Agroindustrial Science (2011) 19 - 12

Influencia del tiempo de fermentación y presión durante la destilación de mosto fermentado de maíz (Zea mays) en el grado alcohólico del destilado

Influence of fermentation time and pressure during the distillation of wine fermented maize (Zea mays) in the alcoholic strength of distilled

Martín Arteaga Sebastián a, David Asencio González a, Raúl Blas Tello a, Carlos Castillo Cherre a, Luís

Collantes Arana a, Marlon Echevarría Ruíz a

a. Escuela de Ingeniería Agroindustrial, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Nacional de Trujillo, Av. Juan Pablo II

s/n, Ciudad Universitaria, Trujillo, Perú

Recibido 19 diciembre 2011

Resumen

En el presente trabajo se evaluó el efecto del tiempo de fermentación (50 – 100 horas) del mosto de jora y de la presión (0.41325-

1.01325 bar) utilizada durante la destilación de la chicha de jora, sobre la graduación alcohólica (°GL) del destilado. Para ello se

utilizó la metodología de Superficie de Respuesta en la que se aplicó un Diseño Compuesto central Rotacional (DCCR), con dos

factores: tiempo de fermentación y presión como variables independientes, y como variable dependiente la graduación alcohólica.

Después de obtener la malta de maíz de jora (Zea mayz), mediante germinación y tostado, se procedió a moler los granos hasta harina.

La harina de jora fue sometida a cocción y posteriormente a la adición de levadura (Saccharomyces cerevisiae) para fermentar la jora

durante diferentes intervalos de tiempo y obtener la chicha. Paso siguiente, se utilizó una destilación simple a diferentes presiones

para la obtención del destilado de chicha de jora.

Los resultados obtenidos determinaron que para obtener una graduación alcohólica adecuada para un destilado el tiempo de

fermentación fue de 50 a 85 horas y no influenciando significativamente la presión.

Palabras clave: Chicha de jora, fermentación, destilación simple, graduación alcohólica.

Abstract

This study evaluated the effect of time of fermentation (50 - 100 hours) of jora corn wort and the pressure (0.41325-1.01325 bar)

used during the distillation of jora corn cider on the alcohol content (°GL) of the distillate. We used the Response

Surface methodology in which applied in a central composite rotational design (CCRD) with two factors: fermentation time and

pressure as independent variables, and the dependent variable alcohol content.

After obtaining the jora corn malt (Zea mays) by germination and roasting, we proceeded to grind grain to flour. Jora corn flour was

subjected to boiling, then, the addition of yeast (Saccharomyces cerevisiae) to ferment jora corn during different time intervals and get

the cider. Next step, simple distillation method at different pressures was used to obtain distillate of jora corn cider.

The results determined that for a suitable alcohol distillate, fermentation time was 50 to 85 hours and not significantly influenced

by pressure.

Keywords: Jora corn cider, fermentation, simple distillation method, alcohol content.

1. Introducción:

Uno de los procesos de separación más difundido a nivel

industrial es la destilación, ya que permite obtener productos

de elevada pureza y recuperar sustancias que pueden ser

reincorporadas al proceso. Uno de los casos es la destilación

simple, la cual los vapores producidos son inmediatamente

canalizados hacia un condensador, el cual los refresca y

condensa de modo que el destilado no resulta puro (Seader y

Henley, 1998).

La chicha de jora es una bebida alcohólica oriunda del Perú,

cuyo origen se remonta a la época preincaica. Es ampliamente

consumida en el Perú y en otros países latinoamericanos,

constituyéndose en mercado potencial de consumo que

posibilitaría su industrialización (MilIa, 1959).

Actualmente, su elaboración es de carácter artesanal,

observándose variaciones en el uso de insumos, métodos de

elaboración y productos obtenidos. La elaboración tradicional

es deficiente en cuanto a higiene y sanidad. Bajo estas

condiciones la fermentación natural puede presentar

características toxicológicas, por lo que existe una

alta probabilidad de que el producto final no sea apto para el

consumo humano (Bush, 1952).

