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ii
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE INULINA EN EL YACÓN (Smallanthus
sonchifolius) Y DISEÑO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN
TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA
AUTOR: ANDREA CAROLINA MONTENEGRO CEPEDA
QUITO
2017
ii
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE INULINA EN EL YACÓN (Smallanthus
sonchifolius) Y DISEÑO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN
TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA
AUTOR: ANDREA CAROLINA MONTENEGRO CEPEDA
TUTOR: ING. HUMBERTO ROBESPIERRE GÓNZALEZ GAVILÁNEZ
QUITO
2017
iii
© DERECHOS DE AUTOR
Yo Andrea Carolina Montenegro Cepeda en calidad de autor del trabajo de titulación,
modalidad proyecto de investigación, DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE
INULINA EN EL YACÓN (Smallanthus sonchifolius) Y DISEÑO DEL PROCESO
DE EXTRACCIÓN, autorizo a la Universidad Central del Ecuador hacer uso de todos
los contenidos que me pertenecen o parte de los que contiene esta obra, con fines
estrictamente académicos o de investigación.
Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los
artículos 5, 6, 8; 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su
Reglamento.
Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio virtual, de
conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
Firma:
_____________________________________________
Andrea Carolina Montenegro Cepeda
C.C. 0503493884
iv
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo en calidad de tutor del trabajo de titulación, modalidad proyecto de investigación
“DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE INULINA EN EL YACÓN
(Smallanthus sonchifolius) Y DISEÑO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN”,
elaborado por la estudiante ANDREA CAROLINA MONTENEGRO CEPEDA de la
Carrera de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería Química de la Universidad
Central del Ecuador, considero que el mismo reúne los requisitos y méritos necesarios
en el campo metodológico y en el campo epistemológico, para ser sometido a la
evaluación por parte del jurado examinador que se designe, por lo que lo APRUEBO, a
fin que el trabajo sea habilitado para continuar con el proceso de titulación determinado
por la Universidad Central del Ecuador.
En la ciudad de Quito, 26 de Abril del 2017
______________________________________
Ing. Humberto R. González G. Msc.
C.C. 1704459039
v
Con todo mi amor a Dios a la dulce Virgen del Quinche,
a mis padres José y Narcisa
a mis hermanos Gaby, Verito y Bryan
a mi segunda madre Paty e Iván.
vi
AGRADECIMIENTOS
Agradezco sobre todo a Dios y la Virgencita que han sabido darme sabiduría, a mis
padres José y Narcisa que han sabido guiar mis pasos por el camino correcto a mis
hermanas Gaby y Vero por su apoyo incondicional, gracias a mi familia por ser mi
motor de arranque en esta meta que aunque complicada y con tropiezos siempre
tuvieron fe en mí.
A mis amigas Gaby, Ale, Gladys, Lucy y Eve gracias chicas por los momentos vividos
por las grandes experiencias que hemos compartido juntas.
A mi equipo y apoyo incondicional Andrés Iván gracias por todo y colaborar a que mi
vida estudiantil culmine. Quiero agradecer también al Ingeniero González por su interés
y aporte a mi trabajo de titulación, a la Facultad de Ingeniería Química a todos los
docentes que fueron parte de mi formación profesional.
vii
CONTENIDO
pág.
LISTA DE TABLAS ................................................................................................... xi
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ xiii
LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................. xiv
LISTA DE ANEXOS .................................................................................................. xv
RESUMEN ................................................................................................................ xvi
ABSTRACT ............................................................................................................. xvii
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1
1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 3
1.1. Yacón (Smallanthus Sonchifolius). ......................................................................... 3
1.1.1. Propiedades benéficas del consumo del yacón. .................................................... 4
1.1.2. Aplicaciones e importancia del yacón en la industria. .......................................... 6
1.1.3. Cultivo de yacón en el Ecuador ........................................................................... 7
1.2. Prebióticos ............................................................................................................. 8
1.2.1. Características de los prebióticos ......................................................................... 8
1.2.1.1. Fructano ........................................................................................................... 9
1.2.1.2. ¿Qué es la inulina? ........................................................................................... 9
1.2.1.3. ¿Qué es un fructooligosacárido? ..................................................................... 10
1.2.1.4. Microbiota ...................................................................................................... 11
1.3. Extracción de inulina industrial ............................................................................ 11
1.3.1. Fuentes de extracción de inulina ........................................................................ 12
1.3.2. Producción a nivel regional ............................................................................... 13
1.3.3. Acondicionamiento de la materia prima ............................................................. 13
1.3.4. Extracción sólido líquido ................................................................................... 13
1.3.5. Baño ultrasonido ............................................................................................... 13
viii
1.3.6. Purificación ....................................................................................................... 14
1.3.7. Técnicas cuantitativas y cualitativas para determinación de inulina.................... 14
2. MATERIALES Y METODOS ................................................................................ 15
2.1. Metodología ......................................................................................................... 15
2.2. Ubicación del área de investigación ...................................................................... 15
2.3. Materia prima ....................................................................................................... 15
2.4. Materiales y equipos............................................................................................. 16
2.5. Sustancias y reactivos ........................................................................................... 16
2.6. Procedimiento para obtención de inulina a partir de yacón Smallanthus
sonchifolius ................................................................................................................. 17
2.6.1. Procedimiento previo a la extracción de inulina ................................................. 17
2.6.1.1. Adquisición de la materia prima. .................................................................... 17
2.6.1.2. Lavado. .......................................................................................................... 17
2.6.1.3. Reducción del tamaño de partícula. ................................................................ 17
2.6.2. Procedimiento en la extracción de inulina .......................................................... 17
2.6.2.1. Extracción sólido-líquido ................................................................................ 17
2.6.2.2. Filtración. ...................................................................................................... 18
2.6.2.3. Intercambio iónico. ......................................................................................... 19
2.6.2.4. Determinación del contenido de inulina por cromatografía HPLC.................. 19
2.7. Diseño experimental ............................................................................................. 21
2.7.1. Variable de respuesta. ........................................................................................ 21
2.7.2. Variables de operación. ..................................................................................... 21
3. DATOS EXPERIMENTALES ................................................................................ 23
3.1. Datos para la construcción de la curva de secado del yacón .................................. 23
3.2. Datos de la extracción de inulina del yacón .......................................................... 23
3.3. Datos de la purificación del extracto del yacón ..................................................... 25
3.4. Datos cuantificación de inulina en el extracto purificado ...................................... 26
4. Datos Adicionales ................................................................................................... 27
4.1. Densidad del agua ................................................................................................ 27
ix
5. CÁLCULOS ........................................................................................................... 28
5.1. Cálculo de la humedad del yacón ......................................................................... 28
5.2. Cálculo de la masa de agua evaporada del yacón .................................................. 28
5.3. Cálculo de la relación solvente- materia prima ..................................................... 28
5.4. Calculo de la cantidad de agua retenida en el refinado .......................................... 29
5.5. Cálculo del volumen de agua retenida en el refinado ............................................ 29
5.6. Cálculo de la cantidad de agua retenida en la purificación .................................... 30
5.7. Cálculo de la concentración promedio de inulina medida en el HPLC .................. 30
5.8. Cálculo de la cantidad de inulina en el extracto purificado .................................... 30
5.9. Cálculo de la cantidad de inulina en el refinado .................................................... 31
5.10. Cálculo de la cantidad de inulina retenida en la purificación ............................... 31
5.11. Cálculo de la cantidad y porcentaje de inulina en el yacón .................................. 32
5.12. Cálculo del porcentaje de inulina en el yacón ..................................................... 32
5.13. Cálculo de las coordenadas para el trazado de la curva de refinado en el
diagrama triangular de extracción sólido-líquido ......................................................... 33
6. RESULTADOS ...................................................................................................... 34
6.1. Resultados de la curva de secado del yacón con tres réplicas ................................ 34
6.2. Resultados de la relación de solvente materia prima ............................................. 35
6.3. Resultados de la cantidad de agua retenida en el refinado ..................................... 36
6.4. Resultados del volumen de agua retenida en el refinado ....................................... 37
6.5. Resultados de la cantidad de agua retenida en la purificación ............................... 38
6.6. Resultados de la concentración promedio de inulina medida en el HPLC.............. 39
6.7. Resultados de la cantidad de inulina en el extracto purificado ............................... 39
6.8. Resultados de la cantidad de inulina en el refinado ............................................... 41
6.9. Resultados de la cantidad de inulina retenida en la purificación ............................ 42
6.10. Resultados del porcentaje de inulina en el yacón ................................................ 43
6.11. Resultados curva de refinación ........................................................................... 44
6.12. Resultados curva de calibración para la cuantificación de la inulina .................... 45
7. DISEÑO DE LA EXTRACCIÓN DE INULINA .................................................... 46
7.1. Diseño de la extracción de inulina mediante SuperPro Designer .......................... 46
x
8. ANÁLISIS ESTADÍSTICO .................................................................................... 50
8.1. Resultados del análisis estadístico ........................................................................ 50
9. DISCUSIÓN ........................................................................................................... 52
10. CONCLUSIONES ................................................................................................ 54
11. RECOMENDACIONES ....................................................................................... 56
CITAS BIBLIOGRAFICAS ....................................................................................... 57
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 59
ANEXOS .................................................................................................................... 62
