La generación de color en el proceso de producción de azúcar: Influencia de la materia prima

La generación de color en el proceso de producción de azúcar: Influencia de la materia prima Alfaro Herrera, Oscar Fernando, García Cárcamo, Ricardo Antonio y Renderos Arrué, José Carlos. Departamento de Ingeniería de Procesos y Ciencias Ambientales, Universidad Centroamericana José Simeón Cañas, El Salvador [email protected], [email protected] y [email protected]

Abstract- La calidad de la caña de azúcar que ingresa al proceso de producción no solo afecta la eficiencia del proceso, sino que también afecta la generación de color dentro de este y a la calidad del producto final. Se ha estudiado la influencia del contenido de materia extraña en el color y el contenido de precursores de color: aminoácidos, flavonoides, azúcares reductores, hierro y la pureza del jugo de caña para dos variedades de caña predominantes en el país. Se ha encontrado una directa relación entre el contenido de materia extraña y el contenido de precursores de color. También queda evidenciado el impacto en el incremento tanto en el color como en el contenido de aminoácidos y flavonoides a causa de la corta mecanizada. Palabras clave: caña de azúcar, color, corta mecanizada, aminoácidos, materia extraña, pigmentos, precursores de color.

I.

INTRODUCCIÓN

El color del azúcar producido es un aspecto de calidad muy importante para la industria. Los precursores y colorantes, que aportan el color al azúcar poseen dos principales fuentes: los generados en la caña de azúcar extraído en el jugo (30%) y los compuestos coloreados formados en el proceso de fabricación (70%) [1]. Este estudio se enfoca en el estudio de los pigmentos y precursores de color que se encuentran naturalmente en la caña de azúcar. Los precursores de color son las sutstancias que si bien por sí misma son aportan significativamente color al jugo, son sustratos para la generación de color en reacciones dentro del proceso (pardeamiento enzimático, reacciones Maillard, caramelización, formación de complejos coloreados, oxidaciones, etc.). La cantidad y proporción de precursores de color (enzimas, fenoles, azúcares reductores, aminoácidos, hierro, polisacáridos, entre otros) y pigmentos naturales en la caña de azúcar no es constante y varía de acuerdo con la variedad y madurez de la caña, tipo y humedad del suelo, uso de fertilizantes, forma de cosecha e inclusive el uso de pesticidas y madurantes [2]. Así mismo la cantidad de materia extraña incluida en la caña afecta al color y a la concentración de los precursores de color [3]. Según las investigaciones desarrolladas por Legendre [2], Zossi et al. [4], Rupa y Asokan [5] entre otros, tanto el color como el contenido de precursores de color presentan diferencias significativas

con respecto a las distintas variedades de caña así como con el grado de madurez del cultivo, encontrándose un aumento en estos indicadores cuando la caña es cosechada en verde. Aunque el contenido de precursores puede cambiar según la variedad, las principales variaciones son determinadas por el tipo de cosecha; se ha encontrado que el contenido de fenoles y aminoácidos puede llegar a ser de entre 7.3 y 2.5 mayor en caña mecanizada con respecto a caña limpia [6]. La inclusión progresiva de la corta mecanizada en la caña de azúcar introduce a la fábrica lo que se conoce en la industria azucarera como “materia extraña”, que se define como todo aquel material que no es tallo limpio rico en sacarosa y se compone principalmente de hojas, cogollos (puntas), suelo y raíces. La materia extraña disminuye la pureza y los fosfatos (importantes en la clarificación), mientras que aumenta el color y el contenido de nitrógeno amínico [3]. Se ha llegado a determinar que, como parte de la materia extraña, las hojas y los cogollos son los principales aportadores de colorantes naturales y precursores de color al proceso [3], un 1% adicional de cogollo u hojas incrementan el color total del jugo en 4% y 15% respectivamente, por lo cual una cantidad significativa de hojas y cogollo puede tener un efecto determinante sobre el color, mayor que el efecto de la variedad de la caña [7], tal como se ha mencionado. La TABLA 1 presenta como varía el contenido de fenoles con respecto al color del jugo extraído de las diferentes partes de la caña de azúcar, esto confirma el significativo aporte de la materia extraña respecto al color, principalmente los cogollos y las hojas, los cuales componen un 25 a 40% de la materia extraña [7]. TABLA 1 LECTURAS DE COLOR DE JUGO EN PARTES DE LA CAÑA DE AZÚCAR [8] Materiales Entrenudos Nudos Raíces Tallo limpio (nudos y entrenudos) Cogollos Hojas y demás material extraño

