TESIS ASTETE

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

TESIS

PRESENTADA POR: ASTETE PEREZ MIGUEL ANGEL

Para optar el título de Ingeniero Mecánico

HUANCAYO – PERÚ PERÚ 2014

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ASESOR: Ing.

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ASESOR: Ing.

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DEDICATORIA A mi Dios por darme las fuerzas necesarias para hacer este sueño realidad, a mis Padres por el inmenso apoyo brindado a lo largo de mi carrera.

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CONTENIDO ASESOR: ............................................................................................................ ii DEDICATORIA ................................................................................................... iii CONTENIDO ...................................................................................................... iv RESUMEN ......................................................................................................... vi ABSTRAC ......................................................................................................... vii INTRODUCCIÓN ............................................................................................. viii Capítulo 1: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ................................................ 10 1.1

PROBLEMA DEL PROBLEMA........................................................... ...................................... 10

1.2

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .............................................................. ........................... 11

1.3

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN .................................................................................... 11

1.4

JUSTIFICACION .................................................................................. ...................................... 11

Capítulo 2: MARCO TEORICO ........................................................................ 13 2.1

ANTECEDENTES ............................................................ ........................................................... 13

2.2

BASES TEÓRICAS .......................................................... ........................................................... 15

2.3

DEFINICIONES CONCEPTUALES Y OPERACIONALES ..................................................... 34

2.4

HIPÓTESIS GENERAL ........................................................................ ...................................... 35

Capítulo 3: METODOLOGIA ...............................Error! Bookmark not defined. 3.1

INTRODUCCION .......................................................................

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v

3.3

DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN........................................... Error!

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3.4

OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES ............................ Error!


3.5

OBJETO DE INVESTIGACIÓN.................................................

3.6

TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE INVESTIGACIÓN ......... Error!


3.7

TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS ..................... Error!


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Capítulo 4: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS .............. Error!

Bookmark not defined. 4.1

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................... Error!


4.2

ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS RESULTADOS ............... Error!


4.3

PRUEBA DE HIPÓTESIS ...........................................................

4.4

DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................... Error!

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CONCLUSIONES................................................Error! Bookmark not defined. RECOMENDACIONES .......................................Error! Bookmark not defined. BIBLIOGRAFIA ...................................................Error! Bookmark not defined.

vi

RESUMEN Autor:

Palabras claves:

vii

ABSTRAC

Author :

Key words:

viii

INTRODUCCIÓN La quinua (Chenopodium quinoa Wild) contiene saponinas, las que se caracterizan por ser amargas, emulsificantes y espumantes. En el organismo ocasionan dolor estomacal, náuseas y ligera diarrea, pero su principal efecto es producir la hemólisis de los eritrocitos y afectar el nivel de colesterol en el hígado y la sangre, con lo que puede originarse un detrimento en el crecimiento, a través de la acción sobre la absorción de nutrientes. Las saponinas pueden ser eliminadas del grano a través de procesamientos húmedos (lavado), seco (escarificado) y combinados (escarificados y lavados). El escarificado consiste en la separación del epispermo (descascarado) y segmentos secundarios del grano de quinua, donde se concentra el mayor contenido de saponinas. Las pérdidas por la falta de ventas de productos alimenticios, debido a problemas de saponina, en muchos casos superan a las causadas por

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problemas de producción y, en cultivos, la quinua un grano especial, que requiere de ciertos tratamientos especiales previo al consumo, los procesos pos cosecha se vuelven determinantes para mejorar la calidad y aprovechamiento de la cosecha. Es necesario atender todo tipos de problemas que engloben la producción de quinua en los pobladores, brindando y optimizando máquinas que permitan mejorar su producción, y por consecuencia mejorar su nivel de vida. EL AUTOR

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Capítulo 1: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1 PROBLEMA DEL PROBLEMA Una buena proporción de los granos de quinua que se comercializan tienen algún grado de amargor. Por ello, no sería de extrañar que este sabor amargo haya sido por sí solo el factor más importante que ha frenado el desarrollo agroindustrial y consumo de la quinua. En términos generales se puede afirmar que los granos de quinua, tal como salen de la trilladora, no deben ser utilizados directamente en la elaboración de alimentos por las impurezas asociadas (pajas, piedras, tierra, etc.) y por tener generalmente un sabor amargo notorio. De allí que estos granos tienen que pasar por un proceso de limpieza y desamargado, es decir de eliminación de compuestos químicos en los que predominan las saponinas.

