evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Evaluación de características de flujo del jugo Agave tequilana Weber en polvo TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO BIOQUIMICO PRESENTA: MAURICIO FLORES VALDEZ DIRECTORES DE TESIS: Dra. Liliana Alamilla Beltrán M. en C. Haydeé Hernández Unzón México, D.F., Marzo de 2015

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Page 1: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

Evaluación de características de flujo del jugo

Agave tequilana Weber en polvo

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO

DE INGENIERO BIOQUIMICO

PRESENTA:

MAURICIO FLORES VALDEZ

DIRECTORES DE TESIS:

Dra. Liliana Alamilla Beltrán

M. en C. Haydeé Hernández Unzón

México, D.F., Marzo de 2015

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II

El presente trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Ingeniería de Alimentos del

Departamento de Graduados e Investigación en Alimentos de la Escuela Nacional de

Ciencias Biológicas del Instituto Politécnico Nacional, bajo la dirección de la Dra.

Liliana Alamilla Beltrán y la M. en C. Haydeé Hernández Unzón.

Este trabajo contó con el apoyo financiero de la Secretaria de Posgrado e Investigación

(SIP) del Instituto Politécnico Nacional y por el Consejo Nacional de ciencia y

Tecnología, a través de proyectos de investigación dirigidos por la Dra. Liliana Alamilla

Beltrán:

Optimización y caracterización de proceso extractivo de compuestos bioactivos a partir

de desechos de Xoconostle. SIP 20140253 y SIP 20150371

Desarrollo microestructural de materiales encapsulantes. SIP 20131024

Proyectos de Desarrollo Científico para atender Problemas Nacionales_CONACyT,

Diseño de un producto en polvo con propiedades funcionales-energéticas para

preparación de bebidas reconstituidas para consumo en zonas de desastres naturales y de

pobreza extrema con carencia alimentaria. Clave: 216044.

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III

Evaluación de características de flujo del jugo Agave tequilana Weber en polvo

Page 4: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

IV

CONTENIDO

PAGINA

Resumen 01

I. Introducción 03

II. Antecedentes 05

II.1 El Agave 05

II.2 Agave tequilana Weber 05

II.3 Aprovechamiento industrial del maguey 07

II.4 Fructooligosacáridos (FOS) 08

II.5 Fructooligosacáridos del Agave 09

II.6 Aplicaciones de los FOS 09

II.7 Secado por aspersión 10

II.8 Secado de productos alimenticios 11

II.9 Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) 11

II.10 Procesamiento digital de imágenes (PDI) 12

II.11 Importancia de parámetros físicos en polvos 13

III. Justificación 15

IV. Objetivos 16

IV.1 Objetivo general 16

IV.2 Objetivos específicos 16

V. Materiales y Métodos 17

V.1 Materia prima 17

V.2 Metodología 17

V.3 Secado por aspersión del jugo de Agave tequilana Weber 18

V.4 Tamaño, distribución y morfología de partícula 19

V.5 Propiedades de flujo de polvos 20

V.6 Velocidad de flujo y ángulo de reposo 21

V.7 Contenido de humedad 23

V.8 Actividad de agua (Aw) 23

V.9 Tiempo de rehidratación 23

Page 5: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

V

VI. Resultados 24

VI.1 Secado por aspersión del jugo de Agave 24

VI. 2 Actividad de agua, contenido de humedad y tiempo

de rehidratación. 25

VI.3 Propiedades de Flujo 27

VI.4 Velocidad de flujo y ángulo de reposo 29

VI.5 Tamaño y distribución de partícula (PDI) 31

VI.6 Tamaño y distribución de partícula 32

VI.7 Morfología del jugo de Agave en polvo 36

VII. Conclusiones 40

VIII. Referencias 41

Page 6: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

VI

INDICE DE FIGURAS

PAGINA

Figura.1 Planta de Agave tequilana Weber 6

Figura.2 Representación de estructura química de FOS 8

Figura.3 Etapas más comunes de un sistema de procesamiento digital 12

de imágenes (Du y Sun, 2003).

Figura.4 Ejemplo de proceso aplicado a una imagen para determinar 13

determinar sus dimensiones. (Santacruz y col., 2007)

Figura.5 Diagrama de flujo para la metodología empleada en este 17

trabajo.

Figura.6 Imagen del secador por aspersión experimental Mobile 18

Minor 2000 (GEA Niro, Dinamarca).

Figura.7 Ejemplo de sistema para medición de velocidad de flujo y 22

ángulo de reposo

Figura.8 Efecto del % de Humedad sobre la Velocidad de flujo 27

en polvos.

Figura.9 Densidades Aparente y Compactada de polvos de Agave a 28

diferentes temperaturas del aire de secado.

Figura.10 Comparativa entre Tiempo de rehidratación y Diámetro 31

Feret en polvos para diferentes temperaturas de secado.

Figura.11 Tamaño y distribución de partícula en polvos finos 33

obtenidos a 160/70°C

Figura.12 Tamaño y distribución de partícula en polvos gruesos 33

obtenidos en 160/70°C

Figura.13 Tamaño y distribución de partícula en polvos finos 33

obtenidos en 180/80°C

Figura.14 Tamaño y distribución de partícula en polvos gruesos 34

obtenidos en 180/80°C

Figura.15 Tamaño y distribución de partícula en polvos finos 34

obtenidos en 200/90°C

Figura.16 Tamaño y distribución de partícula en polvos gruesos 34

obtenidos en 200/90°C

Page 7: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

VII

INDICE DE FIGURAS

Figura.17 Efecto de las condiciones de secado sobre el diámetro 35

de partícula en polvos

.

Figura.18 Partículas de jugo de Agave, 160/70PF a 3000x y 5000x 36

Figura.19 Partículas de jugo de Agave, 160/70PG a 3000x y 5000x 36

Figura.20 Partículas de jugo de Agave, 180/80PF a 3000x y 5000x 37

Figura.21 Partículas de jugo de Agave, 180/80PG a 3000x y 5000x 37

Figura.22 Partículas de jugo de Agave, 200/90PF a 3000x y 5000x 38

Figura.23 Partículas de jugo de Agave, 200/90PG a 3000x y 5000x 38

Page 8: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

VIII

INDICE DE CUADROS

PAGINA

Cuadro.1 Clasificación taxonómica del Agave Tequilana Weber 6

Cuadro.2 Características de interés del 7

Agave Tequilana Weber (Sánchez, 1979)

Cuadro.3 Correlación del índice de Carr y el coeficiente de Hausner 21

indicando la capacidad de flujo. (Ortega-Rivas, 2008).

Cuadro.4 Especificaciones según farmacopea española 23

para ángulo de reposo.

Cuadro.5 Cantidad de polvos obtenidos mediante el proceso de secado 24

a partir de muestras de 2 litros de jugo de Agave con 12°Brix.

Cuadro.6 Valores para contenido de humedad, actividad de agua y 26

tiempo de rehidratación para polvos de agave a diferentes

condiciones de secado.

Cuadro.7 Valores del Índice de Carr, el coeficiente de Hausner para 29

los polvos de Agave.

Cuadro.8 Velocidad de flujo y ángulo de reposo en polvos obtenidos 30

en diferentes condiciones de proceso.

Cuadro.9 Parámetros geométricos obtenidos al realizar el análisis 32

digital en las micrografías de los polvos en sus distintas

condiciones de proceso.

Page 9: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

1

RESUMEN

Los agaves, también conocidos como magueyes, han sido aprovechados por el hombre

americano durante miles de años. En México el Agave es una especie de alta

importancia agroindustrial, debido a que estas están destinadas a la elaboración de

bebidas alcohólicas mientras que otras son usadas para la obtención de fibras (Martínez-

Torres, 2005).

El cultivo de Agave en zonas semidesérticas de México posee una gran relevancia ya

que previene la erosión del suelo. Estos Agaves tienen como finalidad fundamental la

producción de pulque, mismo que es obtenido por la fermentación de aguamiel. La

producción de pulque en México constituía una importante industria durante la primera

mitad del siglo XX, pero en la actualidad no es un gran mercado ya que sus precios

varían de $3.44 a $6.43 por litro. Además el consumo de pulque ha sido remplazado por

la cerveza. Como resultado el cultivo de Agave para la producción de pulque ha

disminuido sensiblemente al no ser un mercado rentable (Basurto, 2008).