Fenoles totales (ppm °Brix) 2300 4855 8868 4140 21855 73823

Color IU 5500 20700 28900 13400 139700 640000

Según lo expuesto anteriormente se puede establecer que la caña cosechada y limpiada a mano es la mejor materia prima para la producción de azúcar [2], debido al bajo contenido de materia extraña. La limpieza de la caña en húmedo o en seco también ayuda a eliminar la mayoría de la materia extraña, aunque los mejores resultados son obtenidos con el segundo tratamiento [7]. La sequía también posee efectos adversos sobre el contenido de precursores de color y la calidad del jugo. El contenido fenólico de caña sometida a estrés hídrico puede presentar un aumento de más del 100% [8]; así mismo el estrés hídrico puede aumentar el contenido de sacarosa (efecto de concentración), y con ello serios problemas de color [6]. Lo anterior puede notarse al observar la TABLA 2, esta muestra la relación entre el color y otros factores con respecto al estrés hídrico. TABLA 2 INCIDENCIA DEL ESTRÉS HÍDRICO EN EL COLOR, PRECURSORES Y FÓSFORO EN LA CULTIVO DE LA CAÑA [6] Humedad en el suelo (%) 100 80 50 20

Color (IU) 8240 8140 11600 13340

Turbidez 0.34 0.42 0.61 0.64

Fósforo (mg/l) 380 229 195 228

Aminoácidos (mg/l) 48 183 195 230

Fenoles (mg/l) 584 569 587 633

Respecto a la nutrición de la caña de azúcar y en especial a los macronutrientes (Nitrógeno, fósforo y potasio), se ha determinado que la principal consecuencia del incremento en la aplicación de nitrógeno en el campo es estimular el crecimiento vegetativo, éste rápido crecimiento implica altos niveles de nitrógeno, no azúcares y bajo contenido de sacarosa en la planta. Por lo tanto, la aplicación excesiva de nitrógeno ocasiona problemas en la calidad de la caña; se ha registrado una media óptima de 50 kg de nitrógeno por hectárea cultivada según el estudio realizado por Meyer [9], sin embargo este valor depende de otras condiciones de cultivo. Ya desde 1932, Hance había identificado un regular y consistente aumento de los compuestos nitrogenados con el aumento de fertilizantes a base de nitrógeno, donde el aumento se evidenció principalmente en las hojas [10]. Otros estudios demuestran, así mismo, que incrementos en la dosificación de nitrógeno incrementan el contenido de no azúcares y principalmente al aumento de aminoácidos y contenido fenólico total, aunque las variables son afectados por otros factores ambientales y del cultivo [9], [5], [11] y [12]. Así mismo, se ha llegado a identificar que el incrementar la dosificación de nitrógeno tiene efectos opuestos en el color del azúcar: disminuye el color del jugo en alrededor de un 15% pero incrementa el contenido de aminoácidos de hasta un 250% y el impacto neto de estos dos factores es el de incrementar el color del azúcar y su propensión a incrementar el color durante el almacenamiento [11]. Por otro lado, cabe destacar que el potasio es importante en la síntesis vegetal, cuando existe una deficiencia de este elemento el contenido de sacarosa disminuye y aumentan los azúcares reductores en la caña [6]. Finalmente el contenido fósforo es clave para la clarificación y el contenido de éste en los jugos debe ser entre 300 y 600 mg/l expresados como (P2O5), la importancia del fosfato se debe a su efecto sobre la formación de los fosfatos de calcio que se forman con el encalamiento, de tal manera que estos coadyuven a la floculación de los materiales insolubles suspendidos [7]

El propósito de este estudio es determinar cuantitativamente el efecto de la concentración de materia extraña en el color y contenido de colorantes del jugo de caña recién extraído. Así mismo se pretende determinar cuáles son las diferencias en el color y en el contenido de aminoácidos y flavonoides presentes en las dos variedades de caña de azúcar mayoritariamente cultivadas en El Salvador (CP-72-2086 y MEX-79-431).

I. A.

MATERIALES Y MÉTODOS Preparación de la muestra

Las muestras de jugo de caña fueron extraídas según el procedimiento de muestreo determinado por el manual de instrucciones CONSECANA [13], 500 gramos de muestra de caña desfibrada se prensaron a 24.5 MPa durante 1 minuto, la adición de materia extraña se realizó separando aleatoriamente materia extraña de caña y desfibrándola y agregando a la muestra de caña limpia en proporciones especificadas.