xi
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Beneficio del consumo del yacón sobre el cáncer colorrectal ........................... 5
Tabla 2. Beneficio del consumo del yacón sobre la diabetes .......................................... 5
Tabla 3. Beneficio del consumo del yacón sobre la obesidad o sobrepeso ...................... 6
Tabla 4. Contenido de inulina (% en peso fresco) de plantas que son comúnmente
usadas en la nutrición humana ..................................................................................... 12
Tabla 5. Datos de secado del yacón ............................................................................. 23
Tabla 6. Extracción de inulina a Temp= 60°C, réplica 1 .............................................. 23
Tabla 7. Extracción de inulina a Temp= 80°C, réplica 1 .............................................. 23
Tabla 8. Extracción de inulina a Temp= 60°C, réplica 2 .............................................. 24
Tabla 9. Extracción de inulina a Temp= 80°C, réplica 2 .............................................. 24
Tabla 10. Extracción de inulina a Temp= 60°C, réplica 3 ............................................ 24
Tabla 11. Extracción de inulina a Temp= 80°C, réplica 3 ............................................ 24
Tabla 12. Purificación del extracto del yacón réplica 1 ............................................... 25
Tabla 13. Purificación del extracto del yacón réplica 2 ............................................... 25
Tabla 14. Purificación del extracto del yacón réplica 3 ............................................... 25
Tabla 15. Cuantificación de inulina réplica 1 ............................................................... 26
Tabla 16. Cuantificación de inulina réplica 2 ............................................................... 26
Tabla 17. Cuantificación de inulina réplica 3 ............................................................... 26
Tabla 18. Densidad del agua a una temperatura de 20°C ............................................. 27
Tabla 19. Resultados curva de secado del yacón .......................................................... 34
Tabla 20. Resultados de la relación solvente/materia prima ......................................... 35
Tabla 21. Cantidad de agua retenida en el refinado réplica 1 ...................................... 36
Tabla 22. Cantidad de agua retenida en el refinado réplica 2 ...................................... 36
Tabla 23. Cantidad de agua retenida en el refinado réplica 3 ...................................... 36
Tabla 24. Volumen de agua retenida en el refinado réplica 1 ...................................... 37
Tabla 25. Volumen de agua retenida en el refinado réplica 2 ....................................... 37
xii
Tabla 26. Volumen de agua retenida en el refinado réplica 3 ....................................... 37
Tabla 27. Cantidad de agua retenida en la purificación réplica 1 ................................. 38
Tabla 28. Cantidad de agua retenida en la purificación réplica 2 ................................. 38
Tabla 29. Cantidad de agua retenida en la purificación réplica 3 ................................. 38
Tabla 30. Concentración promedio de inulina ............................................................. 39
Tabla 31. Cantidad de inulina en el extracto purificado réplica 1 ................................. 39
Tabla 32. Cantidad de inulina en el extracto purificado réplica 2 ................................. 40
Tabla 33. Cantidad de inulina en el extracto purificado réplica 3 ................................. 40
Tabla 34. Cantidad de inulina en el refinado réplica 1 ................................................. 41
Tabla 35. Cantidad de inulina en el refinado réplica 2 ................................................. 41
Tabla 36. Cantidad de inulina en el refinado réplica 3 ................................................. 41
Tabla 37. Cantidad de inulina retenida en la purificación réplica 1 .............................. 42
Tabla 38. Cantidad de inulina retenida en la purificación réplica 2 .............................. 42
Tabla 39. Cantidad de inulina retenida en la purificación réplica 3 .............................. 42
Tabla 40. Cantidad y porcentaje de inulina en el yacón réplica 1 ................................. 43
Tabla 41. Cantidad y porcentaje de inulina en el yacón réplica 2 ................................. 43
Tabla 42. Cantidad y porcentaje de inulina en el yacón réplica 3 ................................. 43
Tabla 43. Valores de las curvas de refinado ................................................................. 44
xiii
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Planta entera de yacón .................................................................................. 3
Figura 2. Características fisicoquímicas de las raíces de yacón ...................................... 4
Figura 3. Prebióticos en el organismo ............................................................................ 8
Figura 4. Estructura química de la Inulina con una molécula terminal de glucosa (β -
D-glucopiranosil) (A) y con una molécula terminal de fructosa (β -D-fructopiranosil)
(B) .............................................................................................................................. 10
Figura 5. Estructura química de los fructooligosacaridos ............................................. 10
Figura 6. Extracción de inulina.................................................................................... 12
Figura 7. Esquema de extracción sólido-líquido .......................................................... 18
Figura 8. Esquema de filtración ................................................................................... 18
Figura 9. Diagrama de flujo del proceso de extracción de inulina ................................ 20
Figura 10. Diseño experimental 2^3 ............................................................................ 22
Figura 11. Diseño del proceso de extracción .............................................................. 46
Figura 12. Entrada del yacón a la reducción de partícula ............................................. 47
Figura 13. Resultado de la reducción de partícula ........................................................ 47
Figura 14. Entrada de la materia prima al extractor ..................................................... 48
Figura 15. Estructura química de los fructooligosacaridos ........................................... 48
Figura 16. Resultado de la simulación en el extractor .................................................. 49
Figura 17. Resultado de la simulación en el refinado ................................................... 49
Figura 18. Diseño experimental en el Statgraphics ...................................................... 50
Figura 19. ANOVA para el rendimiento de Inulina ..................................................... 50
Figura 20. Factores óptimos para la extracción de inulina ............................................ 51
xiv
LISTA DE GRÁFICOS
pág.
Gráfico 1. Curva de secado del yacón.......................................................................... 35
Gráfico 2. Tiempo vs. Humedad (X). .......................................................................... 35
Gráfico 3. Curvas de refinado réplica 1 ....................................................................... 44
Gráfico 4. Curvas de refinado réplica 2 ....................................................................... 44
Gráfico 5. Curvas de refinado réplica 3 ....................................................................... 45
Gráfico 6. Curva de calibración ................................................................................... 45
Gráfico 7. Efectos principales para la Inulina .............................................................. 51
Gráfico 8. Diagrama de Pareto Estandarizada para la Inulina....................................... 51
xv
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. Hoja de especificación del Estándar de Inulina ......................................... 63
ANEXO B. Reporte fotográfico .................................................................................. 64
ANEXO C. Equipo de cromatografía HPLC ............................................................... 67
ANEXO D. Reporte de inulina en la cuantificación ..................................................... 68
xvi
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE INULINA EN EL YACÓN
(Smallanthus sonchifolius) Y DISEÑO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN
RESUMEN
Obtención de inulina del yacón (Smallanthus Sonchifolius) procedente de la región de
Guayllabamba, provincia de Pichincha, mediante extracción asistida por ultrasonido.
Previo a la extracción sólido líquido en baño ultrasonido utilizando agua como solvente
y manteniendo constante la masa de yacón, se definió un diseño factorial 23 para las
siguientes variables: tiempo de extracción de 5 y 25 min, temperatura de 60 y 80 °C y
relación sólido-solvente de 1:3 y 1:7. Se utilizó cromatografía líquida de alta eficiencia
para cuantificar la cantidad de inulina en el extracto. Se realizó el diseño del proceso de
la extracción simulándolo en el programa SuperPro Designer comprobando que los
resultados experimentales son similares a los teóricos
Los resultados muestran que el yacón contiene un 21 % de inulina y las condiciones
adecuadas de extracción son: relación sólido solvente de 1:7, temperatura de 80 °C y
tiempo de extracción de 25 minutos para obtener 10 gramos de inulina cruda en el
extracto purificado a partir de 50 g de materia prima.
PALABRAS CLAVES: / INULINA / Smallanthus sonchifolius / YACÓN/
EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO / ULTRASONIDO / DISEÑO DEL PROCESO/
xvii
DETERMINATION OF INULINA IN YACON (Smallanthus sonchifolius) AND
EXTRACTION’S PROCESS DESIGN
ABSTRACT
Ultrasonic assisted extraction of Yacón inulin (Smallanthus Sonchifolius) from the
region of Guayllabamba, province of Pichincha.
Prior to the extraction of liquid solid in ultrasonic bath using water as solvent and
keeping the mass of yacon constant, a factorial design 23 was defined for the following
variables: extraction time of 5 and 25 min, temperature of 60 and 80 ° C and ratio Solid-
solvent ratio of 1: 3 to 1: 7. High-performance liquid chromatography was used to
quantify the amount of inulin in the extract. The extraction process design was
simulated using SuperPro Designer, proving that the experimental results are similar to
the theoretical ones
Results show that yacon contains 21% inulin and the appropriate extraction conditions
are: solid solvent ratio of 1: 7, temperature of 80 ° C and extraction time of 25 minutes
to obtain 10 grams of crude inulin in the extract Purified from 50 g of raw material.
KEYWORDS: / INULINA / Smallanthus sonchifolius / YACON / SOLID-LIQUID
EXTRACTION / ULTRASOUND / PROCESS DESIGN /
1
INTRODUCCIÓN
Las raíces de yacón son poco cultivadas en el Ecuador. Se desconoce su potencial
nutraceútico por lo que se la ha utilizado como alimento hidratante. Se lo encuentra en
las zonas Andinas en países como Ecuador, Perú, Colombia, Bolivia. Se caracteriza por
su sabor ligeramente dulce y color amarillo pálido. Este tubérculo a diferencia de otros
almacena la energía en forma de inulina (FOS). Diferentes estudios revelan que su
consumo reduce el riesgo de contraer enfermedades crónicas. Actúa sobre la
homeostasis en la sangre y el metabolismo de los lípidos. En la industria las raíces de
yacón se utilizan para la producción de jugos, harinas, jarabes entre otros para tratar
enfermedades crónicas y potencializar su consumo en diabéticos y en la población en
general.
La inulina es un polisacárido. Es un fructano reconocido por la industria alimenticia y
farmacéutica. Es un prebiótico que estimula el crecimiento de bacterias patógenas para
el organismo. No es digerible por las enzimas del tracto gastrointestinal humano pero si
es fermentable por las bacterias presentes en el colon. Tiene un efecto inmuno-
modulador. Se le atribuyen múltiples beneficios entre ellos está reducir el riesgo de
contraer cáncer colorrectal además de disminuir la glucosa y los lípidos presente en la
sangre. Aumenta la actividad inmunológica del organismo. Disminuye el riesgo de
enfermedades cardiovasculares.
La inulina es utilizada en la industria alimenticia para elevar el contenido de fibra
dietética en los alimentos. Se la utiliza como un suplemento o sustituto de
macronutrientes, se emplea para reemplazar grasas por su bajo índice calórico. Es
caracterizada por no alterar el sabor, el color y olor de los alimentos en los que es
utilizada. Alimentos como postres, chocolates, barras energéticas, bebidas, cárnicos,
cereales entre otros. Además tiene una amplia participación en la industria farmacéutica.
Sirve de alternativa para la cubierta de fármacos que liberan su principio activo en el
colon.
2
El objetivo principal del presente trabajo de titulación es extraer la inulina presente en el
yacón y posteriormente cuantificarla mediante cromatografía líquida de alta resolución,
dando a conocer su valor nutricional y regulador del yacón o jícama como se la conoce
en el Ecuador.