El sustrato fermentable en el Agave es un fructooligosacárido el cual está formado por

unidades de fructosa. El agave representa una atractiva fuente de fructooligosacáridos

(FOS), mismos que sirven como reserva energética en la planta. Los FOS son

componentes de interés en la industria alimentaria, debido a sus atributos funcionales y

sus efectos benéficos en la prevención de enfermedades cardiacas, colesterol, obesidad,

osteoporosis y diabetes, entre otras (Martínez-Torres, 2005).

Este trabajo tuvo como propósito evaluar las propiedades de flujo de los polvos

obtenidos del maguey (Agave tequilana Weber), los cuales fueron obtenidos a partir de

jugo de Agave con 15° Brix sometido a la operación de secado utilizando un secador

por aspersión a tres temperaturas de entrada/salida del aire de secado: 160/70°C,

180/80°C y 200/90°C. Los polvos obtenidos se recuperaron y fueron clasificados como

gruesos de ser colectados en la base del secador o bien finos si fueron arrastrados hasta

el ciclón por el aire de secado. Las muestras fueron analizadas utilizando Microscopia

Electrónica de Barrido (MEB), las imágenes obtenidas fueron sometidas a un

Procesamiento Digital de Imágenes (PDI), para ser procesadas en el software Image J

con el fin de determinar el tamaño medio de partícula, el tamaño de partícula

Page 10: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

2

volumétrico de los polvos de agave fue determinado mediante un analizador de tamaño

de partícula y gota Mastersizer 2600. Para evaluar las propiedades de flujo de los polvos

de Agave se evaluó el índice de Carr, el coeficiente de Hausner y la velocidad de flujo

de las muestras.

El contenido de humedad en el jugo de Agave en polvo se determinó por gravimetría. Se

analizó el parámetro de actividad de agua (Aw) con un medidor de actividad de agua

con compensador de temperatura y se determinó el tiempo de rehidratación de los

polvos.

Se encontró que en las condiciones de secado 180/80°C se obtuvo la mayor cantidad de

polvos a partir de una muestra de 2 litros de jugo de agave.

El jugo de Agave deshidratado presento una tendencia inversamente proporcional entre

el aumento de la temperatura de secado y el contenido de humedad (H%), actividad de

agua (Aw) y tiempo de rehidratación; encontrando sus mínimos en 200/90°C.

Las propiedades de flujo de los polvos de agave registradas corresponden a un flujo

pobre el cual requeriría de algún factor externo para mejorar su fluidez.

El tamaño medio de partícula fue proporcional al aumento de temperatura de secado

obteniendo las partículas más grandes en 200/90°C.

Una menor distribución de tamaño de partícula se reporto en la condición 180/80°C.

La morfología encontrada para las partículas de agave denota formas circulares con

superficies rugosas y lisas.

Dadas sus características expuestas en este trabajo el jugo de Agave Tequilana Weber

Var. Azul se presume como posible aditivo en alimentos, estudios posteriores son

requeridos para confirmar su factibilidad a escala industrial.

Page 11: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

3

I. INTRODUCCIÓN

El género Agave, cuyo significado es noble o admirable, fue dado a conocer a la ciencia

por Carlos Lineo en 1753. Las plantas del género Agave son originarias del continente

americano, con la mayor concentración de especies nativas de México en donde se les

conoce con los nombres comunes de magueyes; o mezcales. Especies de Agave

importantes en la producción de fibras son el henequén Agave fourcroides y Agave

sisalana, sin embargo, estas fibras naturales están siendo desplazadas por fibras

sintéticas (Háuad-Marroquín, 2010).

Algunos autores han considerado al Agave dentro de las familias Amaryllidaceae o

Liliaceae. Sin embargo, otros autores aceptan la familia Agavaceae y por tanto a Agave

como el género tipo representante de esta familia (McVaugh, 1989). Gentry (1982)

reconoció más de 136 especies sólo de Norteamérica, muchas son cultivadas como

ornamentales o para cercas vivas, por las fibras que contienen en sus hojas, como forraje

y para la elaboración de pulque, mezcal, tequila y otros derivados.

Entre las numerosas especies y variedades pertenecientes al género de los agaves que

existen en México, se destacan por su importancia económica el grupo de los magueyes

que se cultivan para la obtención de bebidas. Por lo general el maguey alcanza las

condiciones apropiadas para su utilización para elaborar licores en un periodo que va de

8 a 12 años, y en ocasiones hasta 20, dependiendo de las condiciones de cultivo, el

clima, el suelo y la variedad de maguey (Martínez del Campo, 1999).

El género Agave tiene una gran importancia económica y varias especies de esta planta

han estado ligadas a los habitantes de Mesoamérica, en áreas como Tula, Tulancingo y

Teotihuacán se ha encontrado evidencia de que los Agaves se aprovechaban para

obtener pulque desde hace más de 3500 años (Mora-López, 2011)

Previa la llegada de los españoles la utilidad de los agaves fue para la producción de

azúcares y fibras. Su uso decayó cuando el cultivo de la caña de azúcar llegó a México

con los conquistadores (Gentry, 1982).

Page 12: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

4

Los agaves son utilizados para la producción de distintas bebidas. Al extraer la savia

natural de la planta esta presenta un sabor dulce y se le conoce como aguamiel y con el

nombre de pulque después de un proceso fermentativo. El líquido destilado derivado de

los agaves es conocido como mezcal o tequila. En la ciudad de Tequila en Jalisco,

México, por su clima y vegetación, se cultivan agaves que se aprovecharon por sus

características sobresalientes, en especial por sus altas concentraciones de polisacáridos

(Gentry, 1982)

Agave tequilana Weber var. Azul sobresale como un cultivo con importancia

agronómica en México por ser la materia prima principal para la elaboración de tequila

(NOM, 2005). Mediante la fermentación y destilación del aguamiel de la planta Agave

tequilana Weber var. Azul se obtiene el tequila que es una bebida alcohólica originaria

del estado de Jalisco (Martínez-Gándara, 2008).

Diversos vegetales como el maguey, la alcachofa, tubérculos y raíces contienen

fructooligosacáridos (FOS) como polímeros de reserva energética. Los

fructooligosacáridos son moléculas generalmente lineales y están compuestos de D-

fructosa unidas mediante enlaces glucosídicos β (2,1) (Badui, 1999).

En la actualidad los consumidores se encuentran al tanto de su salud y demanda de

alimentos con buen sabor así como bajos en grasa y calorías. Problemas de salud tales

como las enfermedades cardiacas, el cáncer, el colesterol alto, obesidad, la osteoporosis

y la diabetes son realidades de la sociedad mexicana. La inulina y la oligofructosa son

ampliamente usadas en los alimentos funcionales en todo el mundo por sus propiedades

promotoras de la salud (Kaur y Gupta, 2002).

Los fructanos se definen como prebióticos ya que estimulan el crecimiento de bacterias

benéficas para el organismo, por ejemplo, las bifidobacterias, e inhiben el crecimiento

de bacterias patogénicas, además, no son digeridos por el sistema digestivo (Urías-

Silvas, 2004)

Dado lo anterior, en este trabajo se plantea la evaluación de características del polvo de

Agave tequilana Weber, y su relación con propiedades de flujo del mismo importantes

para efecto de movilidad del mismo a través de tolvas y tuberías.

Page 13: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

5

II. ANTECEDENTES

II.1 Agave

México es reconocido como el centro de origen y biodiversidad del género Agave

debido a la diversidad taxonómica dentro de su territorio, ya que de 310 especies

reportadas, aproximadamente 272 pueden encontrarse en el territorio mexicano (García-

Mendoza, 1995).

Las plantas del género agave son plantas suculentas, xerófilas, perenes. Su tamaño

puede alcanzar de 2 a más metros de altura. Las hojas están dispuestas en forma de

roseta y en ocasiones pueden ser globosas con número y formas muy variables. Las

hojas pueden ser carnosas y frágiles. (Sánchez, 1979).