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No cabe duda, por ello, que es totalmente necesario que el grano de quinua que va a servir para la producción de alimentos humanos tenga un contenido muy bajo de saponinas, ojalá muy inferior al nivel que puede ser detectado por la lengua humana.

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA La interrogante principal de la presente investigación es: ¿Cómo optimizar el funcionamiento de una Máquina escarificador para obtener una mejor calidad de granos de quinua (escarificado)?

1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.3.1 Objetivo General Optimizar el funcionamiento de un escarificador de quinua mejorando la calidad de la producción de granos.

1.3.2 Objetivos Específicos

1.4 JUSTIFICACION La necesidad de realizar este proyecto está en el interés de aportar al desarrollo de las pequeñas empresas, micro empresas y además de pobladores dedicadas a la producción de quinua, mejorando la calidad del grano y además contribuyendo al progreso de este campo de la industria

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mediante la innovación de la maquina escarificador, y además simplificará a reducir los costos de producción, minimizar el nivel de pérdidas por lavado del grano y disminuir los tiempos de producción. Lograr la optimización de la maquina escarificador es factible, ya que se cuenta con los conocimientos fundamentales, recursos bibliográficos, las herramientas de trabajo de la tecnología actual y además con la supervisión y conocimientos de los ingenieros de la facultad de Ingeniería Mecánica.

1.4.1 Logros alcanzados Buscamos reducir el porcentaje de saponina en la quinua en la producción de los pobladores; por lo tanto es necesario optimizar y brindar una máquina que cumpla esa función.

1.4.2 Importancia En este estudio de optimización se logró una máquina que brinde calidad de granos aplicando la fusión de nuevas tecnologías para facilitar y mejorar el trabajo a los pobladores dentro de este proceso de escarificado

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Capítulo 2: MARCO TEORICO 2.1 ANTECEDENTES En la Zona Andina, se han hecho varios experimentos de desaponificado con el diseño de prototipos y pruebas de adaptación de máquinas que originalmente fueron diseñadas para otros usos. Bacigalupo y Tapia, 1990, indican que en Perú y Bolivia se han hecho varias pruebas de desaponificado de quinua por este método. Desde 1950, cuando en Cuzco, Perú, aparecen las primeras agroindustrias artesanales de quinua en las cuales, el desaponificado se hacía con la adaptación de los equipos de procesamiento de trigo. Luego, estos mismos autores citan a Briceño en 1970, quien probó el desaponificado de quinua por molienda diferencial de granos, a Amaya en 1978, en Brasil con

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métodos similares y, a las industrias Ferri Ghezzi, en 1975, en Bolivia, que utilizaron procesos de cepillado. Uno de los estudios más interesantes dentro de este tema es la escarificadora diseñada y construida por Torres y Minaya, en 1980. En este caso, los granos de quinua son sometidos a un proceso combinado de efecto abrasivo y golpeado, con paletas giratorias sobre tamices estacionarios, los que recogen y separan el polvillo de saponina de los granos. La máquina consta de tres cilindros dispuestos en tres bolillos, de tal forma que los granos en proceso pasan de un cilindro a otro por gravedad. Cada cilindro está provisto de 9 paletas escarificadoras y de 12 paletas transportadoras colocadas sobre el eje giratorio. Los granos que salen del último cilindro, reciben una corriente de aire, que ayuda a separar el polvo y afrechillo, antes de ser recogidos en la salida final. Según los autores, esta máquina escarificadora tiene una eficiencia del 95% y, los contenidos de saponina en el producto final oscilan entre el 0.04 y 0.25%, dependiendo de la variedad utilizada como materia prima.