La extracción de la inulina se realiza utilizando un baño de ultrasonido el cual permitirá
liberar a la inulina con mayor facilidad. Para la extracción sólido- líquido se utiliza agua
como solvente. Las variables que influyen directamente sobre esta operación unitaria
son la temperatura (60 y 80 [°C]), la relación sólido solvente (3 y 7 [ml de agua/ g de
materia prima]) y el tiempo de extracción en el ultrasonido (5 y 25 [min]). El extracto
obtenido es sometido a una purificación mediante filtración con carbón activado e
intercambio iónico. La cuantificación se la realiza mediante cromatografía líquida de
alta resolución. Los resultados indican que el yacón producido en la provincia de
Pichincha cantón Quito, parroquia Guayllabamba contiene un 21% de inulina lo que
indica que es importante a fin de priorizar en el consumo de este tubérculo en nuestro
país Ecuador.
3
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Yacón (Smallanthus Sonchifolius). El yacón (Smallanthus sonchifolius) es una
planta herbácea perenne de la familia Asteraceae nativa de las regiones de América del
Sur. Esta planta tiene un sistema de ramificación que da lugar a tallos aéreos de 2 a
2.5m de altura. El yacón tiene raíces de diferentes formas y tamaños que se consumen
generalmente crudos suelen ser dulces y crujientes. Se estima que una planta produce
más de 10 kilos de raíces.
El yacón es una planta de fácil adaptación a diferentes cambios climáticos, altitudes y
suelos se expande en la región Andina y alrededor del mundo en países como
Argentina, Bolivia, Brasil, Perú , Ecuador, Colombia, Italia, Japón, Corea, Nueva
Zelandia y Estados Unidos. Existe una variedad de nombres comunes para el yacón
como aricoma y aricuma en Bolivia, jicama, chicama y shicama en Ecuador, y arboloco
en Colombia. Sin embargo el término español yacón, deriva de la palabra quéchua
"yaku" que significa "acuoso", es el más utilizado en todo el mundo. (Caetano, de
Moura, Almeida, Dias, Sivieri, & Barbisan, 2016)
Figura 1. Planta entera de yacón (Molano, 2012)
4
El agua es el componente más abundante de la raíz de yacón por lo general su contenido
es igual o mayor al 70% del peso fresco mientras que la mayor parte de la materia seca
consiste en fructooligosacáridos (FOS). El contenido de FOS oscila entre el 6.4% y el
70% dependiendo del cultivo y ubicación. La figura 2 resume las características
fisicoquímicas de las raíces del yacón donde las proteínas representan un 2.45% los
lípidos un 0.87 % y otros azúcares simples (glucosa, fructosa) un 2.53 %. (Caetano, de
Moura, Almeida, Dias, Sivieri, & Barbisan, 2016)
Figura 2. Características fisicoquímicas de las raíces de yacón (Caetano, de Moura,
Almeida, Dias, Sivieri, & Barbisan, 2016)
1.1.1. Propiedades benéficas del consumo del yacón. El yacón por su alto contenido
de fructooligosacáridos posee un valor nutricional muy elevado como alimento crudo,
tradicionalmente era utilizado como bebida hidrante y para calmar la sed durante el
arduo trabajo en el campo y además de ser utilizado para aliviar problemas
gastrointestinales, hepáticos y renales. También la infusión de sus hojas son útiles para
reumatismo y la mialgia. Además puede prevenir los calambres y la fatiga por su alto
contenido de potasio. (Barajas, Herreño, Mejía, Borrego, & Pombo, 2014)
5
Tabla 1. Beneficio del consumo del yacón sobre el cáncer colorrectal (Caetano, de
Moura, Almeida, Dias, Sivieri, & Barbisan, 2016)
Fuente de yacón
Investigación,
dosis aleatorizada
y duración
Propiedades de
salud Referencias
Extracto seco de
yacón
Ratones, dosis 340
mg/kg al día por 75
días
Crecimiento de
Bifidobacterias y
Lactobacilos
Bonet
Extracto seco de
yacón
Ratas, dosis 0.5 %,
1% (FOS 20.4%)
durante 13 semanas
Reducción de la
proliferación de
tumores
De Moura
Extracto acuoso de
yacón
Ratas, dosis 2.2 ml
(1% FOS) por 8
meses
Reducción de
daños en el ADN y
proliferación
celular
Almeida
Extracto seco de
yacón
Ratones, dosis 3 %,
5% FOS por 30
días
Mejora del sistema
inmunológico Delgado
Tabla 2. Beneficio del consumo del yacón sobre la diabetes (Caetano, de Moura,
Almeida, Dias, Sivieri, & Barbisan, 2016)
Fuente de
yacón
Investigación, dosis
aleatorizada y
duración
Propiedades de salud Referencias
Harina de
yacón
Ratas, dosis 340 mg/kg
al día por 90 días Incremento de insulina Habib
Extracto seco
de yacón
Ratas, dosis 6.5 % de
yacón por 5 semanas
Mejora la sensibilidad
a la insulina cuando
está en estado
resistente a la insulina
Satoh
Extracto seco
de yacón
Hombres y mujeres
longevos, dosis 7.4 g
FOS por 9 semanas
Disminución de los
niveles de glucosa Scheid
Jarabe de yacón
Mujeres
premenopáusicas y
personas con sobrepeso,
dosis 0.29 y 0.14 g FOS
por 120 días
Mejora la resistencia a
la insulina Genta
6
Tabla 3. Beneficio del consumo del yacón sobre la obesidad o sobrepeso (Caetano,
de Moura, Almeida, Dias, Sivieri, & Barbisan, 2016)
Fuente de
yacón
Investigación, dosis
aleatorizada y
duración
Propiedades de salud Referencias
Harina de
yacón
Ratas, dosis 340 mg/kg
al día por 90 días
Disminución de
lípidos en la sangre Habib
Jarabe de yacón
Mujeres pre-
menopáusicas y
personas con sobrepeso,
dosis 0.29 y 0.14 g de
FOS/kg/día por 120
días
Aumento de la
frecuencia de
defecación y sensación
de saciedad
Genta
Extracto seco
de raíces de
yacón
Ratas, dosis 340 mg y
6800 mg FOS por 4
meses
Disminución de los
triglicéridos Genta
Extracto acuoso
de raíces de
yacón
Ratas, dosis 1ml por
cada kg del peso de la
rata, dosis 4.30 g/100 g
de fructanos por 7
semanas
Efectos positivos
sobre los triglicéridos
y el colesterol
Roselino
Jarabe de yacón Individuos sanos, dosis
6.4 g FOS al día
Acelera el tránsito
colónico Geyer
1.1.2. Aplicaciones e importancia del yacón en la industria. Recientes estudios
demuestran que el alto contenido de FOS en las raíces de yacón ofrece beneficios como
reducir el índice glicémico, el peso corporal y el riesgo de cáncer de colon. Por lo tanto
el potencial nutraceútico de las raíces de yacón causa gran interés como suplemento
diabético. Recientes estudios evidencian los beneficios del consumo del yacón sobre el
cáncer colorrectal, la diabetes y el sobrepeso las siguientes tablas muestran los estudios
realizados. (Caetano, de Moura, Almeida, Dias, Sivieri, & Barbisan, 2016).
En la industria alimentaria se lo está usando de forma deshidratada para obtener harina
debido a que su consumo reduce el índice de calorías y sus múltiples beneficios ya antes
mencionados, en la preparación de postres como: galletas, pasteles, apanaduras entre
otros. Se está llevando a cabo la comercialización del yacón en la producción de jugos
que puede ser fácilmente incorporado en la dieta diabética y de la población en general.
7
En Japón a principios de los 90, desarrollaron una planta de producción industrial de
bebidas de yacón, donde este jugo se utiliza como edulcorante en fórmulas listas para
beber. Hisae et al. (1996) patentó un método para preparar bebida nutricional de la
leche desnatada fermentada y jugo de yacón por la acción de bacterias de ácido láctico
(Lactocacillus plantarum). Numerosos estudios han sido y están siendo desarrollados en
el ámbito de la tecnología de los alimentos que utiliza yacón y sus derivados. (Gusso,
Mattana, & Richards, 2015)
1.1.3. Cultivo de yacón en el Ecuador. En nuestro país, esta especie se cultiva desde
los 2 100 hasta los 3 000 msnm, a lo largo de la zona andina. Puede encontrarse
asociada con otros cultivos indígenas típicos de este piso altitudinal, como son el
melloco, la mashua y la oca. Ha sido reportada en orden de importancia en las
provincias de Loja, Azuay, Cañar y Bolívar (NRC, 1989). El crecimiento temprano es
rápido. El período vegetativo dura alrededor de siete meses y se pueden alcanzar
rendimientos de raíces de hasta 38 t/ha (tonelada/hectárea), aunque, según Nieto (1988),
el potencial productivo de esta especie es muy significativo, ya que se pueden alcanzar
rendimientos de raíces superiores a las 70 t/ha. Aunque es una planta de fácil adaptación
ya que se han visto cultivos en la costa, valles interandinos y altas montañas. (Cajas,
Oviedo, & Paredes, 2012)
Las partes utilizables de la jícama como se conoce en Ecuador al yacón son sus raíces
son tuberosas, análisis bromatológico realizados determinan un 70-90 % de agua y, en
100 g de materia seca, un 5 % de proteína, 3 % de fibra, 4 % de ceniza y 85 % de
carbohidratos. Un aspecto interesante de este cultivo es que, a diferencia de otras raíces
y tubérculos que almacenan carbohidratos en forma de almidón (polímero de glucosa),
esta especie lo hace en forma de inulina (polímero de fructuosa) (FAO, 1992; Zardini,
1991). Los contenidos de fructuosa en las raíces son muy altos en esta especie y, por
ello, podría ser considerada como una fuente azucarera en zonas andinas. Otro de los
potenciales usos de la especie es el forrajero; se puede alimentar al ganado con los tallos
y las hojas, que contienen entre 11 % y 17 % de proteína (FAO, 1990). (Barrera, Tapia,
& Monteros, 2003)
8
1.2. Prebióticos. El concepto de prebiótico fue introducido por primera vez en 1995
“Dietary modulation of the colonic microbiota: Introducing the concept of prebiotics.