II.2 Agave tequilana Weber

Descripción de la planta Agave tequilana Weber: 1.5 a 1.8 m de alto; tallo reducido y

cubierto por las hojas las cuales se encuentran aglomeradas formando una roseta Figura

1. Hojas lanceoladas, de color azul glauco, de 1 a 1.45 m de largo y 7 a 11 cm de ancho

en la parte media, con una espina apical de 8 a 20mm de largo y numerosos dientes

marginales curvados, ganchudos, de 5 a 6 mm de largo. Inflorescencia de 3 a 6 m de

longitud, con 20 a 35 ramificaciones en cuyos extremos se encuentran las flores. Flores

color verde amarillento, el ovario 23 a 38 mm de largo y 7 mm de diámetro, estambres

color amarillento. Fruto seco cuando maduro, capsular, de alrededor de 3.5 cm de largo

y 2.4 cm de diámetro. Semillas aplanadas, de color negro. Florece de junio a agosto,

fructifica de septiembre a diciembre. En el Cuadro 1 se presenta la clasificación

taxonómica de Agave Tequilana Weber y en el Cuadro 2 se presentan algunas

características de interés de este Agave (Sánchez, 1979).

Page 14: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

6

Figura 1 Imágenes de planta de Agave tequilana Weber, en las que se aprecia: a) roseta,

b) hojas lanceoladas color azul glauco.

Cuadro 1. Clasificación taxonómica del Agave Tequilana Weber

Clasificación Reino Plantae

División Magnoliophyta

Clase Liliopsida (Monocotiledóneas)

Subclase Lilidae

Orden Liliales

Familia Agavaceae

Género Agave

Subgénero Agave

Sección Rigidae

Especie Tequilana

a) b)

Page 15: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

7

Cuadro 2. Características de interés del Agave Tequilana Weber (Sánchez, 1979)

Peso de la planta adulta (kg) 800-1500

Peso del brote Floral (kg) 70-150

Aguamiel producida (L) 100-350

Sacarosa (%):

A los 5 Años de madurez 0.6-2.0

A los 7 Años de madurez 3.0-7.0

A los 8 Años de (maduro) 6.0-9.0

A los 9 Años de (súper maduro) 6.5-12.0

Penca agotada 1.0-7.8

Tallo “piña” 5.0-12.0

Manitol (%) 0.1-2.3

Dextranas (%) 4.6-11.8

Celulosa (%) 2.0-5.7

Saponinas (jugo de la hoja)% 0.08-0.6

II.3 Aprovechamiento industrial del maguey

Los usos del maguey tienen un espectro amplio, que derivan desde la fermentación

alcohólica espontánea e inducida; obtención de proteína de levadura; obtención de

vitaminas mediante microorganismos; obtención de dextranas para uso alimentario o

clínico; ensilaje de agave; mieles y jarabes de fructosa y producción de ácidos orgánicos

mediante microorganismos (Sánchez, 1979).

El jarabe obtenido de agave azul (Agave tequilana Weber var. azul) es la sustancia

producida por hidrólisis de los fructanos contenidos en la planta de maguey. Este

endulzante se ha popularizado por su capacidad prebiótica e índice glucémico bajo

respecto a otros jarabes y mieles naturales (Mellado-Mojica, 2013).

Page 16: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

8

II.4 Fructooligosacáridos (FOS)

Los fructanos son carbohidratos de reserva en las plantas, son polímeros formados por

unidades de fructosa. Los fructanos pueden ser encontrados tanto en monocotiledóneas

y dicotiledóneas (Toriz, 2007). En la Figura 2 se ilustra la representación de la

estructura química de un FOS.

Figura 2 Representación de estructura química de FOS

Los oligosacáridos son compuestos naturales que pueden ser encontrados en frutas,

hortalizas, cereales, legumbres, miel y leche. Son moléculas glicosídicas que tienen

entre tres y diez residuos de azúcar (Hideo, 1994).

Los oligosacáridos incluyen a los FOS, isomaltooligosacaridos y galactooligosacáridos

entre otros. Estos compuestos poseen características útiles tales como nutrir a las

bifidobacterias intestinales así como retardar la ocurrencia de caries (Hideo, 1994).

Los FOS pueden ser producidos por degradación de la inulina, o polifructosa, un

polímero de D-Fructosa unidos por enlaces β (2→1) glucosídicos y que típicamente

cuentan con un residuo terminal de D-glucosa unido por enlace α (1→2). El grado de

polimerización de la inulina natural va típicamente desde los 10 a los 60 residuos

glucídicos. Los polisacáridos pueden ser degradadados tanto enzimática como

químicamente hasta convertirlos en una mezcla de oligosacáridos con la estructura

Page 17: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

9

general Glu-(Fru)n y Frum donde n y m se encuentran usualmente comprendidos entre 1

y 7 (Toriz, 2007).

II.5 Fructooligosacáridos del Agave

El agave Tequilana Weber var. Azul es utilizado para preparar el mundialmente famoso

tequila mexicano. Más del 80% del contenido de carbohidratos en el agave azul es

originado por fructanos. Los fructanos del agave azul tienen un enorme potencial como

suplementos dietéticos, fuente de fructosa y como excipientes (Toriz, 2007).

Uno de los principales productos encontrados en agaves son los fructanos, los cuales

son sintetizados como un polímero de reserva energética. Estos fructanos pueden actuar

como un osmoprotector durante la sequía, lo que podría considerarse como una posible

adaptación fisiológica a los ambientes áridos (Wang-Nobel, 1998).

Las concentraciones de FOS en Agave tequilana Weber var. Azul alcanzan un máximo

en la acumulación de azúcares totales cuando el agave ha alcanzado su madurez y

obteniéndose una concentración de 22.46g de FOS/100g de jugo (Méndez, 1999).

II.6 Aplicaciones de los FOS

Los FOS se utilizan principalmente en bebidas, leches maternizadas en polvo, productos

de panadería, yogures, lácteos, medicamentos y cosméticos (Crittenden y Playne, 1996).

Se utilizan también como agentes espesantes, o para enmascarar los sabores

desagradables de los edulcolorantes artificiales y como sustituyentes de grasa.

Propiedades físico- químicas o funcionales:

Las propiedades funcionales dependen de la estructura molecular de los FOS,

especialmente de su grado de polimerización (Martínez-Morales, 2005).

Las más significativas son:

-Solubilidad. Son solubles en agua y ligeramente dulces (0.3 a 0.6 veces el poder

edulcorante de la sacarosa).

-Peso Molecular. Por su alto peso molecular producen mayor viscosidad que los mono y

disacáridos.

-Modifican la temperatura de congelación en alimentos congelados.

Page 18: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

10

-No son reductores. Por este motivo no sufren pardeamientos por calor debido a

reacciones de Maillard.

-Alta capacidad de retención de agua, evitando un secado excesivo del producto al que

se añaden.

-Baja actividad de agua, muy conveniente para el control de contaminaciones

microbianas.

-Propiedades nutritivas o beneficiosas para la salud; función como fibra alimentaria,

estimulación bifidogénica, baja cariogenicidad y bajo contenido calórico.

Los FOS pueden someterse a tratamiento térmico, como es el caso del secado, con la

finalidad de conservar sus propiedades y alargar su vida útil.

II.7 Secado por aspersión

El secado por aspersión es definido como la operación unitaria en la cual se lleva a cabo

un cambio partiendo de una alimentación fluida hasta llegar a un producto seco, al

ponerlo en contacto en forma de gotas finas con una corriente de aire caliente. El tiempo

de contacto es corto de forma tal que el daño que sufre el producto durante el secado es

mínimo, lo que representa una ventaja en el procesamiento de productos sensibles a

altas temperaturas (Alamilla, 2004). El secado por aspersión es un proceso

prácticamente instantáneo de producir un sólido seco a partir de una alimentación

fluida, siendo el aire caliente el medio que suministra el calor necesario para la

evaporación y al mismo tiempo el acarreador del agua eliminada (Orna, 2012).

Algunas de las ventajas que presenta el secado por aspersión son la aplicabilidad a una

amplia gama de ingredientes activos y polímeros de dispersión (debido a la disolución

de los ingredientes activos en solventes orgánicos volátiles), además no expone a las

sustancias a un calor excesivo durante su producción y el proceso puede escalarse a

nivel piloto reduciendo el gasto de materia prima al realizar formulaciones.

Usualmente la temperatura del aire de secado utilizado en esta la operación oscila entre

temperaturas de entrada entre 100 y 300°C. Para alimentos termoestables delicados

como leche o huevo puede manejarse 100°C o menos. Las temperaturas de salida del

aire oscilan entre 50 y 100°C (Orrego 2003).