Franco y Tapia en 1974 (citado en Tapia, 1979), desarrollaron otro método de escarificado de quinua, combinando calor o pretostado del grano con cepillado, con resultados satisfactorios. Otros métodos de escarificado o pulido de granos de quinua por cepillado también han sido probados en varias industrias y centros de investigación en Perú y Bolivia. Sin embargo, según Bacigalupo y Tapia, 1990, ninguno de los equipos diseñados para escarificación de quinua han permitido obtener niveles de separación de

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saponina lo suficientemente elevados como para posibilitar el consumo humano directo del producto sin ulterior tratamiento. Un inconveniente adicional del método, según estos autores, es el elevado contenido de proteína y grasa que se elimina en el polvillo resultado de la escarificación. En INIAP, Ecuador, se adaptó una máquina peladora de sorgo, para la escarificación de quinua, con resultados aceptables (Lara y Nieto, 1990). El principio de funcionamiento de esta máquina es la fricción del grano en un cilindro cerrado, en cuyo interior están conectadas cinco piedras de carborundo, las que giran en la misma dirección y accionan un movimiento circular a los granos de quinua los que se escarifican por fricción entre las paredes del cilindro y las piedras en movimiento Habiendo revisado las investigaciones mencionadas de cuyo trabajo de investigación se deduce la siguiente conclusión final: El mayor contenido de estos elementos se encuentra en el embrión, que por la morfología del grano de quinua, se encuentra expuesto al proceso de escarificación.

2.2 BASES TEÓRICAS LA QUINUA La región de los Andes, cuna de grandes civilizaciones como la Incaica y Tiahuanacota, es considerada centro de origen de numerosas especies nativas como la quinua (Chenopodium quinoa Willd), la misma que durante miles de años fue el principal alimento de las culturas antiguas de los Andes y que está distribuida en diferentes zonas agroecológicas de la región.

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En la actualidad la quinua se encuentra en franco proceso de expansión porque representa un gran potencial para mejorar las condiciones de vida de la población de los Andes y del mundo moderno.

CARACTERISTICAS DEL GRANO

La quinua es un grano que posee características intrínsecas sobresalientes, tales como: Su amplia variabilidad genética, cuyo pool genético es



extraordinariamente estratégico para desarrollar variedades superiores (precocidad, color y tamaño de grano, resistencia a factores

bióticos

y

abióticos,

rendimiento

de

grano

y

subproductos); 

Su capacidad de adaptabilidad a condiciones adversas de clima y suelo, dado que pueden obtenerse cosechas desde el nivel del mar hasta los 4000 metros de altitud (altiplano, salares, puna,

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valles interandinos, nivel del mar) donde otros cultivos no pueden desarrollarse; 

Su calidad nutritiva, representada por su composición de aminoácidos esenciales tanto en calidad como en cantidad, constituyéndose en un alimento funcional e ideal para el organismo;



Su diversidad de formas de utilización tradicional, no tradicional y en innovaciones industriales; y



Su bajo costo de producción, ya que el cultivo es poco exigente en insumos y mano de obra.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL GRANO:

La quinua tiene una extraordinaria adaptabilidad a diferentes pisos agroecológicos. Se adapta a climas desde el desértico hasta climas calurosos y secos, puede crecer con humedades relativas desde 40% hasta

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88%, y soporta temperaturas desde -4°C hasta 38°C. Es una planta eficiente al uso de agua, es tolerante y resistente a la falta de humedad del suelo, y permite producciones aceptables con precipitaciones de 100 a 200 mm. El cultivo de la quinua está en expansión, siendo sus principales productores Bolivia, Perú, Estados Unidos, Ecuador y Canadá. La quinua se cultiva también en Inglaterra, Suecia, Dinamarca, los Países Bajos, Italia y Francia. Recientemente Francia ha reportado superficies de 200 ha con rendimientos de 1.080 kg/ha y en Kenya se obtuvieron altos rendimientos en semilla (4 t/ha). En la región del Himalaya y en las planicies del Norte de la India el cultivo puede desarrollarse exitosamente y con altos niveles de rendimiento. Sin duda los principales países productores de quinua en la región Andina y en el mundo son Perú y Bolivia. Hasta el año 2008 la producción de ambos países representaba el 90% de la quinua producida en el mundo. Detrás de ellos están Estados Unidos, Ecuador y Canadá con alrededor del 10% de los volúmenes globales de producción. Bolivia es el primer exportador de quinua a nivel mundial seguido por Perú y Ecuador. En 1996 la quinua fue catalogada por la FAO como uno de los cultivos promisorios de la humanidad, no sólo por sus grandes propiedades