(Gibson & Roberfroid, 1995). Y ha sido revisado sucesivamente en trabajos como
“Towards a more comprehensive concept for prebiotics.” (Bindels, 2015) . De acuerdo
con estos autores prebiótico es: “Un compuesto no digerible que a través de su
metabolización por los microorganismos en el intestino, modula la composición y/o
actividad de la microbiota intestinal, confiriendo así un efecto fisiológico beneficioso al
huésped”. Según esta última actualización se consideran prebióticos a: la inulina, los
fructooligosacáridos (FOS), la leche materna y los galactooligosacáridos (GOS).
(Bindels, 2015)
Figura 3. Prebióticos en el organismo (Caetano, de Moura, Almeida, Dias,
Sivieri, & Barbisan, 2016)
1.2.1. Características de los prebióticos. Para que una sustancia (o grupo de
sustancias) pueda ser definida como tal debe ser capaz de estimular selectivamente el
crecimiento de las bacterias intestinales. Según los criterios propuestos por la FAO
(Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura) un
prebiótico debe tener las siguientes características:
9
Componente: un compuesto o sustancia que puede caracterizarse químicamente más
no un organismo o fármaco normalmente presentado como un componente de grado
alimenticio.
Beneficio para la salud: un compuesto o sustancia debe resistir la digestión en el
estómago y en el intestino delgado.
Modulación: un compuesto o sustancia debe promover cambios relacionados con la
salud en la composición y / o actividades de la microbiota del colon.
1.2.1.1. Fructano. Los fructanos son carbohidratos naturales formados por polímeros de
fructosa derivados de la molécula de la sacarosa. Los fructanos poseen diferentes
estructuras y longitudes de cadena y una gran variedad de enlaces glucosídicos y de
residuos fructosil; son solubles en agua y no son azúcares reductores. No existe una
forma única de clasificar a los fructanos, lo que ha creado cierta confusión sin embargo
con fines del presente trabajo y tomando como referencia a Greg Kelly, ND., 2008.
Inulin-Type Prebiotics-A Review: Part 1. Los fructanos se clasifican en dos grandes
grupos: digeribles (formados por enlace α) y los no digeribles, en los que prevalecen los
enlaces β, independientemente de su origen natural o artificial.
1.2.1.2. ¿Qué es la inulina? La inulina es un término genérico, con el cual se
identifican los fructanos lineales, en los que las unidades de fructosa se unen por enlaces
. Un fructano tipo inulina (ITF) designa un fructano de origen natural, que no
ha sido sometido a ningún tratamiento químico o enzimático adicional. En la naturaleza
la inulina consiste en una mezcla de polisacáridos compuesta por cadenas de 20-30
unidades de fructosa unidas por enlaces β(2-1) de fructosil fructosa de diversas
longitudes con una molécula de glucosa al final de cada cadena de fructosa. Es
producida por muchas plantas como material de reserva energética. (Madrigal &
Sangronis, La inulina y derivados como ingredientes claves en alimentos funcionales,
2007)
10
Figura 4. Estructura química de la Inulina con una molécula terminal de glucosa
(β -D-glucopiranosil) (A) y con una molécula terminal de fructosa (β -D-
fructopiranosil) (B) (Madrigal & Sangronis, Archivos Latinoamericanos de
nutrición, 2007)
1.2.1.3. ¿Qué es un fructooligosacárido? Los fructooligosacaridos pertenecen al grupo
de los fructanos. Se producen cuando una glucosa terminal y una cadena lineal de
fructuosas de 2 a 9 unidades unidas por un enlace β (2-1) como se observa en la figura
5. No son digeribles por el organismo humano. Las cadenas pueden estar formadas por
20 a 60 monómeros de fructuosas y a estas se las conoce como inulina. (López, 2007)
Figura 5. Estructura química de los fructooligosacaridos (López, 2007)
11
Los FOS tienen un sabor dulce además de tener mayor solubilidad respecto a la
sacarosa, entre sus principales características están que no precipitan, no cristalizan y
pueden ser usados por la industria alimenticia para el reemplazo de azúcar o grasas.
1.2.1.4. Microbiota. Está constituida por el conjunto de microorganismos que colonizan
establemente la superficie epidérmica y la de las mucosas. En general, la relación es
mutualista (beneficiosa para los dos socios de la simbiosis) pero puede llegar a ser
parasitaria como consecuencia de disfunciones de la respuesta inmunitaria. Las
principales funciones son tres y actúan constantemente, razón por la cual,
paradójicamente, pasan desapercibidas:
a) Suministro de nutrientes esenciales, como las vitaminas y algunos aminoácidos,
cuya necesidad de ingestión se modera gracias a los producidos por la microbiota
indígena.
b) Desarrollo del sistema inmunitario: Las bacterias en general y las de la microbiota
de ocupación en particular, presentan en su superficie componentes que contribuyen
a la puesta a punto de nuestras defensas frente a la infección. Por tanto, el contacto
continuo entre ellas y el sistema inmunitario es una especie de entrenamiento que lo
mantiene en buena forma para poder repeler con eficacia a los agentes infecciosos.
c) Antagonismo microbiano: Se refiere a la capacidad de impedir el asentamiento de
microorganismos foráneos, potencialmente patógenos, sobre nuestras mucosas.
(Suárez, 2013)
1.3. Extracción de inulina industrial. La producción industrial de la inulina a partir
del yacón se la realiza en Perú donde se recolecta las raíces de yacón para luego ser
sometidas en primer lugar a un lavado y pelado y después pasar a su desinfección
donde es reducido su tamaño de partícula, a continuación se las coloca en una solución
de ácido ascórbico al 1% para evitar el pardeamiento enzimático, luego se realiza la
extracción en agua caliente a 70°C y se realiza dos filtraciones para obtener un jarabe el
mismo que pasa por una serie de tanques donde se someten a evaporación a una
temperatura de 80° C, finalmente el jarabe va a un equipo de cristalización para obtener
la inulina blanca con un ligero sabor dulce. (Vargas, 2015)
12
Figura 6. Extracción de inulina
1.3.1. Fuentes de extracción de inulina
Tabla 4. Contenido de inulina (% en peso fresco) de plantas que son comúnmente
usadas en la nutrición humana. (Franck & De Leenheer, 2005)
Fuente Parte comestible Contenido de
sólidos secos
Contenido de
Inulina
Cebolla Bulbo 6-12 2-6
Alcachofa de Jerusalén Tubérculo 19-25 14-19
Achicoria Raíz 20-25 15-20
Puerro Bulbo 15-20 3-10
Ajo Bulbo 40-45 9-16
Alcachofa Hojas - corazón 14-16 3-10
Banana Fruta 24-26 0.3-0.7
Centeno Cereal 88-90 0.5-1
Cebada Cereal NA 0.5-1.5
Diente de león Hojas 50-55 12-15
Bardana Raíces 21-25 2.4-4.0
Camas Bulbo 31-50 12-22
Mumong Raíz 25-28 8-13
Yacón Raíz 13-31 3-27
Salsifí Raíz 20-22 4-11
Raíces de
yacón
Lavado y pelado
Reducción Extracción
Filtración
Evaporación Cristalización
Evaporación
Inulina
13
1.3.2. Producción a nivel regional. La producción industrial de la inulina y sus
derivados se obtiene exclusivamente de la raíz de la achicoria en otros países como
Chile, pero en Ecuador no existen reportes de su producción a escala industrial a partir
de las diferentes fuentes de materia prima.
1.3.3. Acondicionamiento de la materia prima. Las raíces de yacón previamente
peladas pasan a un proceso de desinfección con etanol a una concentración de 0.1 M a
continuación se cortan en rodajas y posteriormente se reduce el tamaño de partículas se
les añade ácido ascórbico para evitar la oxidación enzimática.
1.3.4. Extracción sólido líquido. La extracción sólido líquido consiste en la disolución
de un componente o grupo de componentes que forman parte de un sólido, empleando
un disolvente adecuado en el que es insoluble el resto del sólido, que se denomina
inerte. Para llevar a cabo el proceso es necesario:
a) Contacto del disolvente con el sólido
b) Separación de la disolución y el resto del sólido
La disolución separada se denomina flujo superior o extracto; recibiendo el nombre de
refinado o flujo inferior el inerte acompañado de la disolución o solvente retenida por el
mismo. (Ocon & Tojo, 1980)
1.3.5. Baño ultrasonido. Los métodos convencionales de extracción líquido-sólido son
laboriosos, consumen mucho tiempo y con frecuencia requieren grandes volúmenes de
disolventes orgánicos. Sin embargo, hoy en día, la tendencia es utilizar disolventes
menos contaminantes. Una de las técnicas de extracción no convencional es la
extracción asistida por ultrasonido (USAE, por sus siglas en inglés), es un proceso que
ha adquirido interés particular por la comunidad científica mundial. Esta tecnología ha
resultado de interés para obtener antioxidantes de fuentes vegetales, proteínas, azúcar,
almidones, aceites, sabores y fragancias (hierbabuena, lavanda, vainilla, etc.). Entre las
ventajas de esta tecnología de extracción se puede mencionar el mejoramiento en la
eficiencia de la extracción, son procesos más rápidos, se puede reducir la temperatura
del proceso y se favorece la disolución de los compuestos de interés.
14
Si el proceso se lleva a cabo a temperaturas altas (ejemplo en la extracción de
compuestos no volátiles y/o no termolábiles), se mejora la solubilidad de los analitos en
el disolvente y se facilita su difusión desde la matriz de la muestra al medio líquido
exterior. Por otro lado, el aumento de la presión local (debida al choque de las ondas
ultrasónicas) facilita tanto la penetración del disolvente en la matriz de la muestra como
el proceso de transporte de los compuestos de interés. Además, la implosión de las
burbujas de cavitación puede golpear la superficie de la matriz sólida y desintegrar
células vegetales en procesos de extracción de productos naturales, como consecuencia
de estos efectos, la extracción se realiza en menos tiempo que en los procesos de
extracción convencionales (Veillet, Tomao, & Chemat, 2010)
1.3.6. Purificación. La purificación es un proceso para eliminar residuos que se pueden
encontrar presentes en el extracto que no sean partes de la inulina tales como colorantes
o diferentes residuos por lo que se realiza una filtración utilizando carbón activado y
después la solución es sometida a un intercambio iónico mediante resinas iónicas para
captar y eliminar cationes y aniones que se encuentren en la solución.