Page 19: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

11

En los productos obtenidos mediante un secado por aspersión, las propiedades como

humectabilidad (capacidad de penetración del líquido), sumergibilidad (capacidad de

penetración del polvo en el seno del líquido), dispersabilidad (facilidad de segregación

del polvo en el líquido) y solubilidad son un factores para determinar su calidad, debido

a que estas propiedades afectan el proceso de reconstitución del polvo (Barbosa-

Cánovas y Vega-Mercado, 2000).

II.8 Secado de productos alimenticios

En el proceso de secado por aspersión, el material de alimentación en estado líquido, se

atomiza dentro de la cámara de secado, en la cual se introduce aire caliente u otro gas, el

líquido es rápidamente evaporado, dejando partículas sólidas. Este proceso de

deshidratación, también puede considerarse encapsulación, ya que puede producir

partículas que atrapan el material a cubrir (Geankopolis, 1999).

A través de la aplicación de calor al producto, se reduce tanto el contenido de humedad

del material como la actividad de agua. En esta operación se involucra transferencia de

calor y masa produciendo transformaciones físicas y químicas. Estos cambios pueden

ser de tipo físico como: encogimiento, inflado, cristalización; o bien pueden ocurrir

reacciones químicas o bioquímicas deseables o indeseables con cambios de color,

textura, olor y otras propiedades del producto sólido (Orna, 2012).

En la actualidad los métodos de secado desarrollados tienen gran auge tanto en la

industria química y de transformación como en la de alimentos. Entre los equipos de

secado más comúnmente utilizados se encuentran los secadores de tambor, secadores

rotatorios, secador de túnel, de banda, de lecho fluidizado y de aspersión, entre otros.

(Barbosa-Cánovas y Vega- Mercado, 2000).

II.9 Microscopia Electrónica de Barrido (MEB).

La MEB es una de las técnicas más apropiadas para la caracterización de la morfología

de los alimentos, se basa en el barrido de la superficie de la muestra produciendo

resultados en forma de imágenes, las cuales se obtienen en forma digital directamente

del microscopio y pueden convertirse en datos morfométricos para analizarse

posteriormente en forma estadística (Barbosa-Cánovas, 2005).

Page 20: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

12

II.10 Procesamiento digital de imágenes (PDI)

Analizar una imagen tiene como fin realizar la cuantificación de ciertas propiedades de

los objetos presentes en ésta a través de los diferentes elementos que las componen, su

origen y su naturaleza. Es por estas razones que se considera el PDI una herramienta útil

para determinar diversas características morfológicas y texturales, además de tener

ventajas sobre observaciones hechas de manera directa debido a que por medio de ella

se obtienen evaluaciones objetivas, es una técnica no destructiva y permite realizar

mediciones in situ (Jiménez, 2005). En la Figura 3 se presenta una secuencia de las

etapas involucradas en el PDI.

Figura 3. Etapas más comunes de un sistema de procesamiento digital de imágenes (Du

y Sun, 2003).

Tanto el procesamiento de imágenes como el análisis de imágenes contienen numerosos

algoritmos y métodos capaces de obtener mediciones objetivas para la evaluación de las

propiedades de diferentes productos sometidos a algún proceso de modificación del

material (Pedreshi, 2004).

Algunos softwares de análisis de imágenes son capaces de procesar imágenes de fuentes

tales como cámaras de video, aparatos de rayos x, microscopios electrónicos de barrido,

microscopios electrónicos de transmisión, o microscopios ópticos. En general un

sistema de la adquisición de imagen consiste en cuatro componentes básicos:

iluminación, cámara fotográfica, hardware y software, en donde se requiere el uso de

una fuente de luz apropiada para evitar brillo y delimitar la frontera de la imagen de la

muestra (Aguilera, 2005). En la Figura 4 se muestra un ejemplo del tratamiento aplicado

a una imagen para realizar el análisis de sus dimensiones.

Adquisición de

la imagen

Pre-

procesamiento.

Segmentación

de la imagen

Extracción de

Parámetros

Clasificación de

imágenes.

Page 21: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

13

Figura 4. Ejemplo de proceso aplicado a una imagen para determinar sus dimensiones.

(Santacruz, 2007)

II.11 Importancia de parámetros físicos en polvos

El tamaño de partícula en los alimentos ha tomado mayor importancia en la industria

alimentaria. Muchos ingredientes existen como sistemas particulados ya sean polvos,

emulsiones, suspensiones o pellets. La forma y tamaño de estas partículas así como su

distribución afectan el sabor, textura y apariencia de los alimentos. El tamaño y la forma

de los ingredientes también afectan la estabilidad y funcionalidad del producto

terminado. Las propiedades físicas y químicas de los ingredientes alimenticios como el

tamaño de partícula son de una gran importancia para garantizar una consistente calidad

e inocuidad de productos (Ortega-Rivas, 2008). Ejemplificando el caso de producción

de alimento para cerdos, la molienda de las materias primas es fundamental para el

correcto aprovechamiento nutricional de las mismas. A mayor grado de molienda,

menor tamaño de partícula, lo que conlleva mayor superficie de ataque de las enzimas

digestivas al substrato, y por tanto mayor digestibilidad y mejor eficacia alimenticia.

Sin embargo, un excesivo grado de molienda implica inconvenientes tales como el

incremento los costes de producción por un mayor consumo de energía eléctrica y

disminución del rendimiento de los molinos. Si el tamaño de partícula es excesivamente

pequeño, se pueden ocasionar daños y ulceraciones a nivel gástrico, con las

consecuentes pérdidas a nivel productivo (Mavromichalis, 2006).

Page 22: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

14

Factores a tener en cuenta para lograr una mezcla homogénea de materiales:

Si el mezclado es organizado, las partículas finas cohesivas se adhieren fuertemente a

las partículas transportadas restringiendo la segregación. Además, los polvos de flujo

fácil se mezclan fácilmente pero están sujetos a la segregación. Entre los factores más

importantes que influencian el mezclado están:

-Forma de partícula. Durante el mezclado se puede alterar la forma de las partículas

debido a erosión y fragmentación produciendo partículas de forma irregular. La forma

es la variable más crítica que afecta las características de flujo y el grado de

empaquetamiento de las partículas. Las formas esféricas y ovaladas fluyen fácilmente,

mientras que las formas rugosas y fracturadas tienen un flujo pobre, las partículas con

formas aciculares forman un enrejado que dificulta el flujo (Ohta et al., 2003).

-Tamaño de partícula. De manera ideal todos los materiales a mezclar deben tener un

mismo tamaño de partícula, es por este motivo que las partículas se deben moler y

tamizar antes de mezclar. No obstante, dos partículas pueden tener igual tamaño pero no

tener la misma forma (Chew-Chan, 1999). En general, los polvos con diámetro

promedio menor a 50 µm poseen muy poco flujo y dificultan el mezclado. Si se

mezclan partículas con diferencias de tamaños enormes, estos tienden a segregarse

depositándose los más pequeños en el fondo del mezclador (Jha, 2002).

-Densidad. Cuando hay grandes diferencias entre las densidades de los componentes de

la mezcla se producirá segregación. Las partículas más densas tienden a deslizarse y

quedar en el fondo. Si la diferencia entre densidades ocurre entre partículas grandes, la

separación ocurre por adhesión y fricción. La segregación puede ocurrir al vaciar el

mezclador, y durante el transporte y almacenamiento debido a las vibraciones y

movimientos a que se somete el material(Sing, 1976).

-Humedad. Para valores mayores al 5% y menores al 1% de se puede presentar una

dificultad a fluir en los materiales y a su vez que se produzcan tabletas friables.

Usualmente materiales con una alta humedad puede ocasionar que los punzones se

peguen. Igualmente, los materiales higroscópicos se deben manejar con cuidado y a

muy bajas humedades relativas (Li, 2005).