B.

Cuantificación de flavonoides

La cuantificación de flavonoides se basa el método colorimétrico del cloruro de aluminio en medio básico según lo propuesto por Samatha et al. [14]. Se ha empleado soluciones de nitrito de sodio (5%), tricloruro de aluminio (10%) e hidróxido de sodio (4%), todos en concentración m/v. El jugo es filtrado en papel filtro Whatman N°91 seguido por filtración a vacío a través de una membrana de tamaño de poro de 45µm empleando una bomba de vacío GAST modelo DOA-P104AA, para eliminar todos los rastros de bagacillo y materia en suspensión. Una vez obtenidos los filtrados de las soluciones, se tomó 0.5 ml de las muestras y se les adiciono 0.15 ml de la solución de nitrito de sodio y dejándose reposar por 6 minutos, pasado este tiempo se adicionaron otros 0.15 ml de tricloruro de aluminio, agitado y dejó reposar por 6 minutos. Al finalizar los 6 minutos se añadió 2 ml de hidróxido de sodio, llevando a un volumen de 5 ml con agua destilada y reposando por 15 minutos a temperatura ambiente, luego se determinó la absorbancia de la solución en un espectrofotómetro SHIMADZU modelo Uvmini 1240 a una longitud de 510 nm. Para la elaboración del blanco se ha seguido el mismo procedimiento sin emplear tricloruro de aluminio para evitar la formación del complejo coloreado. El contenido de flavonoides se expresa como equivalentes de catequina, empleando este patrón de calidad HPLC con una pureza mayor al 99.9%.

C.

Cuantificación de aminoácidos

La cuantificación de aminoácidos se basa en un método colorimétrico empleando ninhidrina, según lo propuesto por Sun Wang [15]. La preparación de las muestras a analizar ha realizado de la misma forma que en la cuantificación de flavonoides. Se tomó 5 ml de muestra preparada y se le ha adicionado 1 ml de una solución de

nihidrina en etanol a una concentración de 0.35% m/v, posteriormente se ha colocado las muestras en un baño María PRECISION modelo 51221073 a una temperatura de entre 90 a 100°C durante 20 minutos. Posteriormente las muestran han sido diluidas en 50 ml y medido su absorbancia por medio de un espectrofotómetro SHIMADZU modelo Uvmini a una longitud de onda de 570 nm. Para la preparación del blanco se emplea la muestra sin nihidrina. El patrón utilizado para la cuantificación de los aminoácidos ha sido L-alanina con una pureza mayor del 98%. El contenido de aminoácidos se expresa como equivalentes de ácido aspártico debido a que es el aminoácido más abundante en el jugo de caña según la reportado por Roberts y Martin [16].

420 nm y el °Brix por medio de un refractómetro ATAGO modelo PR-201, los resultados se expresan en unidades ICUMSA (UI).

II.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La Fig. 1 muestra los resultados obtenidos a partir de la adición de proporciones fijas de materia extraña a caña limpia. Tal cual otros investigadores ya lo habían confirmado, la materia extraña aumenta el color en los jugos extraídos [3]. Sin embargo los resultados obtenidos demuestran cuantitativamente el efecto del porcentaje de materia extraña en el color de los jugos. 10000

La medición de azúcares reductores para azúcar blanco sulfitado se ha realizado según el método de Lane y Eynon a volumen constante, tomado del método ICUMSA GS1/3/7-3 (2005) [17], para esto se ha empleado como reactivos las soluciones de Fehling A (Sulfato de cobre) y B (tartrato de sodio en solución de hidróxido de sodio), solución de azul de metileno al 1%m/v como indicador. En un Erlenmeyer se ha agregado 1 y 5 ml de solución de Fehling A y B respectivamente, se ha mezclado con 25 ml de agua y llevado a ebullición. Luego de esto se han añadido 5 ml de una solución al 50% de la muestra de azúcar junto con tres gotas de azul de metileno. Luego de dejar en ebullición durante 2 minutos se ha titulado la muestra con la misma solución de azúcar a ebullición constante hasta observar la desaparición del color azul. Los resultados se obtienen en función de los mililitros gastados y se expresan en forma de porcentaje en peso.

E.