Agroindustrial Science

Escuela de Ingeniería Agroindustrial

Universidad Nacional de Trujillo

El presente trabajo tiene por objetivo determinar la influencia

del tiempo de fermentación y presión durante la destilación, en

el grado alcohólico del destilado, y así encontrar los

parámetros necesarios para obtener un destilado con un grado

alcohólico similar a las bebidas destiladas más comerciales

como son el pisco, ron, vodka, etc. Además, de obtener un

producto con un mejor aspecto y un mayor valor agregado.

Para esto se utilizó un Diseño Compuesto Central Rotacional

(DCCR) y la metodología de superficie de respuesta.

2. Materiales y métodos

Se adquirió maíz de jora (Zea mays) en el centro de abastos

“La Hermelinda”, el cual fue desgranado y puesto a remojar

durante aproximadamente 24 horas. Luego de este tiempo, se

colocó los granos sobre una cama de fibra de algodón

aproximadamente durante 72 horas, tiempo en el que se logró

la germinación con un tallo del doble del tamaño del grano. A

continuación, se realizó el secado por lotes de los granos

germinados, utilizando un sartén y cocina a gas. El producto

obtenido del secado fue llevado a un molino manual para así

obtener la harina de jora.

Para la elaboración del mosto de jora, se colocaron 2kg de

harina en 12 litros de agua potable y se llevó la mezcla a

ebullición durante un lapso de 4 horas. Cumplido este tiempo,

se dejó enfriar hasta aproximadamente 30°C para luego

adicionar aproximadamente 6g de levadura liofilizada

(Saccharomyces cerevisiae) marca Fleischmann adquirida en

el Supermercado Plaza Vea y 500g de azúcar blanca.

El mosto se dejó a temperatura ambiente (20 – 25°C) en

envases de vidrio de aproximadamente 4 litros cada uno.

Cerrando las tapas para generar un medio anaerobio y permitir

la fermentación del mosto.

Una vez concluido el tiempo de fermentación, se obtuvo la

chicha de jora con diferentes grados alcohólicos dependiendo

del tiempo de fermentación. Esta chicha de jora fue llevada a

un destilador simple como el mostrado en la figura 1. La

destilación se realizó a diferentes presiones, por lo que

también se utilizaron diferentes rangos de temperatura. Estos

rangos de temperatura fueron determinados utilizando la

ecuación de Antoine.

Figura 1. Equipo de destilación simple

La concentración alcohólica del destilado fue determinada a

través de la medición de su densidad con la ayuda de un

hidrómetro de alcohol especial, también conocido como

alcoholímetro, que normalmente se encontraba calibrado a

20°C, con lecturas hechas en % v/v. El destilado fue colocado

en una probeta y se diluyó hasta 100mL debido que el

volumen obtenido fue muy pequeño.

Fue utilizado un Diseño Compuesto Central Rotacional

(DCRR) tomando en cuenta las variables que se mencionan en

el diseño. Así para dos variables independientes, usando

factoriales completos se realizó un planeamiento factorial: 2n

+ 2*n + pc, donde 2 es el número de niveles a ser estudiado (-

1; +1), n es el número variables independientes y pc es la

cantidad de puntos centrales que se repiten. Un Diseño

Compuesto se hace notable mediante la elección de α. El valor

de α es a la vez igual a 2 n/4 (Iemma y Rodríguez, 2005).

Tabla 2. Valores reales y codificados de las variables independientes

Variables Niveles

-1.41 -1 0 1 1.41

X1: tiempo de fermentación (horas) 50 57.25 75 92.75 100

X2: presión (bar) 1.01325 0.92325 0.71325 0.50325 0.41325

En esta investigación se consideraron 2 variables

independientes, por lo tanto 22 + 2*2 + 3, totalizando 11

ensayos, los cuales son mostrados en la tabla 3.