Page 23: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

15

III. JUSTIFICACIÓN

El 75% de las especies registradas de Agave se encuentran en México y 58% de éstas

son endémicas. En México existe el Agave en abundancia pero su aprovechamiento

industrial se ve reducido a la producción de bebidas, Jalisco es el estado con el mayor

número de especies de Agave en el occidente de México y el segundo en el país. La

superficie ocupada para la siembra de Agave en Jalisco, es cercana a 5.3 millones de

hectáreas principalmente de Agave tequilana Weber y Agave angustifolia Haw, pero

dada la concesión para la producción de tequila “con denominación de origen” su uso se

ve limitado. Por lo general el maguey alcanza las condiciones apropiadas para la

obtención de aguamiel en un periodo que va de 8 a 12 años lo que limita aún más la

explotación adecuada del maguey. Es por esto que se pretende obtener y caracterizar un

producto de importancia industrial obtenido del secado de jugo de Agave el cual tiene

un alto contenido de FOS, mismos que tienen un importante papel en la industria

alimentaria. En este trabajo se plantea realizar la evaluación de características de flujo

del jugo Agave tequilana Weber en polvo, con la finalidad de aportar conocimiento de

parámetros que influyen en la capacidad de los polvos para moverse a través de tolvas y

tuberías, así como el grado de compactación que éstos puedan presentar al someterse a

acciones de transporte y almacenamiento, evaluados a través de pruebas de laboratorio.

Page 24: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

16

IV.OBJETIVOS

IV.1 Objetivo general

Evaluar las propiedades de flujo y de rehidratación de polvos de Agave tequilana

Weber.

IV.2 Objetivos específicos

Obtener muestras en polvo de jugo de Agave tequilana Weber mediante secado por

aspersión a diferentes temperaturas entrada/salida de aire de secado, para su posterior

análisis.

Determinar el tamaño y distribución de partículas mediante un analizador de partículas

de dispersión dinámica de luz y procesamiento digital de imágenes, de polvos obtenidos

por medio del secado por aspersión, para evaluar su efecto en propiedades de flujo y

morfoestructura de partículas.

Determinar contenido de humedad, actividad de agua y solubilidad de las muestras

obtenidas durante el secado, para conocer su efecto en propiedades de flujo y

rehidratación.

Evaluar la densidad aparente, densidad compactada y compresibilidad (Índice de Carr y

Coeficiente de Hausner) de los polvos obtenidos mediante secado por aspersión para

evaluarlas como propiedades de flujo de los mismos.

Evaluar el ángulo de reposo y la velocidad de flujo de las muestras de polvos obtenidas

durante el secado por aspersión, para conocer su capacidad de flujo.

Page 25: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

17

V.MATERIALES Y MÉTODOS

V.1 Materia prima

La materia prima utilizada fue jugo de piña de Agave tequilana Weber de 5 años de

madurez, proveída por el Centro de Productos Bióticos del Instituto Politécnico

Nacional (Yautepec, Morelos, México). El jugo fue previamente tratado eliminando

residuos de proteínas y demás sólidos por precipitación con Ca(OH)2 en frio y

centrifugación, quedando solo los sólidos de azúcar.

V.2 Metodología

Figura 5. Diagrama de flujo para la metodología empleada en este trabajo.

Inicio

Jugo de Agave

Secado por

aspersión

Caracterización de Polvos

Microestructura

Forma, Tamaño y Distribución de

Partícula

Rehidratación

%Humedad, Actividad de agua y

tiempo de Rehidratación

Flujo

Densidad aparente y compactada

Indice de Carr y Coeficiente de

Hausner

Ángulo de reposo y velocidad de flujo

Fin

Page 26: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

18

V.3 Secado por aspersión del jugo de Agave tequilana Weber.

Para obtener el producto en polvo, el jugo de Agave tequilana Weber con 15° Brix se

sometió a la operación de secado utilizando un secador por aspersión experimental

(Mobile Minor 2000, GEA Niro, Dinamarca), con aspersor tipo boquilla neumática de

doble fluido con arreglo en fuente y una presión de atomización de 1.53 kg/cm2. Se

variaron las temperaturas de entrada y salida del aire de secado en 160/70°C, 180/80°C

y 200°/90°C. Y flujos de alimentación de 17ml/min, 22ml/min y 25ml/min,

respectivamente. Los polvos obtenidos se recuperaron en la base de la cámara,

denominándolos polvos gruesos, y a la salida del ciclón mecánico, llamados polvos

finos, Figura 6.

Figura 6. Imagen del secador por aspersión experimental Mobile Minor 2000 (GEA

Niro, Dinamarca) en la que se indican los puntos de colecta de polvos finos (b) y polvos

gruesos (a).

b

a

Page 27: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

19

V.4 Tamaño, distribución y morfología de partícula.

Para la obtención de la morfología de partícula las muestras, fueron analizadas

utilizando Microscopia Electrónica de Barrido (MEB). Una muestra de polvo fue

adherida a un porta muestras usando una cinta adhesiva de doble cara (Ted Pella,

Redding, California, E.U.A), las muestras fueron después cubiertas con oro en una

Ionizadora (Denton Vacuum, Desk II . La

morfología de las micro partículas fue observada con un microscopio electrónico de alto

vacío (Jeol, JSM-5800LV, Japón) (Alamilla, 2005). Las imágenes obtenidas con este

equipo fueron sometidas a un Procesamiento Digital de Imágenes (PDI). Para el análisis

de los parámetros geométricos de las partículas se utilizó el software ImageJ.

El tamaño de partícula volumétrico promedio de las partículas de los polvos de agave se

determinó con un analizador de tamaño de partícula y gota (Mastersizer 2600, Malvern

Instruments, Worcestershire, Reino Unido). La muestra fue dispersada en 2-propanol.

El equipo Mastersizer 2600 usa una técnica de difracción de láser para medir el tamaño

de las partículas. Esto se obtiene midiendo la intensidad de luz dispersa a medida que el

haz de luz pasa a través de la muestra en un sistema particulado. Esta información es

entonces analizada para calcular el tamaño de las partículas que crearon el patrón de

dispersión.

Un sistema típico consta de tres elementos principales (Allen, 1992):

- Unidad óptica. Una muestra dispersa pasa a través del área de medición, donde un haz

de luz ilumina las partículas. Una serie de detectores miden la intensidad de luz

dispersada por las partículas en un gran número de ángulos.

- Unidad de dispersión de muestra. La dispersión de la muestra es controlada por un

número de unidades de dispersión húmeda y seca. Estas garantizan que las partículas

sean llevadas al área de medición en la correcta concentración y en un estado adecuado

de dispersión.

-Software. El software del equipo analiza la información obtenida para calcular el

tamaño y distribución del sistema particulado.

Page 28: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

20

V.5 Propiedades de flujo de polvos.

El índice de Carr o de compresibilidad y el coeficiente de Hausner denotan la relación

presente entre las densidades aparente y compactada de un sistema particulado. Entre

más se compacte un polvo, más pobre serán sus propiedades de flujo (Jumah, 2000;

Niro Analytical Methods, 2009; León-Martínez, 2010).

Densidad aparente.

Se define como la masa del polvo dividida entre el volumen aparente y se expresa como

g/cm3, se tomó una cantidad de cada muestra en una probeta graduada de la cual se

registro el volumen inicial de la muestra en el tubo graduado. La densidad aparente se

calculó mediante la Ec. 1.

Donde M= masa de la muestra en g y el VAPARENTE = Volumen medido en cm3 (Shah

1997).

Densidad compactada

Es la proporción de la masa total del polvo con respecto al volumen de polvo

compactado. El volumen se midió tras golpear la probeta utilizada para medir densidad

aparente sobre una superficie plana 100 veces y se registró el volumen compactado. La

densidad compactada se calculó mediante la Ec. 2.

Donde M = masa de la muestra en g y el VCOMPACTADO = Volumen medido en cm3

(Shah 1997).

Índice de compresibilidad de Carr y Coeficiente de Hausner.

Para evaluar la capacidad de flujo de un polvo (Compresibilidad y Fricción), se

determinó el Índice de Carr (Ec. 3) y el Coef. De Hausner (Ec.4).

Page 29: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

21

Cuadro 3. Correlación del índice de Carr y el coeficiente de Hausner indicando la

capacidad de flujo. (Ortega-Rivas, 2008).

Índice de Carr (%) Propiedades de Flujo Coeficiente de Hausner

5-10 Excelentes 1.00-1.11

11-15 Buenas 1.12-1.18

16-20 Regulares 1.19-1.25

21-25 Aceptables 1.26-1.34

26-31 Pobres 1.35-1.45

32-37 Muy Pobres 1.46-1.59

>38 Extremadamente malas >1.6

V.6 Velocidad de flujo y Angulo de reposo.

