; Haros y Viollaz (1995) reportan
coeficientes de difusión de 8.996x10-8
a 2.339x10-7
m2/h para dent Pioneer 3379 en
temperaturas de 45-65°C, en tanto Charan y Prasad (1996) para Hi Starch a temperaturas
de 25-70°C obtuvieron un coeficiente de difusividad entre 0.159x10-6
a 1.746x10-6
m2/h .
Tabla 22. Difusividades de algunas variedades de maíz
Maíces Difusividades Defx10
-6 (m
2h
-1)
Kizan 3.994x10-8
a 1.193x10-7
Piooner 3379 8.996x10-8
a 2.339x10-7
Hi starch 0.159x10-6
a 1.746x10-6
57
Comparación gráfica de los modelos
En la Figura 4 se puede observar que con el aumento de la temperatura existe también un
aumento en la humedad ganada a medida que transcurre el tiempo de hidratación.
Figura 19. Gráficas de los modelos para 40, 50 y 60°C, Experimental (o), Peleg (—), Becker(- -), Crank (— —)
Para todas las temperaturas Peleg es el modelo de mayor aproximación a los datos
experimentales, el modelo de Becker subestima, mientras que Crank se ajusta mejor
conforme aumenta la temperatura. El comportamiento superior de los modelos se obtiene a
los 60°C.
CONCLUSIÓN
Se describió la absorción de agua del maíz blanco pelado usando el modelo empírico de
Peleg y los difusionales de Becker y Crank, el modelo que mejor describe la hidratación de
este producto es el de Peleg. Con valores de difusividad, el modelo de Crank supera al de
Becker.
En comparación a lo encontrado en bibliografía, los valores calculados fueron más altos en
difusividad, esto debido a que la cáscara no está presente y el pericarpio expuesto en su
totalidad facilita la difusión del agua.
La facilidad de la manipulación y el buen ajuste de la ecuación de Peleg hacen que se lo
prefiera en relación a los otros dos modelos. Si se requieren valores de difusividades el
modelo de Becker las estima con facilidad, sin embargo Crank es más acertado en estos
valores, pero su inversión de cálculo es mayor.
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6.3 Anexo 3. Análisis de varianza para las temperaturas de hidratado
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6.4 Anexo 4. Layout de la planta agroindustrial para la elaboración de mote
de maíz.