1.3.7. Técnicas cuantitativas y cualitativas para determinación de inulina. Existen
diferentes tipos de técnicas cuantitativas para identificar la inulina una de ellas es el
método de cromatografía en capa fina donde se coloca el solvente que se compone de
butanol, isopropanol, agua y ácido acético (7:5:4:2), la solución reveladora contiene
anilina, difenilamina, ácido fosfórico y acetona (1:1:5:50), finalmente la placa se
calienta a 85 °C durante 10 min. Para la identificación se usa una placa de sílica gel con
base en aluminio. Como muestra patrón se puede utilizar una solución de inulina pura
en polvo.
Otra de las técnicas para identificación cuantitativa se realiza a través de la técnica de
refractometría, la misma que ayuda a estimar el porcentaje de inulina presente en los
diferentes extractos obtenidos del material vegetal para cada experimento realizado.
(Arango, Cuarán, & Fajardo, 2008)
15
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Metodología
El presente trabajo de investigación se realizó tomando como referencia estudios
previos realizados en la Facultad de Ingeniería Química, “Extracción y cuantificación de
inulina a partir del ajo”, Maritza Fuertes, 2014.
2.2. Ubicación del área de investigación
El desarrollo de la parte experimental se lo ejecutó en el laboratorio de investigación de
biorrecursos A-212 de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del
Ecuador, provincia de Pichincha en la ciudad de Quito. La ubicación geográfica de este
sector corresponde a la estación INAMHI-Iñaquito y presenta los siguientes datos
metereológicos:
Altitud: 2789 msnm
Latitud geográfica: 00° 10´42” S
Longitud geográfica: 78° 29’ 16” W
Temperatura máxima: 21°C
Temperatura mínima: 11.3 °C
Temperatura media mensual: 15.3°C
Fuente: Instituto Nacional Meteorológico e Hidrología (INAMHI)- Estación Iñaquito
2.3. Materia prima
Yacón (Smallanthus sonchifolius)
16
2.4. Materiales y equipos
HPLC Waters Alliance e2695 acoplado al detector de índice de refracción IR2414
Columna Shodex Sugar KS-806
Vasos de precipitación V=600 mL Ap+ 50 mL
Pipetas V=25 mL Ap+ 0.1 mL
Probeta V=50 mL Ap± 1 mL
Termómetro Rango= 0-100 °C Ap± 1 °C
Balanza analítica 0-2000g Rango= 0-2000 g Ap± 0.0001g
Matraz kitasato V= 500 mL
Cronómetro Ap± 0.001 s
Ralladora
Embudo Büchner Ø= 10 cm
Estufa Memmert Rango= 0-220 °C
Agitador mecánico Rango= 280 – 2800 rpm Ap± 192 rpm
Sistema de filtración a vacío
Baño de ultrasonido Rango= 500 – 800 W Ap± 100 W
Soporte universal
Mangueras
Papel filtro
Cuchillo
Fundas plásticas
Vidrio reloj
Pera
Balones de vidrios aforados de 100 y 200 ml
2.5. Sustancias y reactivos
Agua destilada H2O (l)
Etanol C2H5OH (l) 0.1M
Estandar de inulina >95% pureza (Prov. Megazime)
Ácido ascórbico C6H8H6 (s)
17
2.6. Procedimiento para obtención de inulina a partir de yacón Smallanthus
sonchifolius
2.6.1. Procedimiento previo a la extracción de inulina
2.6.1.1. Adquisición de la materia prima. Adquirir comercialmente el Smallanthus
sonchifolius de un pequeño comerciante (COTEG) de la parroquia de Guayllabamba
perteneciente al cantón Quito, en la provincia de Pichincha, ubicada a aproximadamente
a 25 km de la capital del Ecuador.
2.6.1.2. Lavado. Lavar los tubérculos con abundante agua y posteriormente someter a
un segundo lavado de desinfección con una solución de etanol 0.1 M.
2.6.1.3. Reducción del tamaño de partícula. Reducir el tamaño del yacón utilizando
un rallador hasta lograr un tamaño uniforme de partícula hasta un diámetro de 5 a 6 mm
2.6.2. Procedimiento en la extracción de inulina
2.6.2.1. Extracción sólido-líquido. Mediante esta operación unitaria se procede a
extraer la inulina cruda del yacón.
Pesar 50 g de materia prima yacón Smallanthus Sonchifolius lavada, desinfectada, y
de tamaño de partículas reducido; colocar dentro de un vaso de precipitación.
Adicionar agua destilada al vaso de precipitación de acuerdo a las relaciones másicas
solvente: sólido establecidas en el diseño factorial.
Acoplar el vaso de precipitación con el agitador en el equipo de ultrasonido, para
proceder a la extracción.
Establecer temperatura en el baño de ultrasonido hasta alcanzar las temperaturas
establecidas dentro del diseño factorial elegido.
Encender y apagar el conjunto hasta alcanzar el tiempo de extracción establecido
dentro del diseño factorial elegido.
18
Figura 7. Esquema de extracción sólido-líquido
2.6.2.2. Filtración. Utilizando una bomba de vacío, un kitasato, un embudo büchner,
papel filtro, mangueras y un recipiente de vidrio con tapa a manera de trampa de vapor,
armar el equipo de filtración a vacío de acuerdo al siguiente esquema.
Figura 8. Esquema de filtración
Encender el equipo y filtrar la solución obtenida de la operación de extracción
sólido-líquido en el paso anterior.
Filtrar el extracto del yacón y medir el volumen. Pesar la masa de refinado, dejarlo
secar a una temperatura de 65°C por 24 horas y luego pesar la masa de torta seca.
Filtrar el extracto por un filtro de carbón activado.
19
2.6.2.3. Intercambio iónico. La solución filtrada del extracto de inulina debe pasar por
resinas aniónicas y catiónicas para que la solución quede libre de cualquier ión.
2.6.2.4. Determinación del contenido de inulina por cromatografía HPLC
Preparación de la fase móvil: Desinfectar el envase y filtrar el agua tipo I a través de
un filtro de membrana de 0.45 µm, desgasificar con el equipo ultrasonido durante un
tiempo de 5 minutos y colocar en el reservorio.
Encender y acondicionar el equipo: realizar la limpieza de sellos, purgar las líneas en
seco y húmedo y finalizar con la purga del inyector.
Colocar la columna SHODEX KS-806 en el horno del equipo, lavar por media hora
la columna utilizando agua tipo 1 para acondicionarla antes de usarla.
Ingresar las condiciones del método de inulina: Fase móvil A: agua tipo I.
Temperatura de la columna 85°C, temperatura del detector 40°C. Flujo de la fase
móvil 1.0 ml/min en elución isocrática.
Equilibrar el sistema y la columna hasta que el horno que aloja la columna y el
detector alcancen las temperaturas que se fijaron en el método.
Para calibrar el equipo: preparar soluciones estándar de inulina Megazyme (>95 %
Pureza) en concentraciones de 0.5 mg/ml, 1.0 mg/ml, 2.5 mg/ml, 5.0 mg/ml, y
10mg/ml.
Colocar las soluciones estándar en los viales a través de los filtros de 0.45 µm usando
las jeringuillas.
Se realizarán 3 mediciones de inulina por cada experimentación, es decir, por cada
combinación de las variables de proceso, colocar las muestras de extracto purificado
en los viales a través de los filtros hidrofílicos de 0.45 µm.
Programar la secuencia de inyección: primero los estándares de la curva de
calibración, seguidos de las muestras y al final nuevamente la reinyección de un
estándar inicial.
Finalizado el análisis, procesar los datos obtenidos y determinar la cantidad de inulina
contenida en el extracto purificado.
21
2.7. Diseño experimental
En el trabajo experimental se detalla el proceso de obtención de la inulina a partir del
yacón Smallanthus sonchifolius donde se prepara la materia prima y posteriormente se
procede a trabajar mediante la operación unitaria de extracción sólido líquido en la cual
se consideran que los factores que afectan la velocidad de extracción son: el tamaño de
la partícula, la relación materia prima- solvente, la temperatura, la agitación y el tiempo
de extracción. Estos factores fueron analizados y los más relevantes son: la relación
materia prima-solvente, la temperatura y el tiempo, los otros factores se los denomina
accesorios y estos deben ser fijados y aleatorizados.
Una vez obtenido el extracto ya purificado, se cuantifica el contenido de inulina
mediante el uso de cromatografía líquida de alta resolución. Tomando como referencia
la literatura existente, específicamente en el trabajo “Extracción, cristalización y
caracterización de inulina a partir de yacón para su utilización en la industria
alimentaria y farmacéutica” realizado por Arango, Cuaran y Fajardo en el año 2008,
Pasto- Colombia, se consideró escoger los siguientes límites inferior y superior para las
variables de operación del diseño experimental 2^3
Relación solvente-materia prima: mínimo 3:1 y máximo 7:1
Temperatura: mínimo 60°C y máximo 80°C.
Tiempo de extracción: mínimo 5 minutos y máximo 25 minutos (debido al efecto del
ultrasonido).
2.7.1. Variable de respuesta. Variable con la cual se conocen los resultados de cada
uno de los experimentos que conforman la matriz de diseño experimental, donde la
variable de respuesta será el rendimiento de inulina obtenida a diferentes condiciones
que resulten de la combinación de las variables de operación en sus distintos niveles.
2.7.2. Variables de operación. Llamadas también variables de proceso, son aquellas
que se pueden fijar a un determinado valor que se le quiera colocar o asignar, estas se
pueden controlar a lo largo de la operación de extracción sólido- líquido como son la
relación solvente-materia prima, el tiempo de extracción y la temperatura manteniendo
una base de cálculo de 50 g de yacón que ingresan a la operación unitaria.
22
El diseño experimental utilizado es 2^3 dando 8 experimentos base donde se realizaron
2 réplicas adicionales (total 3 experimentos por punto del diseño) dando como resultado
un total de 24 experimentos.