La Velocidad de flujo es la relación existente entre una masa determinada y la facilidad

a fluir de esta, a través de un área determinada. El flujo de una sustancia se encuentra en

relación directa de la fricción entre las partículas; el ángulo de reposo ( r) representa la

resistencia de las partículas a fluir, el ángulo máximo formado entre la superficie de un

cono de polvo y el plano horizontal está directamente relacionado con la rugosidad de

las partículas. Mientras más lisa sea la superficie de la partícula menor será el ángulo de

reposo de esta y tendrá mejor propiedades de flujo (Ortega-Rivas, 2003).

Page 30: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

22

Para realizar la determinación se colocó un sistema como el que se ejemplifica en la

Figura 7. Se colocó un embudo por el cual se hizo pasar una masa conocida de muestra,

se determinó el diámetro y altura del cono formado por los polvos al caer después de

haber pasado por el embudo, así como el tiempo que le todo a la muestra pasar a través

del cono (Ortega-Rivas, 2003; Martínez-Fernández, 2007).

Figura 7. Ejemplo de sistema para medición de velocidad de flujo y ángulo de reposo

Se determinó el ángulo de reposo utilizando la (Ec. 5) y de la velocidad de flujo con la

ecuación (Ec. 6).

Donde: h= altura del cono de polvo; r = radio de la base del cono del embudo;

d= diámetro de la base del cono; t= tiempo registrado en segundos que demoró en fluir

el polvo; M= la masa del polvo (g) (Ortega-Rivas, 2003; Martínez-Fernández, 2007).

Page 31: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

23

Cuadro 4. Especificaciones según Real Farmacopea Española (2002) para ángulo de

reposo.

Propiedades de Flujo Ángulo de reposo (°)

Excelentes 25-30

Buenas 31-35

Regulares 36-40

Aceptables 41-45

Pobres 46-55

Muy Pobres 56-65

Malas >66

V.7 Contenido de humedad.

La determinación de humedad en el jugo de Agave en polvo se realizó en una termo

balanza utilizando de 2 a 5 g de muestra a 105 °C durante 30 minutos. El contenido de

humedad se determina por gravimetría, referido en base seca (Nollet, 1996).

V.8 Actividad de agua (aw).

Una muestra de jugo de Agave en polvo de 1.4g fue procesada, con un medidor de

actividad de agua con compensador de temperatura (Aqualab, Decagon Devices, Inc.,

Pullman, EUA) hasta alcanzar el estado de equilibrio.

V.9 Tiempo de rehidratación.

Para el tiempo de rehidratación, se consideró como tiempo inicial el contacto del polvo

con el agua y se determinó el tiempo final cuando no exista evidencia visual de

partículas de polvo, se midió el tiempo de rehidratación con la utilización de un

cronómetro (Jha, 2002; Pérez-Alonso, 2009).

Page 32: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

24

VI. RESULTADOS

VI.1 Secado por aspersión del jugo de Agave tequilana Weber.

Durante el proceso de secado se recolectan dos fracciones de la muestra. Los polvos

finos colectados en ciclón mecánico y los polvos gruesos recuperados en el fondo de la

cámara de secado (Figura 5). Los polvos finos son acarreados por el aire hasta el ciclón

del secador debido a su bajo peso y los polvos gruesos caen directamente desde la

cámara de secado debido a su mayor peso, estos no son arrastrados por el aire dentro del

secador y simplemente se depositan por gravedad en el colector inferior (Masters,

1986).

En el cuadro 5 se presentan las cantidades de polvos finos y gruesos expresadas en peso

y %, correspondiente al total de polvos obtenidos durante el secado por aspersión del

jugo de Agave tequilana, a tres diferentes temperaturas de entrada/salida del aire de

secado: 160/70°C, 180/80°C, 200/90°C.

Cuadro 5. Cantidad de polvos obtenidos mediante el proceso de secado a partir de

muestras de 2 litros de jugo de Agave con 12°Brix.

Temperaturas de

secado

Entrada/Salida (°C)

Polvos

finos (g)

Polvos

finos

(%)

Polvos

gruesos

(g)

Polvos

gruesos

(%)

Relación

finos/gruesos

160/70 165.88 90.2 18 9.8 9.22

180/80 185.27 90.7 18.89 9.3 9.81

200/90 98.02 58.3 70.08 41.7 1.40

La cantidad de polvos obtenidos mediante el proceso de secado por aspersión varió

significativamente en cuanto al factor temperatura. La mayor cantidad de polvos de

agave (204.16 g) se obtuvo con las condiciones de secado 180/80°C lo cual concuerda

con lo reportado por Chávez-Rodríguez (2014) que obtuvieron las mejores condiciones

de secado a estas mismas temperaturas basándose en los mínimos valores para actividad

de agua e higroscopicidad y valores máximos de rendimiento solubilidad y densidad

aparente. Así también Arrazola (2013) obtuvo el rendimiento más alto durante el secado

de antocianinas de berenjena a una temperatura de secado de 180°C.

Page 33: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

25

En los tres tratamientos realizados se observó la adherencia del polvo en las paredes de

la cámara del secador ocasionando la pérdida de un porcentaje del material, y con esto

menor captación de polvo, siendo la condición de secado 200/90°C la que tuvo una

mayor pérdida de material por adhesión.

VI. 2 Actividad de agua, Contenido de Humedad y Tiempo de rehidratación.

La estabilidad microbiológica de alimentos con contenido de agua reducido no es una

función de su contenido de agua total sino de la proporción de agua que está disponible

para las actividades metabólicas de los microorganismos. La mejor medida de la

humedad disponible es la actividad de agua (Aw).

La Aw óptima para el crecimiento de la mayor parte de los microorganismos está en el

rango 0.99-0.98 (Leitsner y Gould, 2002). En general, las bacterias de deterioro

comunes se inhiben a Aw aproximadamente de 0.97. Muchos hongos y levaduras son

capaces de proliferar a Aw debajo de 0.86, algunas levaduras osmofílicas y hongos

xerófilos pueden crecer lentamente en Aw ligeramente mayores a 0.60 (Leitsner y

Gould, 2002).

La actividad de agua de los polvos de Agave deshidratado se muestra en el cuadro 6, los

resultados indican una Aw baja lo que favorecería su prolongado almacenaje sin sufrir

descomposición microbiana (FAO, 1995). De acuerdo a los resultados obtenidos, se

denota una relación inversa entre las temperaturas de proceso y la Aw reportada ya que

a medida que incrementa la temperatura el actividad de agua es menor encontrando un

mínimo para 200/90°C de 0.126 correspondiendo a lo descrito por Oakley (1997) la

remoción de humedad se encuentra en función de factores tales como temperatura,

contenido de humedad y naturaleza del producto a secar.

Esta tendencia puede relacionarse directamente con el contenido de humedad en la

muestra ya que al comparar ambos resultados podemos denotar el mismo patrón

disminuyendo a medida que aumentan las temperaturas de secado.

El contenido de humedad (% en base seca) de los polvos de Agave fue menor al 10%

para todos los casos (Cuadro 6), esto asegura la estabilidad del producto. Existe un

efecto significativo de las variables temperatura del aire de secado y velocidad de

atomización en el contenido de humedad. Los mínimos valores de humedad se obtienen

a altas temperaturas, esto se atribuye a que la fuerza impulsora para remover la

Page 34: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

26

humedad aumenta si la diferencia entre la temperatura del aire de secado y las partículas

es mayor, produciendo polvos con menor contenido humedad. Estos resultados son

congruentes con los obtenidos en tomate (Goula-Adamopoulos, 2010) y mucílago de

Opuntia ficus indica (León-Martínez et al., 2010); el menor contenido de humedad se

encontró para las condiciones de secado 200/90°C (4.2%). La diferencia de la

temperatura entre el medio de secado (aire) y las partículas es mayor, entonces la

humedad se elimina más rápido (Obón et al., 2009).

Cuadro 6. Valores para contenido de humedad, actividad de agua y tiempo de

rehidratación para polvos de agave a diferentes condiciones de secado.