Cuantificación de hierro

La determinación de hierro en soluciones de azúcar se realizó por medio del método colorimétrico ICUMSA GS2/3/7/8-31 (1994) [17]. Cinco gramos de muestra se incineraron en un crisol a 600 °C en una mufla Barnstead Thermolyne modelo 1400 durante 2 horas, luego las cenizas fueron disueltas en 2 ml de ácido clorhídrico concentrado y 10 ml de agua destilada en un baño María durante 15 minutos, posteriormente se aforó a 50 ml, la muestra aforada se tituló con solución de acetato de sodio 2 M a un pH de 1.5, luego se agregó 1 ml de ácido ascórbico y 1 ml de 1,10-fenantrolina (indicador) dejando reposar por 5 minutos. Después se valoró con solución de acetato de sodio 0.2 M hasta elevar el pH hasta 3.5, se transfirió toda la muestra a un balón de 50 ml y luego de 20 min fue medida en espectrofotómetro SHIMADZU modelo Uvmini a una longitud de onda de 490 nm. Para la solución patrón se ha utilizado sulfato de hierro amoniacal.

F.

Determinación del color

La medición de color para jugos es una adaptación del método ICUMSA GS2/3-10 (2011) [17]. En se preparó una disolución del jugo a un °Brix de 5%, el pH de estas soluciones se ajustó hasta un valor de 7 y luego filtró al vacío a través de una membrana con un tamaño de poro de 45 µm. Finalmente a las soluciones se les determinó su absorbancia por medio de un espectrofotómetro SHIMADZU modelo Uvmini a una longitud de

9000 8500 8000 7500 7000 6500 6000 0%

15% 20% 25% 30% Materia extraña Fig. 1 Relación entre el color del jugo y el contenido de materia extraña

5%

10%

La Fig. 2 muestra la variación en el contenido de flavonoides con respecto al porcentaje de materia extraña contenido en el jugo extraído de la caña, como puede observarse al incrementarse el contenido de materia extraña se incrementa el contenido de flavonoides, lo cual es de esperarse ya que según lo expuesto anteriormente, un incremento en la cantidad de hojas y cogollos puede tener un efecto determinante sobre el color, mayor que el efecto de la variedad de la caña [7] debido al elevado color y contenido de fenoles que estas partes de la caña poseen. Algunos autores incluso afirman que el contenido de fenoles puede llegar a ser 7.3 veces más alto cuando la corta es mecanizada respecto a caña limpia [6], aunque esto depende de la composición y porcentaje de la materia extraña incluida en la caña

Flavonoides (ppm °Brix)

Cuantificación de azúcares reductores

Color jugo (UI)

9500

D.

5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 0%

10% 20% 30% % Materia extraña Fig. 2 Relación entre el contenido de materia extraña y la concentración de flavonoides

La materia extraña aumenta el contenido de nitrógeno amínico [3], lo cual es congruente con los resultados obtenidos mostrados en la Fig. 3, y a pesar de que los aminoácidos no son pigmentos por sí mismo, son precursores del color y con ello pueden causar problemas con respecto al desarrollo de color tanto durante el

2.85%

1.5 1.4

2.80% 2.75%

1.3

1.2 1.1 1.0

2.70%

0.9

2.65%

0.8 0%

2.60% 2.55% 0%

10%

20%

30%

% Materia extraña Fig. 3 Relación entre el contenido de materia extraña y la concentración de aminoácidos

Azúcares reductores (%°Brix)

La Fig. 4 muestra la relación entre el contenido de materia extraña y azúcares reductores, al igual que los aminoácidos, aunque los azúcares reductores no son pigmentos son precursores del color y demuestran tener el mismo comportamiento creciente con respecto al contenido de materia extraña. Es un poco más difícil considerar el efecto de la materia extraña con respecto al contenido de azúcares reductores en el jugo extraído, ya que este depende del grado de deterioro que la caña haya sufrido, el cual está muy relacionado con los tiempos entre corta, quema y molienda, esto con respecto a la inversión de la sacarosa. 7.0 6.8 6.6 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0

10% 20% 30% % Materia extraña Fig. 5 Relación entre el contenido de materia extraña y la concentración de hierro

La materia extraña disminuye la pureza [3] y el comportamiento de esto puede ser observado en los resultados mostrados en la Fig. 6. Como podría ser esperado, el aumento en la cantidad de otros compuestos ocasiona una disminución en la pureza de los jugos, es decir en el contenido de sacarosa, y con ello afecta en el rendimiento del proceso.

Pureza jugo (%)

Aminoácidos (%°Brix)

la presencia de hierro cataliza algunos mecanismos de generación de color tales como la reacción de Maillard [18] y la caramelización, en donde el hierro reduce la temperatura a la cual esta se da hasta los 40°C [19].