Figura 10. Diseño experimental 2^3
Donde:
r= Relación solvente materia prima
m= Tiempo [min]
t= Temperatura [°C]
Este diseño factorial se lo realiza con ayuda del programa Statgraphics Centurión XVI
en el cual se efectuó el estudio estadístico
23
3. DATOS EXPERIMENTALES
3.1. Datos para la construcción de la curva de secado del yacón
Tabla 5. Datos de secado yacón
Tiempo, min Masa 1, g
0 80.0
60 71.2
120 64.0
180 58.7
240 54.9
300 51.1
360 47.3
420 43.5
480 39.6
540 35.8
600 32.6
660 29.1
720 27.1
780 26.1
1440 23.1
1500 23.0
1560 23.0
3.2. Datos de la extracción de inulina del yacón
Tabla 6. Extracción de inulina a Temp= 60°C, réplica 1
M, g T, min Rel solv/mp Vol, ml Ext, ml Ref, g Mts, g
50
5 3 150 153 20.140 12.472
5 7 350 351 20.210 9.671
25 7 350 356 20.110 8.721
25 3 150 148 20.200 10.913
Tabla 7. Extracción de inulina a Temp= 80°C, réplica 1
M,g T, min Rel solv/mp Vol, ml Ext, ml Ref, g Mts, g
50
25 3 150 152 20.110 9.857
5 7 350 352 20.100 5.572
5 3 150 152 20.970 11.456
25 7 350 353 21.220 4.541
24
Tabla 8. Extracción de inulina a Temp= 60°C, réplica 2
M, g T, min Rel solv/mp Vol, ml Ext, ml Ref, g Mts, g
50
25 3 150 151 20.120 12.456
5 7 350 353 20.220 9.507
25 7 350 349 20.110 8.983
5 3 150 148 20.189 10.879
Tabla 9. Extracción de inulina a Temp= 80°C, réplica 2
M, g T, min Rel solv/mp Vol, ml Ext, ml Ref, g Mts, g
50
25 3 150 147 20.110 9.874
5 7 350 351 20.060 5.334
5 3 150 152 20.990 11.367
25 7 350 352 21.287 4.098
Tabla 10. Extracción de inulina a Temp= 60°C, réplica 3
M, g T, min Rel solv/mp Vol, ml Ext, ml Ref, g Mts, g
50
5 3 150 151 20.130 12.478
5 7 350 351 20.200 9.576
25 7 350 350 20.100 8.876
25 3 150 150 20.200 10.798
Tabla 11. Extracción de inulina a Temp= 80°C, réplica 3
M, g T, min Rel solv/mp Vol, ml Ext, ml Ref, g Mts, g
50
25 3 150 148 20.100 9.901
5 7 350 349 20.000 5.542
5 3 150 151 21.090 11.301
25 7 350 349 21.300 4.302
Donde:
Mts= masa torta seca [g]
Vol= volumen [ml]
Ref= refinado [g]
Ext= extracto [g]
Rel solv/mp= relación solvente/materia prima
25
3.3. Datos de la purificación del extracto del yacón
Tabla 12. Purificación del extracto del yacón réplica 1
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext, ml Ext Puro, ml
60
5 3 153 147.7
5 7 351 351.8
25 7 356 355.9
25 3 148 152.5
80
25 3 152 151.7
5 7 352 350.3
5 3 152 151.9
25 7 353 352.8
Tabla 13. Purificación del extracto del yacón réplica 2
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext, ml Ext Puro, ml
60
5 3 151 149.7
5 7 351 348.8
25 7 350 349.9
25 3 150 150.5
80
25 3 148 147.7
5 7 349 350.3
5 3 151 150.9
25 7 349 348.8
Tabla 14. Purificación del extracto del yacón réplica 3
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext, ml Ext Puro, ml
60
5 3 151 150.7
5 7 353 350.8
25 7 349 348.9
25 3 148 147.5
80
25 3 147 146.7
5 7 351 352.3
5 3 152 151.9
25 7 352 351.8
Donde:
Ext Puro= extracto puro
26
3.4. Datos cuantificación de inulina en el extracto purificado
Tabla 15. Cuantificación de inulina réplica 1
Temp, °C T, min Rel sol/mp Ext Puro,ml HPLC1, mgI/ml Ext Puro
60
5 3 147.7 11.735
5 7 351.8 11.740
25 7 355.9 12.234
25 3 152.5 18.099
80
25 3 151.7 29.101
5 7 350.3 25.159
5 3 151.9 11.998
25 7 352.8 26.618
Tabla 16. Cuantificación de inulina réplica 2
Temp, °C T, min Rel sol/mp Ext Puro,ml HPLC2, mgI/ml Ext Puro
60
5 3 150.7 11.316
5 7 350.8 11.395
25 7 348.9 11.927
25 3 147.5 18.232
80
25 3 146.7 27.883
5 7 352.3 26.135
5 3 151.9 11.592
25 7 351.8 29.606
Tabla 17. Cuantificación de inulina réplica 3
Temp, °C T, min Rel sol/mp Ext Puro,ml HPLC3, mgI/ml Ext Puro
60
5 3 149.7 11.045
5 7 348.8 11.945
25 7 349.9 12.372
25 3 150.5 18.998
80
25 3 147.7 26.090
5 7 350.3 24.778
5 3 150.9 12.030
25 7 348.8 26.140
27
4. Datos Adicionales
4.1. Densidad del agua
Tabla 18. Densidad del agua a una temperatura de 20°C (Perry, Green, &
Maloney)
Temp, °C ρ , g/ml
20 0.9982
28
5. CÁLCULOS
5.1. Cálculo de la humedad del yacón
(1)
Donde:
= humedad del yacón [g de agua / g de sólido seco]
= peso del producto [g]
= peso del sólido seco [g]
Cálculo modelo:
5.2. Cálculo de la masa de agua evaporada del yacón
(2)
Donde:
F= alimentación de yacón [g]
Mys= masa de yacón seco [g]
MH2O= (80 – 23) g = 57 g de agua
5.3. Cálculo de la relación solvente- materia prima
(3)
Donde:
Rel sol/mp = relación solvente materia prima [g]
29
Cálculo modelo:
5.4. Calculo de la cantidad de agua retenida en el refinado
(4)
Donde:
aret=agua retenida [g]
Ref=refinado [g]
Mts= masa torta seca [g]
Cálculo modelo:
5.5. Cálculo del volumen de agua retenida en el refinado
(5)
Donde:
Varet=volumen de agua retenida en el refinado [ml]
=densidad del agua [g/ml]
aret=agua retenida en el refinado [g]
Calculo modelo:
30
5.6. Cálculo de la cantidad de agua retenida en la purificación
(6)
Donde:
Aretp=agua retenida en la purificación [ml]
Ext= extracto [ml]
Ext puro = Extracto puro [ml]
Cálculo modelo:
5.7. Cálculo de la concentración promedio de inulina medida en el HPLC
(7)
Donde:
: Concentración promedio de inulina medida en el HPLC [mg I/ml ExtPuro]
HPLC1: Concentración de la 1ra medida de inulina en el HPLC [mg I/ml ExtPuro]
HPLC2: Concentración de la 2da medida de inulina en el HPLC [mg I/ml ExtPuro]
HPLC2: Concentración de la 3ra medida de inulina en el HPLC [mg I/ml ExtPuro]
Cálculo modelo:
5.8. Cálculo de la cantidad de inulina en el extracto purificado
(8)
31
Donde:
= Cantidad de inulina en el extracto [g]
HPLC=Concentración de inulina en el HPLC [mg/ml]
Cálculo modelo:
5.9. Cálculo de la cantidad de inulina en el refinado
(9)
Donde:
= Cantidad de inulina en el refinado [g]
HPLC=Concentración de inulina en el HPLC [mg/ml]
Varet= Volumen de agua retenida en el refinado [ml]
Cálculo modelo:
5.10. Cálculo de la cantidad de inulina retenida en la purificación
(10)
Donde:
=Inulina retenida en la purificación [g]
= Volumen de agua retenida en la purificación [ml]
32
Cálculo modelo:
5.11. Cálculo de la cantidad y porcentaje de inulina en el yacón
(11)
Donde:
= Cantidad de inulina en el extracto [g]
= Cantidad de inulina en el refinado [g]
=Inulina retenida en la purificación [g]
Cálculo modelo:
5.12. Cálculo del porcentaje de inulina en el yacón
(12)
Donde:
= Porcentaje de Inulina
= Masa de yacón [g]
Cálculo modelo:
33
5.13. Cálculo de las coordenadas para el trazado de la curva de refinado en el
diagrama triangular de extracción sólido-líquido
(13)
Donde:
= Valores de la abscisa
=Inulina en el refinado [g]
Ref = Refinado [g]
Cálculo modelo:
(14)
Donde:
y= Valores de la ordenada
aret = Agua retenida en el refinado [g]
Ref = Refinado [g]
Cálculos modelo:
34
6. RESULTADOS
6.1. Resultados de la curva de secado del yacón con tres réplicas
Tabla 19. Resultados curva de secado del yacón
T, min M 1, g M 2, g M 3, g M media, g X,
0 80.0 80.0 80.0 80.0 0.713
60 71.2 75.1 72.6 73.0 0.625
120 64.0 70.2 67.1 67.1 0.551
180 58.7 65.6 63.2 62.5 0.494
240 54.9 57.2 56.1 56.1 0.413
300 51.1 53.4 52.0 52.2 0.365
360 47.3 48.3 47.9 47.8 0.310
420 43.5 43.5 43.2 43.4 0.255
480 39.6 40.1 39.7 39.8 0.210
540 35.8 36.9 36.7 36.5 0.168
600 32.6 33.5 33.1 33.1 0.126
660 29.1 29.7 29.3 29.4 0.080
720 27.1 27.3 26.0 26.8 0.048
780 26.1 26.9 26.8 26.6 0.045
1440 23.1 23.3 23.1 23.2 0.002
1500 23.0 23.0 23.0 23.0 0.000
1560 23.0 23.0 23.0 23.0 0.000
Donde:
T= tiempo, [min]
M1= masa de yacón 1, [g]
M2= masa de yacón 2, [g]
M3= masa de yacón 3, [g]
M media= masa promedio de yacón, [g]
X= humedad, [
]
35
Gráfico 1. Curva de secado del yacón
Gráfico 2. Tiempo vs. Humedad (X)
6.2. Resultados de la relación de solvente materia prima
Tabla 20. Resultados de la relación solvente/materia prima
M, g Vol, ml Rel solv/mp
50 150 3
350 7
Donde:
M= masa de yacón, g
Vol= volumen de agua, ml
y = 4E-05x2 - 0,1034x + 79,24 R² = 0,9973
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 500 1000 1500 2000
Mas
a,g
Tiempo, min
Rep 1
Rep 2
Rep 3
Polinómica (Rep 3)
y = 3778,4x2 - 4220,6x + 1232,7 R² = 0,8534
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 0,2 0,4 0,6 0,8
Tiem
po
, min
Humedad, (kg de agua/kg solido seco)
Series1
Polinómica (Series1)
36
6.3. Resultados de la cantidad de agua retenida en el refinado
Tabla 21. Cantidad de agua retenida en el refinado réplica 1
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ref, g Mts, g aret,g
60
5 3 20.140 12.472 7.668
5 7 20.210 9.671 10.539
25 7 20.110 8.721 11.389
25 3 20.200 10.913 9.287
80
25 3 20.110 9.857 10.253
5 7 20.100 5.572 14.528
5 3 20.970 11.456 9.514
25 7 21.220 5.541 15.679
Tabla 22. Cantidad de agua retenida en el refinado réplica 2
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ref, g Mts, g aret,g
60
5 3 20.110 12.456 7.654