Temperaturas

de secado(°)

Humedad

%

Aw Tiempo de

rehidratación

(s)

Entrada/Salida Finos Finos Finos

160/70 5.2 0.247 56.9

180/80 4.7 0.197 46.0

200/90 4.4 0.180 42.3

Entrada/Salida Gruesos Gruesos Gruesos

160/70 5.2 0.344 53.3

180/80 5.0 0.276 48.6

200/90 4.2 0.126 43.0

Puede observarse que hay un efecto directo entre la temperatura de secado y el tiempo

de rehidratación, por lo que polvo obtenido a altas temperaturas de secado mejoran su

tiempo de rehidratación. Incrementar la temperatura del aire de secado generalmente

produce un incremento en el tamaño de partícula, lo que reduce el tiempo requerido

para la rehidratación del polvo (Walton 2000). Las partículas grandes pueden

sumergirse y las pequeñas regularmente flotan en el agua, lo que conlleva a una

reconstitución no homogénea (Goula-Adamopoulos, 2010).

En la Cuadro 6 se muestran los datos obtenidos para las pruebas de rehidratación del

jugo deshidratado, en todos los casos el tiempo de rehidratación registrado es menor a

60 segundos. De acuerdo con lo reportado por Bárbosa-Cánovas (2005), se considera

como un polvo instantáneo si su tiempo de rehidratación tarda menos de 60 segundos,

Page 35: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

27

en todos los casos expuestos las muestras son consideradas instantáneas (Bárbosa-

Cánovas et al., 2005; Niro Analytical Methods, 2009).

Una relación inversamente proporcional se encontró entre el % de humedad contenido

en los polvos de agave y la velocidad de flujo de los mismos Figura 8, al igual que lo

reportado por Amorós (1987), donde se adjudica que las débiles interacciones

ocasionadas por fuerzas de capilaridad entre los aglomerados húmedos es la causa de

disminución de fluidez con el aumento de humedad.

Figura 8. Efecto del % de Humedad sobre la Velocidad de flujo en polvos.

VI.3 Propiedades de Flujo.

Densidad Aparente y Empacada

La densidad de los polvos es determinada por la densidad de las partículas que integran

al polvo; la cual a su vez está determinada por la porosidad de las partículas y el arreglo

espacial de las mismas en el contenedor. La densidad de un polvo es una característica

importante ya que determina el volumen y dureza del alimento reconstituido

(Suwonsichon-Peleg 1999).

En la Figura 9, se muestra la comparación entre las densidades aparentes y compactadas

de los polvos de Agave, para polvos finos se observó una ligera variación para las

densidades obtenidas y las condiciones de proceso, en contraste para polvos gruesos se

denota una tendencia inversamente proporcional para las densidades de polvo y las

10,0

11,0

12,0

13,0

14,0

15,0

16,0

4 4,5 5 5,5

Ve

loci

od

ad d

e f

lujo

(g/

s)

Humedad %

Finos

Gruesos

Lineal (Finos)

Lineal (Gruesos)

Page 36: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

28

temperaturas de proceso como se ha reportado en otros trabajos (Walton, 2000). Este

efecto puede deberse a que el incremento de la temperatura del aire de secado ocasiona

una evaporación más rápida y produce estructuras más porosas y fragmentadas (Walton,

2000).

Figura 9. Densidades Aparente y Compactada de polvos de Agave a diferentes

temperaturas del aire de secado.

Índice de Carr, Coeficiente de Hausner y Ángulo de Reposo.

En el cuadro 7 se muestran los resultados obtenidos al determinar el índice de Carr y el

coeficiente de Hausner del jugo deshidratado, estos de acuerdo con lo reportado en

otros trabajos (Ortega-Rivas, 2008) al comparar los resultados con lo evaluado por Carr

1965. (Cuadro 3) se puede apreciar que los polvos 160/70PF, 180/80PF, 200/90PF y

180/80PG tienen un flujo aceptable y en los casos de 160/70PG y 200/90PG de pobres,

esto puede ser resultado de una alta cohesividad en las muestras ya que estas tienden a

aglomerarse debido a su alta higroscopicidad, al estar en contacto con humedad

ambiental las muestras tienden a tornarse pegajosas lo que resulta en un

empobrecimiento del flujo de los polvos (Lozano, 2009).

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

160/70PF 180/80PF 200/90PF 160/70PG 180/80PG 200/90PG

De

nsi

dad

(g/

cm3 )

Temperatura de entrada/salida del aire de secado (°C) , PG(gruesos), PF(finos)

Densidad Aparente PF

Densidad Compactada PF

Densidad Aparente PG

Densidad Compactada PG

Page 37: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

29

Cuadro 7. Valores del Índice de Carr, el coeficiente de Hausner para los polvos de

Agave.

Muestra Índice de Carr % Coeficiente de

Hausner

160/70PF 22.39 1.290

180/80PF 24.40 1.324

200/90PF 21.61 1.277

160/70PG 27.62 1.382

180/80PG 20.39 1.256

200/90PG 34.44 1.526

VI.4 Velocidad de flujo, ángulo de reposo y tiempo de rehidratación

Los resultados obtenidos para el ángulo de reposo, velocidad de flujo y tiempo de

rehidratación en polvos se presentan en el Cuadro 8, observándose que existe relación

directa entre la velocidad de flujo de las muestras y las temperaturas de secado,

denotando que al someter el producto a un proceso con temperaturas más elevadas se

obtiene un polvo que fluye con mayor rapidez.

Si bien un menor ángulo de reposo nos indica la facilidad a fluir de las partículas en un

sistema para los polvos gruesos podemos apreciar que a medida que se aumenta la

temperatura de secado se obtienen menores ángulos de reposo lo que nos indica un

mejor flujo de las partículas (Carr.1965), no así para los polvos finos ya que en estos se

presentan resultados aleatorios en cuanto al ángulo de reposo. De acuerdo a la Real

Farmacopea Española 2002 los polvos son clasificados con un flujo de aceptables.

Page 38: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

30

Cuadro 8. Velocidad de flujo y ángulo de reposo en polvos obtenidos en diferentes

condiciones de proceso.

Muestra Ángulo de reposo

(°)

Velocidad de

Flujo (g/s)

Tiempo de

Rehidratación (s)

160/70PF 45.84 11.339 56.9

180/80PF 49.93 12.186 46.0

200/90PF 46.22 13.421 42.3

160/70PG 46.82 10.637 53.3

180/80PG 50.10 12.449 48.6

200/90PG 43.90 14.855 43.0

En todos los casos el tiempo de rehidratación registrado es menor a 60 segundos. De

acuerdo con lo reportado por Bárbosa-Cánovas (2005), se considera como un polvo

instantáneo si su tiempo de rehidratación tarda menos de 60 segundos, en todos los

casos expuestos las muestras son consideradas instantáneas (Bárbosa-Cánovas, 2005;

Niro Analytical Methods, 2009).

En la Figura 10, puede observarse que hay un efecto directo entre la temperatura de

secado el tiempo de rehidratación, por lo que polvo obtenido a altas temperaturas de

secado mejoran su tiempo de rehidratación. Incrementar la temperatura del aire de

secado generalmente produce un incremento en el tamaño de partícula (Walton 2000).

Las partículas grandes pueden sumergirse y las pequeñas regularmente flotan en el

agua, lo que conlleva a una reconstitución no homogénea. Estos resultados concuerdan

con lo reportado por Fabela (2013) quien reporto valores de 40 a 50 segundos para

polvos de Agave angustifolia.

Page 39: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

31

Figura 10. Comparativa entre Tiempo de rehidratación y Diámetro Feret en polvos para

diferentes temperaturas de secado.

VI.5 Tamaño y distribución de partícula. (PDI)

Los resultados presentados en el Cuadro 9 muestran que la circularidad de las partículas

es constante para las diferentes condiciones de operación utilizadas en este trabajo, en

cuanto al área, perímetro y diámetro de Feret en la mayoría de los casos un incremento

en las dimensiones es denunciado por los resultados, esto sugiere la obtención de

partículas más grandes en las condiciones de secado 200/90°C. Estos resultados pueden

ser relacionados con lo reportado por Lozano-Berna (2009) y Fabela (2013) ya que las

partículas de FOS tienden a expandirse y contraerse durante el proceso de secado, esto

denunciaría la variabilidad de tamaños presentes en las partículas obtenidas, con altas

temperaturas las partículas tienden a formar corazas debido a la rápida transferencia de

calor presente en ellas, esto impide que al salir el vapor de las partículas estas se

encojan y a su vez posean dimensiones mayores con superficies lisas, el caso contrario

en 160/80°C al no formarse una coraza resistente la partícula colapsará dando lugar a

estructuras rugosas de menor tamaño o bien fragmentos de las mismas (Walton, 2000;

Alamilla, 2005).

