2023.08.04.6
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Estudio de cinética de fermentación alcohólica de cacao en cajón tipo madera
Study of kinetics of alcoholic fermentation of cacao in a wooden box

María Eugenia García2,; José Luis Altuna1,; Rommel Aaron
Pazmiño Vallejo1,; Dayana Belén Troya Carrera1, , Juan Gaibor Chávez1, *
1 Carrera de Agroindustrias; Facultad de
Ciencias Agropecuarias, Recursos Naturales y de Ambiente; Universidad Estatal
de Bolívar – Ecuador
2 Facultad de Ciencia e Ingeniería en
Alimentos y Biotecnología, Universidad Técnica de Ambato – Ecuador
Available from:
http://dx.doi.org/10.21931/RB/2023.08.04.6
RESUMEN
La
investigación se enfocó en valorar la influencia de fermentadores en cajones de
madera: Guayacán (Tabebuia Chrysantha),
Laurel (Laurus nobilis), y Caña (Guadua angustifolia) sobre la
calidad fisicoquímicas de las almendras de cacao (Theobroma cacao L.). Se
aplicó un diseño AXB con arreglo factorial (2x3) y se determinó el porcentaje
de fermentación en los tres tipos de cajas visualizando el 60 % mínimo de
almendras bien fermentadas, granos violetas 21 %, granos pizarrosos superó el
12 %, lograr las mejores características organolépticas en el grano de cacao
resultante, implica un adecuado tratamiento, mejores prácticas aplicadas y la
incorporación de un tipo de fermentador que garantice el éxito del proceso.
Cabe
señalar que el primer proceso se ve afectado por varios factores tales como:
tipo de madera a utilizar para la construcción de los cajones, dimensiones de estos,
el tamaño de los orificios que permiten la evacuación del mucilago y las
remociones que se le dé a la masa durante el proceso. El proceso fermentativo
se convierte en el principal proceso del beneficio pues los cambios que se
originan son fundamentales para que aparezcan los agentes precursores del aroma
y sabor típicos del cacao de calidad. Es por eso por lo que se ha utilizado un
modelo matemático para poder determinar datos importantes en la fermentación
alcohólica que se realiza en las cajas. Dicho de esta manera se aplica una
modelación matemática para la fermentación de Cacao (Theobroma cacao L.),
para la cinética correspondiente, el comportamiento de la biomasa con el
consumo de sustrato y el comportamiento del sustrato y Crecimiento microbiano
por medio de los modelos matemáticos de Monod y de Andrews y Levenspiel.
Palabras clave: Crecimiento Microbiano,
Fermentación Alcohólica, Mucilago, Madera, Matemáticas Modelos.
ABSTRACT
The research focused on assessing the influence
of fermenters in wooden boxes: Guayacán (Tabebuia Chrysantha), Laurel (Laurus
nobilis), and Cane (Guadua angustifolia) on the physical-chemical
quality of cocoa kernels (Theobroma cacao L.). An AXB design with the factorial
arrangement (2x3) was applied, and the percentage of fermentation in the three
types of boxes was determined, visualizing the minimum 60% of well-fermented
almonds, violet grains at 21%, slate grains exceeding 12%, achieving the best
characteristics. Organoleptic characteristics in the resulting cocoa bean imply
adequate treatment, best-applied practices, and the incorporation of a type of fermenter
that guarantees the success of the process.
It should be noted that the first process is
affected by several factors, such as the type of wood to be used to construct
the drawers, their dimensions, the size of the holes that allow the evacuation
of the mucilage, and the removals that are given. To the dough during the
process. The fermentation process becomes the primary benefit since the changes
are essential for the precursor agents of the typical aroma and flavor of
quality cocoa to appear. That is why a mathematical model has been used to