Hierro (ppm Brix)

proceso como durante el almacenamiento si el contenido de aminoácidos en los cristales de sacarosa es alto. Aunque el contenido de precursores pueden cambiar según la variedad de caña, por lo general se ha observado que el contenido de aminoácidos es 2.5 mayor en caña mecanizada respecto a caña limpia [6], así mismo cabe destacar que la cantidad de aminoácidos que la caña posea depende de una serie de diversos factores dentro de los cuales están la fertilización, estrés hídrico, entre otros.

85.4 85.2 85.0 84.8 84.6 84.4 84.2 84.0 83.8 83.6 83.4 0%

10% 20% 30% % Materia extraña Fig. 6 Relación entre el contenido de materia extraña y la pureza

0%

10%

20%

30%

% Materia extraña Fig. 4 Relación entre el contenido de materia extraña y la concentración de azúcares reductores

En la Fig. 5 pueden observarse los resultados obtenidos a partir de las mediciones del contenido de hierro presente en el jugo de caña extraído conteniendo proporciones definidas de materia extraña. La tendencia es muy clara, cuanta mayor cantidad de materia extraña se posea, mayor será el contenido de hierro. El hierro es otro tipo de compuesto, que aunque no presenta color por sí mismo, genera problemas de color al interactuar y reaccionar con otros compuestos como es el caso de los compuestos fenólicos. Así mismo,

La Fig. 7 muestra más claramente el impacto de la materia extraña en el porcentaje de incremento de los parámetros estudiados anteriormente, los resultados mostrados en la Fig. 7 han sido obtenidos a partir de las líneas de tendencia de cada una de las figuras anteriores. Es evidente el impacto que genera la materia extraña en el color y el contenido de hierro, así mismo el porcentaje de incremento en el contenido de azúcares reductores es mucho más significativo en comparación al de aminoácidos, por lo cual podría considerárseles, en conjunto con el contenido de hierro y flavonoides, como los principales precursores de color que ingresan al proceso debido al incremento en la cantidad de materia extraña. Sin embargo, debe considerarse que la corta mecanizada puede llegar a incluir un contenido mucho mayor de hojas y cogollos [7] y con ello el impacto real que la materia extraña pudiera llegar a ocasionar, a causa de la corta mecanizada, pudiera llegar a ser mucho mayor.

precursores de color a causa del incremento en la materia extraña generado por el corte mecanizado.

Color

Hierro

Flavonoides

Azúcares reductores

REFERENCIAS

Aminoácidos

Porcentaje de Incremento

60%

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50% 40% 30% 20% 10% 0% 5%

10%

15%

20%

25%

30%

% Materia extraña Fig. 7 Relación entre el contenido de materia extraña y el contenido de color y precursores de color

Por otro lado se ha investigado la variación en el color y contenido de aminoácidos y flavonoides en las dos variedades de caña predominantemente cultivadas en El Salvador, con respecto al tipo de cosecha empleada (manual o mecanizada). Los resultados obtenidos se muestran en la TABLA 3 y puede observarse que la corta mecanizada incrementa en un 39% el color para ambas variedades de caña, así mismo el contenido de flavonoides incrementa uniformemente para ambas variedades. El porcentaje de incremento de aminoácidos entre las dos variedades con respecto al tipo de corte presenta una diferencia significativa, aun así se evidencia un incremento. TABLA 3 RELACIÓN ENTRE CORTA MECANIZADA Y MANUAL PARA 2 VARIEDADES DE CAÑA Variedad CP-72-2086 MEX-79-431 Promedio

% Incremento corta mecanizada/caña limpia Color Aminoácidos Flavonoides 39 30 35 39 5 34 39 17 35

III.

CONCLUSIONES

La relación entre el contenido de materia extraña con respecto al color y contenido de precursores de color es muy clara, mientras mayor proporción de materia extraña presente la caña, mayor será la proporción de estos parámetros que a excepción del contenido de azúcares reductores, puede considerarse muy significativo incluso para bajas cantidades de materia extraña, generando un incremento desde el 3% hasta más del 55% en estos parámetros. Así mismo, no se han llegado a encontrar diferencias significativas con respecto al color, contenido de aminoácidos y flavonoides presentes en las dos variedades de caña estudiadas, cuando es comparada la calidad de la caña limpia y mecanizada. Es así como se puede identificar claramente el impacto que genera la corta mecanizada en el ingreso de una mayor proporción de color y

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