5 7 20.220 9.507 10.713
25 7 20.120 8.983 11.137
25 3 20.189 10.879 9.310
80
25 3 20.110 9.874 10.236
5 7 20.060 5.334 14.726
5 3 20.990 11.367 9.623
25 7 21.287 4.098 17.189
Tabla 23. Cantidad de agua retenida en el refinado réplica 3
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ref, g Mts, g aret,g
60
5 3 20.130 12.472 7.658
5 7 20.200 9.576 10.624
25 7 20.100 8.876 11.224
25 3 20.200 10.798 9.402
80
25 3 20.100 9.901 10.199
5 7 20.000 5.542 14.458
5 3 21.090 11.301 9.789
25 7 21.300 4.302 16.998
37
6.4. Resultados del volumen de agua retenida en el refinado
Tabla 24. Volumen de agua retenida en el refinado réplica 1
Temp, °C T, min Rel solv/mp ρH2O, g/ml aret, g V aret, ml
60
5 3
0.9982
7.668 7.681
5 7 10.539 10.558
25 7 11.389 11.409
25 3 9.287 9.303
80
25 3 10.253 10.271
5 7 14.528 14.554
5 3 9.514 9.531
25 7 15.679 15.707
Tabla 25. Volumen de agua retenida en el refinado réplica 2
Temp, °C T, min Rel solv/mp ρH2O, g/ml aret, g V aret, ml
60
5 3
0.9982
7.654 7.668
5 7 10.713 10.732
25 7 11.137 11.157
25 3 9.310 9.326
80
25 3 10.236 10.254
5 7 14.726 14.752
5 3 9.623 9.640
25 7 17.189 17.219
Tabla 26. Volumen de agua retenida en el refinado réplica 3
Temp, °C T, min Rel solv/mp ρH2O, g/ml aret, g V aret, ml
60
5 3
0.9982
7.658 7.671
5 7 10.624 10.643
25 7 11.224 11.244
25 3 9.402 9.419
80
25 3 10.199 10.217
5 7 14.458 14.484
5 3 9.789 9.807
25 7 16.998 17.028
38
6.5. Resultados de la cantidad de agua retenida en la purificación
Tabla 27. Cantidad de agua retenida en la purificación réplica 1
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext, ml Ext Puro, ml Aretp, ml
60
5 3 148 147.7 0.3
5 7 352 351.8 0.2
25 7 356 355.9 0.1
25 3 153 152.5 0.5
80
25 3 152 151.7 0.3
5 7 351 350.3 0.7
5 3 152 151.9 0.1
25 7 353 352.8 0.2
Tabla 28. Cantidad de agua retenida en la purificación réplica 2
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext, ml Ext Puro, ml Aretp, ml
60
5 3 150 149.8 0.2
5 7 349 348.8 0.2
25 7 350 349.9 0.1
25 3 151 150.5 0.5
80
25 3 148 147.6 0.4
5 7 351 350.4 0.6
5 3 151 150.9 0.1
25 7 349 348.8 0.2
Tabla 29. Cantidad de agua retenida en la purificación réplica 3
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext, ml Ext Puro, ml Aretp, ml
60
5 3 151 150.3 0.7
5 7 351 350.8 0.2
25 7 349 348.9 0.1
25 3 148 147.4 0.6
80
25 3 147 146.7 0.3
5 7 353 352.3 0.7
5 3 152 151.6 0.4
25 7 352 351.8 0.2
39
6.6. Resultados de la concentración promedio de inulina medida en el HPLC
Tabla 30. Concentración promedio de inulina
Temp, °C T, min Rel solv/mp HPLC1, mgI/ml ExtPuro HPLC2, mgI/ml ExtPuro HPLC3, mgI/ml ExtPuro
60
5 3 11.735 11.316 11.045 11.365
5 7 11.740 11.395 11.945 11.693
25 7 12.234 11.927 12.372 12.178
25 3 18.099 18.232 18.998 18.443
80
25 3 29.101 27.883 26.090 27.691
5 7 25.159 26.135 24.778 25.357
5 3 11.998 11.592 12.030 11.873
25 7 26.618 29.606 26.140 27.455
6.7. Resultados de la cantidad de inulina en el extracto purificado
Tabla 31. Cantidad de inulina en el extracto purificado réplica 1
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext Puro, ml HPLC1, mg I/ml ExtPuro IE, g
60
5 3 147.7 11.735 1.733
5 7 351.8 11.740 4.130
25 7 355.9 12.234 4.354
25 3 152.5 18.099 2.760
80
25 3 151.7 29.101 4.415
5 7 350.3 25.159 8.813
5 3 151.9 11.998 1.822
25 7 352.8 26.618 9.391
40
Tabla 32. Cantidad de inulina en el extracto purificado réplica 2
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext Puro, ml HPLC2, mg I/ml EP IE, g
60
5 3 149.7 11.316 1.705
5 7 348.8 11.395 3.997
25 7 349.9 11.927 4.161
25 3 150.5 18.232 2.689
80
25 3 147.7 27.883 4.090
5 7 350.3 26.135 9.207
5 3 150.9 11.592 1.761
25 7 348.8 29.606 10.415
Tabla 33. Cantidad de inulina en el extracto purificado réplica 3
Temp, °C T, min Rel solv/mp Ext Puro, ml HPLC3, mg I/ml EP IE , g
60
5 3 150.7 11.045 1.653
5 7 350.8 11.945 4.166
25 7 348.9 12.372 4.329
25 3 147.5 18.998 2.859
80
25 3 146.7 26.090 3.853
5 7 352.3 24.778 8.680
5 3 151.9 12.030 1.815
25 7 351.8 26.140 9.118
41
6.8. Resultados de la cantidad de inulina en el refinado
Tabla 34. Cantidad de inulina en el refinado réplica 1
Temp, °C T, min Rel solv/mp Varet, ml HPLC, mg I/ml EP Iref,g
60
5 3 7.681 11.735 0.090
5 7 10.558 11.740 0.124
25 7 11.409 12.234 0.140
25 3 9.303 18.099 0.168
80
25 3 10.271 29.101 0.299
5 7 14.554 25.159 0.366
5 3 9.531 11.998 0.114
25 7 15.707 26.618 0.418
Tabla 35. Cantidad de inulina en el refinado réplica 2
Temp, °C T, min Rel solv/mp Varet, ml HPLC, mg I/ml EP Iref,g
60
5 3 7.668 11.316 0.087
5 7 10.732 11.395 0.122
25 7 11.157 11.927 0.133
25 3 9.326 18.232 0.170
80
25 3 10.254 27.883 0.286
5 7 14.752 26.135 0.386
5 3 9.640 11.592 0.112
25 7 17.219 29.606 0.510
Tabla 36. Cantidad de inulina en el refinado réplica 3
Temp, °C T, min Rel solv/mp Varet, ml HPLC, mg I/ml EP Iref,g
60
5 3 7.671 11.045 0.085
5 7 10.643 11.945 0.127
25 7 11.244 12.372 0.139
25 3 9.419 18.998 0.179
80
25 3 10.217 26.090 0.267
5 7 14.484 24.778 0.359
5 3 9.807 12.030 0.118
25 7 17.028 26.140 0.445
42
6.9. Resultados de la cantidad de inulina retenida en la purificación
Tabla 37. Cantidad de inulina retenida en la purificación réplica 1
Temp, °C T, min Rel solv/mp Varet, ml HPLC, mg I/ml EP Iretp,g
60
5 3 0.3 11.735 0.00352
5 7 0.2 11.740 0.00235
25 7 0.1 12.234 0.00122
25 3 0.5 18.099 0.00905
80
25 3 0.3 29.101 0.00873
5 7 0.7 25.159 0.01761
5 3 0.1 11.998 0.00120
25 7 0.2 26.618 0.00532
Tabla 38. Cantidad de inulina retenida en la purificación réplica 2
Temp, °C T, min Rel solv/mp Varet, ml HPLC, mg I/ml EP Iretp,g
60
5 3 0.7 11.316 0.00792
5 7 0.2 11.395 0.00228
25 7 0.1 11.927 0.00119
25 3 0.6 18.232 0.01094
80
25 3 0.3 27.883 0.00836
5 7 0.7 26.135 0.01829
5 3 0.4 11.592 0.00464
25 7 0.2 29.606 0.00592
Tabla 39. Cantidad de inulina retenida en la purificación réplica 3
Temp, °C T, min Rel solv/mp Varet, ml HPLC, mg I/ml EP Iretp,g
60
5 3 0.2 11.045 0.00221
5 7 0.2 11.945 0.00239
25 7 0.1 12.372 0.00124
25 3 0.5 18.998 0.00950
80
25 3 0.4 26.090 0.01044
5 7 0.6 24.778 0.01487
5 3 0.1 12.030 0.00120
25 7 0.2 26.140 0.00523
43
6.10. Resultados del porcentaje de inulina en el yacón
Tabla 40. Cantidad y porcentaje de inulina en el yacón réplica 1
Temp, °C T, min Rel solv/mp IE ,g Iretp ,g Iref ,g It,g %I
60
5 3 1.733 0.004 0.090 1.827 3.654
5 7 4.130 0.002 0.124 4.256 8.512
25 7 4.354 0.001 0.140 4.495 8.990
25 3 2.760 0.009 0.168 2.937 5.874
80
25 3 4.415 0.009 0.299 4.723 9.446
5 7 8.813 0.018 0.366 9.197 18.396
5 3 1.822 0.001 0.114 1.937 3.874
25 7 9.391 0.005 0.418 9.814 19.628
Tabla 41. Cantidad y porcentaje de inulina en el yacón réplica 2
Temp, °C T, min Rel solv/mp IE ,g Iretp ,g Iref ,g It ,g %I
60
5 3 1.705 0.008 0.087 1.800 3.600
5 7 3.997 0.002 0.122 4.121 8.242
25 7 4.161 0.001 0.133 4.295 8.590
25 3 2.689 0.011 0.170 2.870 5.740
80
25 3 4.090 0.008 0.286 4.384 8.768
5 7 9.207 0.018 0.386 9.611 19.222
5 3 1.761 0.005 0.112 1.878 3.756
25 7 10.415 0.006 0.510 10.931 21.086
Tabla 42. Cantidad y porcentaje de inulina en el yacón réplica 3
Temp, °C T, min Rel solv/mp IE ,g Iretp ,g Iref ,g It ,g %I
60
5 3 1.653 0.002 0.085 1.740 3.480
5 7 4.166 0.002 0.127 4.295 8.590
25 7 4.329 0.001 0.139 4.469 8.938
25 3 2.859 0.009 0.179 3.047 6.094
80
25 3 3.853 0.010 0.267 4.130 8.260
5 7 8.680 0.015 0.359 9.054 18.108
5 3 1.815 0.001 0.118 1.934 3.868
25 7 9.118 0.005 0.445 9.568 19.136
44
6.11. Resultados curva de refinación
Tabla 43. Valores de las curvas de refinado
Temp,
°C
Rel
solv/mp Xi yi xi yi xi yi
60 3 0.008317 0.459752 0.008420 0.461142 0.008861 0.465445
7 0.006135 0.521474 0.006030 0.529821 0.006287 0.525940
80 3 0.019698 0.453695 0.023582 0.509000 0.02089 0.507412
7 0.008241 0.738878 0.014221 0.807488 0.013283 0.798028
Gráfico 3. Curvas de refinado réplica 1
Gráfico 4. Curvas de refinado réplica 2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
yi
xi
Temp 60°C
Temp 80°C
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
yi
xi
Temp 60°C
Temp 80°C
45
Gráfico 5. Curvas de refinado réplica 3
6.12. Resultados curva de calibración para la cuantificación de la inulina
Gráfico 6. Curva de calibración
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
yi
xi
Temp 60°C
Temp 80°C
y = 68107x - 1303,9 R² = 1
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
800000
0 2 4 6 8 10 12
Áre
a
Concentración
Curva de calibración
Lineal (Curva de calibración)
46
7. DISEÑO DE LA EXTRACCIÓN DE INULINA
7.1. Diseño de la extracción de inulina mediante SuperPro Designer
Para simular el proceso de extracción de inulina se coloca un molino para la reducción
del tamaño de partícula y para la extracción sólido líquido un reactor con agitación y un
separador.