determine crucial data in the alcoholic fermentation in the boxes. In this way,
mathematical modeling is applied for the fermentation of Cocoa (Theobroma
cacao L.) for the corresponding kinetics, the biomass's behavior with the
substrate's consumption and the substrate's behavior and microbial growth
through mathematical models of Monod, Andrews and Levenspiel.
Keywords: Microbial Growth, Alcoholic Fermentation, Mucilage, Wood.
INTRODUCCIÓN
El Ecuador, está situado entre los
principales productores a nivel mundial de cacao1 ; se produce en 16 de las 24 provincias en las cuales está
dividido, con 527327 ha cosechadas2 . Por tanto, se convierte en una materia prima con mucho
potencial. Una de las operaciones primordiales para alcanzar la calidad del
chocolate es la fermentación3 , se produce un proceso mayoritariamente anaeróbico, en el cual las
levaduras anaeróbicas facultativas producen etanol a partir de la glucosa
presente en la pulpa de los granos de cacao, posterior bajo condiciones
semianaeróbicas que siguen al crecimiento inicial de la levadura favorecen las bacterias
ácido lácticas (BAL) microaerófilas que convierten la glucosa, la fructosa y el
ácido cítrico principalmente en ácido láctico, ácido
acético y/o manitol. Cuando la mayor parte de la pulpa ha sido degradada debido
a la acción pectinolítica. Por la actividad de las levaduras, se dispone de
oxígeno y se desarrollan las bacterias del ácido acético las cuales son estrictamente
aerobias, produciendo ácido acético a partir de etanol en una reacción de
oxidación exotérmica, lo que hace que la temperatura de la masa de frijol
aumente a 50 °C o más y convierta el lactato en acetoína y componentes básicos
de biomasa4 .
En la presente investigación se ha realizado una revisión
bibliográfica exhaustiva de las mejores prácticas para la construcción y uso de
prototipos de fermentación, diseñando una caja tipo de madera utilizada para el
proceso de fermentación de cacao (Theobroma cacao L.), se
realiza el estudio de cinética de la fermentación alcohólica de cacao y se
obtiene biomasa, priorizando como propósito de esta investigación, producir
biomasa (Saccharomyces Sereviciae), el objetivo de optimizar el proceso
y obtener un mayor rendimiento de bioetanol a partir de estos materiales.
MATERIALES Y MÉTODOS
La
fase experimental de la investigación se realizó en el centro de Acopio
perteneciente a la Unión de Organizaciones de Participación Social por la
Justicia del Cantón las Naves, cuya situación geográfica 01º16`0” latitud
oeste, con una temperatura máxima de 32 °C y una humedad relativa de 85%.
El
cacao fue obtenido en el cantón las naves (30kg de masa fresca de cacao
nacional).
Se
trabajó con cajas de madera (laurel, guayacán y caña), por un lado, cuadradas
que tuvieron las siguientes dimensiones: 45 cm de largo, 45 cm de ancho y 45 cm
de alto y, rectangulares de dimensiones: 60 cm de largo, 50 cm de ancho y 30 cm
de alto, tomado del estudio de14 . La investigación
fue de carácter exploratoria, descriptiva y experimental, puesto a que no se ha encontrado datos sobre la utilización de maderas (laurel, guayacán y caña) en la
fermentación de cacao (Theobroma cacao L.).
Se empleó un diseño experimental de dos factores AxB con un arreglo
factorial (2x3), tomando como factor A al diseño de caja (cuadrara y
rectangular) y factor B el tipo de madera (laurel, guayacán y caña), dando un
total 6 tratamientos y realizando 3 repeticiones con un total de 18 unidades
experimentales; para la comparación de la media de
los tratamientos se utilizó la prueba de rangos múltiples de Tukey (p ≤ 0,05).
Análisis Proximal
Se
caracterizó la materia prima cacao (Theobroma cacao L.) empezando por la
determinación de la humedad.
Aplicando
la siguiente ecuación:

Donde:
: masa del
cristalizador sin tapa tarado en gramos.
: masa del cristalizador
tarado sin tapa más muestra en gramos.
: masa del
cristalizador tarado sin tapa más muestra desecada en gramos15 .
También
se realizó un análisis de ceniza que representa la parte inorgánica residual
después de que el material orgánico se ha quemado a altas temperaturas. Durante
el proceso de incineración, los componentes orgánicos se descomponen y se
queman, dejando atrás los minerales inorgánicos en forma de ceniza. Los
minerales presentes en la ceniza incluyen calcio, fósforo, magnesio, potasio,
sodio y otros elementos traza.
Por
lo cual se aplicó la siguiente ecuación:

Donde:
: masa del crisol
vacío (g)
: masa del crisol con
la muestra (g)
: masa del crisol
más la ceniza (g)
Fermentación
La
fermentación alcohólica se realizó en un biorreactor homogéneo de tipo batch
(cajones de madera). Teniendo en cuenta que para la fermentación de cacao
existen algunas sucesiones de consorcios de microorganismos, para el
experimento relacionado a la fase alcohólica, empleamos levaduras de tipo Saccharomyses
Cerevisiae Que entran en contacto con la fuente de azúcares de cacao y
empieza el proceso de fermentación en donde se descomponen en alcohol etílico y
dióxido de carbono, liberando así energía, de acuerdo a la investigación de16 .
Cuantificación de la glucosa
Para
la cuantificación de la glucosa se realizó mediante un espectrofotómetro
infrarrojo BOECO, realizando previamente las curvas de calibración (método
NIRS), esta técnica de espectroscopia de infrarrojo cercano ha emergido como un
enfoque valioso y eficaz en la industria alimentaria, como un método analítico
que ofrece ventajas significativas en términos de eficiencia y precisión en la
determinación de compuestos químicos en productos alimentarios17
Cuantificación de la biomasa
La
cuantificación de biomasa se realizó mediante el método de peso seco, para lo cual
se tomaron muestras y se colocaron en una estufa de la marca Kalstein a una
temperatura constante de 105 °C hasta alcanzar un peso estable18 .
Cuantificación del bioetanol
La
cuantificación del bioetanol se realizó mediante el método de “Winnick o
microdifusión”, para lo cual, se centrifugaron las muestras durante 15 minutos
a 4000 rpm, posterior se extrajeron 1ml del líquido sobrenadante, luego, se
diluyó con agua destilada hasta un volumen final de 100 ml19 .
Modelación matemática
Para la cinética correspondiente a la fermentación de Cacao (Theobroma
cacao L.), se planteó usar los siguientes modelos20.
Modelo de Monod
Este modelo estudia el efecto de la
concentración de sustrato sobre la rapidez de crecimiento, donde la velocidad
específica de crecimiento de las células durante las fases de crecimiento y
desaceleración depende de la concentración de nutrientes existentes en el medio
21 .

Donde:
velocidad máxima específica de crecimiento
Para
modelar la producción de biomasa y bioetanol durante el proceso de fermentación
se emplea la Ecuación Logística integrada, durante las fases exponencial y
estacionaria del crecimiento de la levadura 22 .

Donde:
: Concentración inicial de masa
: Concentración celular máxima
: Taza de crecimiento específica máxima
Para
determinar parámetros cinéticos necesarios para la modelación se empleó, el
modelo de Andrews y Levenspiel el cual considera el sustrato y producto; este
modelo ha sido ampliamente utilizado para describir el comportamiento dinámico
de la fermentación alcohólica 23 .

Donde:
: Constante de inhibición del sustrato
: concentración máxima de etanol a la que se
detiene el crecimiento celular
: Concentración del sustrato limitante
: Constante de saturación
RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Tabla 1. Tabla de datos obtenidos experimentalmente
y adaptados a los modelos matemáticos de Monod y la ecuación logística
integrada
En
la tabla 1 se reportan los datos experimentales, a partir de los cuales se adaptan
a los modelos matemáticos de Monod y la ecuación logística integrada para
continuar con el proceso de modelamiento. El tiempo como variable independiente
corresponde a las horas donde se midieron las variables como: biomasa por el
método de peso en seco, la concentración de sustrato disponible, la velocidad
de crecimiento que representa la primera derivada de la biomasa respecto al
tiempo y, consumo de sustrato.