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benéficas y por sus múltiples usos, sino también por considerarla como una alternativa para solucionar los graves problemas de nutrición humana. La NASA también la incluyó dentro del sistema CELLS (en español: Sistema Ecológico de Apoyo de Vida Controlado) para equipar sus cohetes en los viajes espaciales de larga duración, por ser un alimento de composición nutritiva excelente como alternativa para solucionar los problemas de insuficiente ingesta de proteínas. Existen varios productos derivados de la quinua, como insuflados, harinas, fideos, hojuelas, granolas, barras energéticas, etc.; sin embargo están en proceso de ser explotados otros productos más elaborados o cuya producción requiere del uso de tecnologías más avanzadas, como es el caso de la extracción de aceite de quinua, el almidón, la saponina, colorantes de las hojas y semillas, concentrados proteicos, etc. Estos productos son considerados el potencial económico de la quinua por darle uso a características no sólo nutritivas sino fisicoquímicas. que abarcan más allá de la industria alimentaria y ofrecen productos a la industria química, cosmética y farmacéutica.

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USO INDUSTRIAL Y OTROS

PARTES DEL GRANO DE QUINUA

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FACTOR SAPONINA

Una buena proporción de los granos de quinua que se comercializan tienen algún grado de amargor. Por ello, no sería de extrañar que este sabor amargo haya sido por sí solo el factor más importante que ha frenado el desarrollo agroindustrial y consumo de la quinua. Hay dos caminos que pueden conducir a la disminución del contenido de saponinas en el grano de quinua para consumo humano: 

El genético (por mejoramiento genético tradicional o por ingeniería genética). La variedad Sajama de quinua es un ejemplo de lo que se puede lograr en cuanto a producción de quinuas de muy bajo contenido de saponinas.



El procesamiento agroindustrial. La opción agroindustrial debe ser priorizada por las siguientes razones: a) las saponinas parecen ser

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factores protectores de las plantas y del grano de quinua; b) normalmente es difícil evitar el cruzamiento entre quinuas y por ende mantener la total pureza de las variaciones de quinua de bajo contenido de saponina; e) son mayores los daños que causan los pájaros al momento de la cosecha, al preferir alimentarse con los granos de quinua de menor contenido de saponinas; d) en todo cultivo es cada vez más conveniente reducir al máximo la utilización de plaguicidas artificiales, por motivos sanitarios. Por ello parecería pertinente trasladar gran parte del problema de la eliminación de la saponina al sector agroindustrial, en donde puede ser relativamente sencillo extraerla o transformarla.

ELIMINACIÓN DE SAPONINA

Uno de los limitantes del consumo del grano de quinua es sin duda, el contenido de saponinas, glicoalcaloides que se encuentran en la cubierta del mismo y que le dan un sabor amargo que impide que su consumo sea directo. DESAPONIFICADO TRADICIONAL

Tradicionalmente la eliminación de la saponina se realiza por lavado manual, labor que además de ser tediosa, demanda un proceso de secado adicional para evitar la germinación o la aparición de mohos, bacterias y otros microorganismos en el grano húmedo, aunque este inconveniente (eliminación de saponina), se ha superado en gran medida con el uso de las “quinuas dulces” que son variedades obtenidas por mejoramiento genético,

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cuyo contenido de saponina es mínimo y que para su consumo únicamente hace falta un ligero lavado, el problema persiste, por lo que se han estudiado varias alternativas de desaponificación de la quinua.