Temperaturas de secado T entrada/T salida

Page 40: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

32

Cuadro 9. Parámetros geométricos obtenidos al realizar el análisis digital en las

micrografías de los polvos en sus distintas condiciones de proceso.

Muestra Área (µm2) Perímetro

(µm)

Circularidad

(%)

Diámetro de Feret

(µm)

160/70PF 60.694 39.032 0.828 12.240

160/70PG 30.377 28.243 0.808 8.894

180/80PF 27.601 25.684 0.836 8.256

180/80PG 25.565 25.858 0.786 8.254

200/90PF 37.536 31.574 0.826 9.980

200/90PG 59.622 37.510 0.848 11.955

VI.6 Tamaño y distribución de partícula.

El tipo de atomizador en un secador por aspersión determina no sólo la energía

requerida para formar el aerosol sino también el tamaño y la distribución de tamaño de

las gotas, así como el tamaño de partícula final (Mujumdar, 1995).

En las Figuras 11 a 16 se muestran los resultados obtenidos para tamaño medio y

distribución de partícula. Obteniendo los valores más bajos para la condición de secado

160/70°C y máximos para la condición 200/90°C, contrastando con lo reportado

anteriormente en otros trabajos (Masters, 2002), donde se había reportado que la

temperatura del proceso de secado no tiene un impacto significativo sobre el tamaño de

partícula, en este estudio se observó una clara tendencia de incremento en el tamaño

medio de partícula en proporción directa al aumento de temperaturas de secado Figura

17, esto concuerda con lo encontrado por Chegini, 2007; para jugo de naranja, donde se

describe que el aumento de temperatura conlleva una rápida formación de una capa de

material seco sobre la partícula, esto resulta en una capa impermeable en la superficie

de la partícula y al existir vapor dentro de esta el resultado es una expansión de las

partículas (Walton, 2000; Fabela, 2013). En las condiciones de secado 160/70°C y

200/90°C se aprecian tendencias multimodales para los histogramas obtenidos, esto

denota una homogeneidad parcial en los polvos obtenidos, en contraste en la condición

de secado 180/80°C se observó una tendencia unimodal con valores cercanos a los

Page 41: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

33

10µm lo que se interpreta como una muestra con buena homogeneidad de tamaño en los

polvos lo que evita segregación y facilita su flujo (Barbosa, 2005).

Figura 11.Tamaño y distribución de partícula en polvos finos obtenidos a 160/70°C

Diámetro medio= 8.550 µm

Figura 12.Tamaño y distribución de partícula en polvos gruesos obtenidos en 160/70°C

Diámetro medio= 8.143 µm

Figura 13.Tamaño y distribución de partícula en polvos finos obtenidos en 180/80°C

Diámetro medio= 10.003 µm

Page 42: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

34

Figura 14.Tamaño y distribución de partícula en polvos gruesos obtenidos en 180/80°C

Diámetro medio= 10.261 µm

Figura 15.Tamaño y distribución de partícula en polvos finos obtenidos en 200/90°C

Diámetro medio= 11.735 µm

Figura 16.Tamaño y distribución de partícula en polvos gruesos obtenidos en 200/90°C

Diámetro medio= 14.349 µm

Page 43: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

35

Figura 17. Efecto de las condiciones de secado sobre el diámetro de partícula en polvos.

VI.7 Morfología del jugo de Agave en polvo.

La morfología de las partículas determina la funcionalidad de los polvos durante su

procesamiento. Las gotas del flujo de alimentación durante el secado experimentan

cambios en la cámara de secado. Estos cambios producen partículas secas con

estructuras solidas porosas o no porosas (Chen, 2007). La microestructura formada

durante el secado por aspersión es afectada por las condiciones de secado tales como la

temperatura, humedad y velocidad de secado; también por las condiciones de

alimentación composición y temperatura (Chen, 2007).

De acuerdo a las condiciones de secado, las partículas pueden distorsionarse, encogerse,

fracturarse o expandirse; también el comportamiento se encuentra arraigado al tipo de

coraza formada en la superficie de la partícula si es porosa o no porosa permeable o

impermeable (Kentish, 2005).

7

8

9

10

11

12

13

14

15

160/70 180/80 200/90

Diá

me

tro

de

Par

tícu

la(

m)

Condiciones de Secado (Tentrada/Tsalida°C)

Finos

Gruesos

Page 44: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

36

La morfología de los polvos de Agave se presenta en las siguientes micrografías:

Figura 18. Partículas de jugo de Agave, 160/70PF a 3000 y 5000 Aumentos.

Figura 19. Partículas de jugo de Agave, 160/70PG a 3000 y 5000 Aumentos.

En la primera condición de secado 160/70°C, tanto en polvos finos como gruesos se

presentaron partículas semicirculares con tamaños variables, preferentemente

colapsadas con superficies rugosas, de acuerdo con Walton, 2000 en general las

partículas tienden a encogerse con bajas temperaturas de secado debido a que la

difusión de agua es más lenta, permitiendo más tiempo para que las estructuras se

deformen y colapsen.

Page 45: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

37

Figura 20. Partículas de jugo de Agave, 180/80PF a 3000 y 5000 Aumentos.

Figura 21. Partículas de jugo de Agave, 180/80PG a 3000 y 5000 Aumentos.

Para la segunda condición de secado 180/80°C, se observaron partículas semiesféricas

tanto para finos como gruesos con una superficie irregular rugosa en general pero con

algunas partículas con superficie lisa, dado el incremento de temperatura el secado de

las partículas pudo llevarse a cabo de manera más rápida produciendo corazas

resistentes al encogimiento dejando superficies mas lisas (Alamilla, 2005).

Page 46: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

38

Figura 22. Partículas de jugo de Agave, 200/90PF a 3000 y 5000 Aumentos.

Figura 23. Partículas de jugo de Agave, 200/90PG a 3000 y 5000 Aumentos.

En la tercera condición de secado 200/90°C, se observaron partículas esféricas de mayor

tamaño tanto en polvos finos como en gruesos, correspondiendo a lo encontrado con el

analizador Mastersizer (Figuras. 15 y 16).

La elevada temperatura de secado puede causar la expansión de las partículas debido a

la mezcla de vapor y aire dentro de las partículas, esta mezcla se expande llevando al

crecimiento del granulo dado que la coraza formada en la superficie de este es solo

parcialmente permeable al vapor (Kentish, 2005).

Page 47: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

39

VII. CONCLUSIONES

Al realizar el secado por aspersión de jugo de Agave Tequilana weber la mejor

condición de secado fue 180/80°C ya que en esta se obtuvo un mejor rendimiento

(Cuadro 5).

El jugo de Agave deshidratado presento una tendencia en la disminución de contenido

de humedad (H%), actividad de agua (Aw) y tiempo de rehidratación a medida que se

aumento la temperatura de secado (Cuadro 6).

Los polvos presentaron un aumento en su velocidad de flujo a medida que las

temperaturas de secado aumentaron (Cuadro 8).

En cuanto a las propiedades de flujo de los polvos en función de los valores

compresibilidad van de regulares a pobres, por lo que se recomendaría la aplicación de

energía o lubricantes para su correcto procesamiento durante el mezclado.

El tamaño medio de partícula se vio afectado de manera directa con el aumento de

temperatura de secado obteniendo las partículas más grandes en 200/90°C (Figuras 15 y

16).

Una menor distribución de tamaño de partícula se reporto en la condición 180/80°C

(Figuras 13 y 14), indicando que en estas condiciones se obtiene un producto más

homogéneo.

La morfología de las partículas de agave denota formas circulares con superficies

rugosas y en las condiciones 200/90°C también se presentas partículas con superficie

lisa.

El jugo deshidratado de Agave Tequilana Weber Var. Azul, presenta características

deseables en un polvo que se espere sea utilizado como aditivo en alimentos o bien

como excipiente para medicamentos, aunado a lo reportado en este trabajo, estudios

posteriores son necesarios para confirmar su versatilidad en un escalamiento industrial.

Page 48: Evaluacion de caracteristicas de flujo de jugo agave tequilana weber en polvo

40

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