Tabla 2.
Parámetros cinéticos obtenidos con el modelo de Andrews y Levenspiel
En
la tabla 2 se reportan cada uno de los parámetros cinéticos obtenidos con el
modelo de Andrews y Levenspiel. Mediante el cual se determinó que el tiempo
ideal para la producción de biomasa y etanol fue de 12 horas, y una
concentración de biomasa de 0,50200493 g/L. Durante este tiempo, se observó que
la velocidad máxima de producción de biomasa alcanzó su valor máximo cuando se
obtuvo la concentración más alta de levaduras en la fermentación.
La
velocidad específica de crecimiento celular (μ) en la fermentación utilizando
el mucílago de cacao fue de 0,18624349 h-1. Un resultado similar
(0,18 h-1) fue informado por24 , aunque existió una
variación casi imperceptible debido a las diferencias en la metodología
utilizada en ambos estudios.
El
modelo de Monod y de la Ecuación Logística integrada, tuvieron , que indica el éxito del ajuste al modelo
matemático, como se puede observar en la figura 1.

Figura 1. Cinética de crecimiento de biomasa y
consumo de sustrato ajustado al Modelo de Monod
De la prueba de rangos múltiples de Tukey (p ≤
0,05) para el diseño experimental propuesto, donde se trabajaron dos factores,
para evaluar la influencia del diseño de la caja y el tipo de madera empleado, permitió identificar el porcentaje de almendras bien fermentadas,
dando como resultado una mejor fermentación de la almendra de cacao en las cajas
de madera cuadradas, mientras que los tres tipos de madera son adecuadas para
garantizar que el porcentaje granos violetas cumplan con lo que establece la
norma; NTE INEN 176:2006 Cuarta Revisión25 . En cuanto al porcentaje
de granos pizarrosos se detecta que supera el rango establecido de 12 máximo,
en las cajas de las maderas de Guayacán y en Caña a diferencia de Laurel siendo
el único que mantiene al cacao nacional en los parámetros establecidos.
Según
Wakao, citado en 26 , la composición química de
los granos de cacao fermentado depende de varios factores entre los que se
puede citar: Tipo de cacao, grado de madurez, calidad de la fermentación y el
secado y además el subsiguiente procesamiento de los granos (tostado). En el estudio
realizado se detalla que los índices físicos de calidad de los granos secos se
relacionan con el grado de madurez de las almendras, es decir, mazorcas que no
están completamente maduras dan origen a granos insuficientemente fermentados,
violetas y pizarrosos.
CONCLUSIONES
El
análisis y modelamiento matemático de la fermentación es muy amplio en relación
a otras fermentaciones ya que comprende algunas fases, consorcios de
microorganismos y compuestos resultantes, por eso resulta útil enfocarse en una
fase. El mucílago de cacao nacional, que es un subproducto generado por la
industria en expansión del cacao, tiene un enorme potencial como materia prima
para la obtención de alcohol. Debido a su abundancia en Ecuador y a su
contenido de azúcares fermentables, este residuo se presenta como una fuente
prometedora para la producción de alcohol.
De
acuerdo al análisis de la variable humedad, no hay diferencia estadísticamente
entre tratamientos por lo tanto todos los tratamientos son estadísticamente
iguales. A su vez los resultados del análisis de la variable temperatura, se
establece el mejor tratamiento corresponde del diseño de caja cuadrada de
madera de laurel. El tipo de madera en el que se obtuvo un proceso de
fermentación adecuado fue el laurel, en este los cotiledones presentan una
coloración marrón o marrón oscuro, de aspecto quebradizo, con estrías bien
abiertas.
Para
próximas investigaciones se recomienda analizar los compuestos naturales de la
madera utilizada en la fermentación de cacao, antes, durante y después de hacer
uso como cajones fermentadores.
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Received: 28 September 2023/ Accepted: 15
November 2023 / Published:15 December 2023
Citation:
Garcia
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Publisher's
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