24

25

DESAPONIFICADO POR ESCARIFICACIÓN

También se conoce como el método seco y consiste en someter el grano a un proceso de fricción para eliminar en forma de polvo las capas periféricas del grano, que son las que contienen la saponina. En el Programa de Cultivos Andinos se recibió del CIID, como parte de los equipos donados a través del convenio postcosecha, una máquina peladora de sorgo, la misma que se logró adaptar a la escarificación de quinua, con ciertas modificaciones o adecuaciones. Las características de esta máquina se presentan en el cuadro.

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CARACTERÍSTICAS DEL PROTOTIPO

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El funcionamiento de esta máquina es satisfactorio, sin embargo, su capacidad limitada y su sistema de funcionamiento no continuo hacen que sea un prototipo no funcional para una pequeña empresa o centro de acopio, por lo que se puede utilizar el principio de funcionamiento y construir prototipos de mayor capacidad para la agroindustria. En el Cuadro, se presentan los resultados de las pruebas de escarificado para diferentes variedades de quinua cada una con diferente contenido de saponina. Se puede observar que el sistema de escarificado es eficiente para las variedades de bajo contenido de saponina, pues el producto final queda prácticamente libre de saponina, mientras que en las variedades de alto contenido de saponina el escarificado no es suficiente y, necesariamente hay que someter el producto a un lavado adicional, previo al consumo. Existen varios otros sistemas de eliminación de la saponina por escarificado, pero todos tienen el mismo principio, eliminar la capa superficial del grano, en forma de polvo de saponina. Uno de los estudios más interesantes dentro de este campo es la escarificadora diseñada y construida por Torres y Minaya en 1981 (15) con el apoyo del IICA.

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MÁQUINA ESCARIFICADORA DE QUINUA

Fuente: Torres y Minaya, 1980 Según Torres y Minaya (1980) la eficiencia y capacidad de procesamiento de la máquina escarificadora fue de 94,6% y el contenido de saponina de diferentes variedades de quinua sometidas a escarificación en Juliaca, Perú, se muestra en el CUADRO.

Cuadro Contenido de saponina en diferentes variedades de quinua en porcentaje Muestra

Sajama

Testigo

0,08

Blanca de Juli 0,13

Kancolla (colorada) 0,017

Witulla

Comercia lIIACSA

0,39

�

29

Escarificada

�

0,04

0,05

0,04

0,25

Fuente: J. Alvarez, 1980, Universidad Cayetano Heredia; Marín y Minaya, 1978 Los rendimientos de un equipo similar, pero procesando quinua Real, son mostrados en el siguiente cuadro.

Cuadro Tratamiento por escarificación de quinua real con 2,62% de saponina. Planta piloto de Juliaca, Perú Pasada No

1 2

Alimentación kg

Producto kg

Merma kg

Merma %

Saponina en quinua procesada %

45,5 38,0

42,4 37,1

3,0 0,9

6,61 2,37

0,60 0,48

3,9

8,98

Total

Fuente: Zavaleta, 1982

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Zavaleta (1982), en base a la revisión de resultados obtenidos con equipos escarificadores destaca la buena eficacia del equipo montado en Juliaca. Además, bajo algunas condiciones de tratamiento se producía un excesivo desprendimiento de germen del grano de quinua de la variedad Sajama, disminuyendo la calidad proteica de la quinua perlada. Sin embargo, no se dio este caso en la quinua Real boliviana tratada experimentalmente. Lamentablemente, ninguno de los equipos diseñados para escarificación de quinua permitió obtener niveles de separación de saponinas lo suficientemente elevados como para posibilitar el consumo humano directo sin ulterior tratamiento. En el siguiente cuadro se muestran los análisis químicos proximales del polvillo obtenido de la escarificación del grano de quinua para la elaboración industrial de quinua perlada en Cusco. Llama la atención el elevado contenido de proteínas totales y de grasa en el polvillo, debido a que el 70% del nitrógeno de la semilla de quinua y la mayoría de la grasa se encuentran en el embrión. 65

Cuadro

Composición química (base seca %) del polvillo resultante del escarificado para la producción de quinua perlada Proteína total (Nx6,25)