Figura 11. Diseño del proceso de extracción
47
Figura 12. Entrada del yacón a la reducción de partícula
Figura 13. Resultado de la reducción de partícula
49
Figura 16. Resultado de la simulación en el extracto
Figura 17. Resultado de la simulación en el refinado
50
8. ANÁLISIS ESTADÍSTICO
8.1. Resultados del análisis estadístico
Los resultados experimentales del rendimiento de la inulina se analizan en el software
Statgraphics, generando un análisis estadístico.
Figura 18. Diseño experimental en el Statgraphics
Figura 19. ANOVA para el rendimiento de Inulina
51
Figura 20. Factores óptimos para la extracción de inulina
Gráfico 7. Efectos principales para la Inulina
Gráfico 8. Diagrama de Pareto Estandarizada para la Inulina
52
9. DISCUSIÓN
Observando los resultados del diagrama de Pareto gráfico 8, obtenido del software
Statgraphics para la inulina se evidencia que la variable más significativa resulta ser
la relación solvente-materia prima seguida del efecto de la temperatura. En estudios
anteriores como el de “Extracción, cristalización y caracterización de inulina a partir
de yacón para su utilización en la industria alimentaria y farmacéutica”, Arango,
Cuarán y Fajardo, 2008, Pasto- Colombia, donde no se utiliza ultrasonido para
asistir a la extracción sólido-líquidos la variable más importante es la temperatura.
Analizando el gráfico 8 del Diagrama de Pareto, se puede apreciar que todos los
efectos son positivos la relación solvente materia prima, la temperatura y el tiempo
es decir que estos resultados son semejantes a los que muestra el artículo
“Extracción, cristalización y caracterización de inulina a partir de yacón para su
utilización en la industria alimentaria y farmacéutica”, Arango, Cuarán y Fajardo,
2008, Pasto Colombia.
El punto óptimo de extracción de acuerdo al análisis estadístico es una temperatura
de 79.9°C, un tiempo de extracción de 24 minutos y una relación solvente materia
prima de 6.9, durante el experimento se trabajó con una temperatura de 80°C, un
tiempo de 25 minutos y una relación solvente materia prima de 7 observando trabajos
anteriores de extracción de inulina de diferentes materias primas se observa que se
las realizan en tiempos de 45 a 60 minutos pero al utilizar un baño ultrasonido lo que
se evidencia es que el tiempo de extracción disminuye sustancialmente.
Para la cuantificación es importante realizar una curva de calibración correcta para la
preparación de los estándares que deben de realizarse con la mayor precisión posible
para evitar la generación de errores, para la elaboración de la curva de calibración de
este trabajo de investigación se ha tomado como referencia el paper “HPLC-RID
method for determination of inulin and fructooligosaccharides”, Petkova, Vrancheva,
53
Denev, Ivanov y Pavlov, Bulgaria, 2017. La curva de calibración realizada para la
cuantificación de la inulina cumple con la linealidad requerida para evitar errores en
los resultados de la concentración de inulina en las muestras.
De acuerdo al gráfico 7 de efectos principales sobre la extracción de la inulina se
observa que todas las variables como la relación solvente-materia prima, temperatura
y tiempo son significativas al igual que en otros trabajos de investigación como en el
paper de “Extracción, cristalización y caracterización de inulina a partir de yacón
para su utilización en la industria alimentaria y farmacéutica”, Arango, Cuarán y
Fajardo, 2008, Pasto- Colombia.
54
10. CONCLUSIONES
Se determinó que el yacón Smallanthus sonchifolius contiene un 21 % de inulina. Al
observar los resultados obtenidos en el simulador Designer SuperPro comparados a
lo que se realizó en el laboratorio se comprueba que son muy semejantes entre sí,
como se muestra en la figura 16 un valor de 26.94 mg/ml de extracto puro respecto a
la tabla 30 un valor de 27.4 mg/ml de extracto puro en el resultado promedio de las
tres muestras.
Los resultados indican que bajando el tiempo a 5 minutos pero manteniendo las
mismas condiciones de relación de solvente materia prima (7:1) y temperatura de 80
°C para la extracción se observa que se extrajo un 18 % de inulina comparado con
un tiempo de 25 minutos y las mismas condiciones de relación solvente-materia
prima y temperatura donde se extrajo un porcentaje del 21 % de inulina por lo que se
concluye que el baño ultrasonido es práctico y muy útil para la extracción sólido
líquido, ya que disminuye en gran medida los tiempos de extracción respecto a la
forma convencional de extracción con baño maría a temperaturas controladas.
A fin de cumplir con un adecuado desarrollo del diseño experimental las variables de
operación se mantienen constantes como son: la temperatura, la relación solvente-
materia prima y el tiempo de extracción para obtener resultados confiables como se
evidencia en el presente trabajo de investigación.
Es importante cuidar el tamaño de la partícula en este caso se trabajó con tamaño de
5 a 6 mm, buscando siempre que tengan un tamaño uniforme y este no sea muy
grande debido a que la pared celular no se rompería, dificultando la extracción al
igual que no se puede trabajar con un tamaño de partícula muy pequeño ya que
apelmaza o endurece las partículas dificultando la extracción del producto de interés
en este caso la inulina.
55
El gráfico 8 en el diagrama de Pareto muestra que la relación solvente-materia prima
tiene una mayor influencia en la extracción respecto a la temperatura y el tiempo a
diferencia de estudios anteriores que muestran que la variable con mayor incidencia
es la temperatura respecto a la relación sólido solvente y esto se debe al uso del baño
ultrasonido.
56
11. RECOMENDACIONES
Estudios realizados en otros países acerca de la mejor época del año para cosechar
raíces de yacón Smallanthus sonchifolius dieron como resultado que el mes ideal es
Octubre debido a que se puede obtener un rendimiento de inulina de
aproximadamente un 27 %. Con estos antecedentes es recomendable replicar este
estudio para Ecuador ya que las condiciones climáticas difieren a la de los países
donde se realizaron estas evaluaciones.
Con la premisa de las conclusiones de que efectivamente, el uso del baño ultrasonido
acorta los tiempos de extracción y disminuye los costos además de facilitar la
extracción, se recomienda el uso de esta técnica de extracción para otras materias
primas que contengan inulina de tipo FOS.
Es recomendable hacer un estudio acerca de cuál fuente de yacón contiene la mayor
cantidad de inulina en el país. El presente estudio se realizó utilizando materia prima
de Guayllabamba. En el Ecuador existen otras fuentes de yacón principalmente en la
provincia de Cotopaxi en la región Píllaro en Tungurahua donde las condiciones
climáticas y de suelo podrían ser significativamente diferentes respecto al contenido
de inulina tipo FOS.
Es importante continuar el presente trabajo con estudios galénicos a fin de desarrollar
una dosis que se pueda suministrar como medicina o suplemento alimenticio sin que
resulte peligroso para la salud de las personas.
57
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64
ANEXO B. Reporte fotográfico
Figura B.1. Preparación de la materia
prima
Figura B.2. Pesaje de la muestra de
yacón
Figura B.3. Extracción de inulina en baño ultrasonido asistido por un agitador
65
ANEXO B. (continuación)
Figura B.4. Extracción de inulina acoplamiento al baño ultrasonido
Figura B.5. Filtración a vacío
Figura B.6. Torta húmeda
66
ANEXO B (continuación)
Figura B.7. Tratamiento de la muestra mediante carbón activado y resinas
aniónicas y catiónicas
Figura B.8. Filtración de las muestras para posteriormente colocar en el HPLC