7,75

Grasa

3,41

Ceniza

15,31

Nifex

64,06

Fibra cruda

9,47

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Fuente: Departamento de Nutrición, UNALM, Lima, Perú PROCESOS CON USO DE CALOR SECO

Las primeras empresas que intentaron producir harina de quinua desamargada también usaron métodos de tostado con el fin de eliminar las cáscaras que contenían las saponinas. En Breña, Lima, en el año 1954, se producía harina de quinua procesada por tostado en una bola de hierro, donde la quinua era sometida a una alta temperatura mediante la llama de un calentador aplicada externamente mientras rotaba la bola. Una vez tostada la quinua, era pasada por un cernidor que separaba las cáscaras tostadas y molida en un molino de piedra. El producto se vendía en Lima, pero la empresa desapareció a los pocos años. En 1978 en Bolivia, Luis Carlos Lázaro experimentó la desaponificación tostando y posteriormente recurriendo al uso de la fricción simple, la fricción con CINa o los dos tipos de fricción combinados. Los resultados mostraron la mayor efectividad del tostado con fricción combinada. Es bastante difícil obtener un tostado uniforme sin quemar una parte de los granos y adicionalmente se producen apreciables pérdidas de nutrientes, especialmente de aminoácidos como lisina, con el uso del calor seco. DESAPONIFICADO POR LAVADO

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Es conocido también como el método húmedo y consiste en someter al grano de quinua a un proceso de remojo y turbulencia en agua circulante para conseguir que la saponina se elimine disuelta en el agua del lavado. Existen varios estudios que han optimizado este método de eliminación de saponina, así en la Universidad Central desarrollaron un prototipo de lavadora con secadora incorporada; en La Universidad de Ambato desarrollaron un método de lavado utilizando una licuadora industrial; (14), Figura 16.

En los dos casos, los resultados fueron satisfactorios, sin embargo hay que anotar que el método húmedo tiene ciertos inconvenientes como: 

Excesivo uso de agua, (se trabaja con agua circulante).



Contaminación de las fuentes en las que se deposita el agua de lavado.



Necesidad de un sistema de secado, eficiente, para evitar que el grano germine por la humedad que ha absorbido.

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DESAPONIFICADO POR EL MÉTODO COMBINADO

Considerando por un lado los inconvenientes del desaponificado por el método húmedo y que el método seco no es eficiente para las variedades de alto contenido de saponina, se asegura que para este tipo de variedades lo más aconsejado es un método combinado; es decir, primero se aplica un escarificado, con lo que se elimina un alto porcentaje de saponina y luego se somete a un lavado final para eliminar el remanente. De esta forma, el grano no es expuesto por demasiado tiempo a la humedad y el proceso de secado es mucho más rápido y barato. Por todo lo anterior se puede concluir que de la desaponificación se puede realizar por diferentes métodos, dependiendo del contenido de saponina de la materia prima. Para variedades dulces (de bajo contenido de saponina), es suficiente un escarificado, mientras que para variedades amargas (de alto contenido de saponina), quizá lo más recomendado sería el método combinado.

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2.3 DEFINICIONES CONCEPTUALES Y OPERACIONALES 2.3.1 Definiciones conceptuales El presente trabajo de investigación se compone de una variable dependiente que SON LOS GRANOS MEJORADOS y la variable independiente MÁQUINA ESCARIFICADOR DE QUINUA.

VI: MAQUINA ESCARIFICADOR DE QUINUA Máquina que sirve para escarificar (eliminar la saponina) a los granos de quinua Sus dimensiones son: 

Tiempo en que se realizará el escarificado



Calidad del escarificado

VD: GRANOS ESCARIFICADOS Producto que se obtendrán a la salida de la máquina. Sus dimensiones son: 

Porcentaje de saponina en el grano escarificado.

2.3.2 Definiciones operacionales VI: MAQUINA ESCARIFICADOR DE QUINUA La función de la máquina, consistirá en la fricción entre granos por acción mecánica (escarificado); se obtiene la saponina en forma de polvo,

TESIS ASTETE

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