Se construyeron modelos del tipo:

2112

2

222

2

11122110 xxxxxxY

Donde 0 , 1 , ,2 11 , 22 y 12 : coeficientes de

regresión; Y: respuesta, en función de los coeficientes

significativos para la respuesta (grado alcohólico), luego Para

validar los modelos se realizó un ANOVA para los modelos y

el cálculo de los coeficientes de determinación (R2), y el F-cal

que debió ser mayor que el F-tab., indicándonos que el

modelo interpreta adecuadamente la respuesta. Finalmente se

construyeron superficies de respuesta para definir las regiones

de interés.

Tabla1. Valor de α según el número de variables

n 2 3 4 5 6

α ±1.41 ±1.68 ±2.00 ±2.37 ±2.82

Tabla 3. Diseño compuesto central rotacional

Ensayos

Variables independientes

Codificadas Reales

X1 X2 Tiempo de fermentación (horas) Presión (bar)

1 -1 -1 57.25 0.92325

2 1 -1 92.75 0.92325

3 -1 1 57.25 0.50325

4 1 1 92.75 0.50325

5 -1.41 0 50 0.71325

6 1.41 0 100 0.71325

7 0 -1.41 75 1.01325

8 0 1.41 75 0.41325

9 0 0 75 0.71325

10 0 0 75 0.71325

11 0 0 75 0.71325

3. Resultados y discusión

Los resultados obtenidos experimentalmente para cada

tratamiento, son mostrados en la tabla 4. Podemos notar

claramente al comparar los tratamientos 1 y 2, 3 y 4, 5 y 6,

que para una misma presión en la destilación, mayor será el

grado alcohólico del destilado mientras mayor sea el tiempo

de fermentación. De la misma manera, podemos comparar los

tratamientos 7, 8, 9, 10 y 11, en los que se puede notar que

para un mismo tiempo de fermentación, se obtiene destilados

con grado alcohólico cercanos aunque se varíe la presión

durante la destilación.

Tabla 4. Diseño y respuesta del diseño compuesto central rotacional

Ensayos Variables independientes Variable dependiente

Tiempo (horas) Presión (bar) Graduación alcohólica (°GL)

1 57.25 0.92325 34.4

2 92.75 0.92325 37.5

3 57.25 0.50325 38.88

4 92.75 0.50325 50

5 50 0.71325 50

6 100 0.71325 47.058

7 75 1.01325 45.45

8 75 0.41325 46.254

9 75 0.71325 50.031

10 75 0.71325 48.64

11 75 0.71325 52.06

Para comprobar la significancia de las variables

independientes, se realizó un análisis de varianza (ANOVA)

de las mismas. El resultado de este análisis es mostrado en la

tabla 5 donde se puede notar que solo el tiempo de

fermentación influencia de manera significativa en el grado

alcohólico del destilado, puesto que el valor de P mostrado en

la tabla es muy pequeño (P < 0.05). Los valores de P se

utilizan como una herramienta para verificar la significación

de cada coeficiente, que a su vez puede indicar el patrón de

la interacción entre los coeficientes (Liu et al, 2003). Cuanto

menor sea el valor de P,

más significativo es el correspondiente

coeficiente (Manimekalai y Swaminathan, 1999; Prakash y

Srivastava, 2005).

Tabla 5. Análisis de varianza de las variables independientes

Factor SS df MS F P

(1)Tiempo de fermentación (L) 279.1936 1 279.1936 73.36956 0.000357

Tiempo de fermentación (Q) 27.7848 1 27.7848 7.30159 0.042675

(2)Presión (L) 0.9501 1 0.9501 0.24968 0.638509

Presión (Q) 7.9007 1 7.9007 2.07623 0.209169

1L by 2L 0.0000 1 0.0000 0.00001 0.997859

Error 19.0265 5 3.8053

Total SS 347.9513 10

En el diagrama de Pareto mostrado en la figura 2, podemos

notar de manera gráfica la influencia de cada variable en la

respuesta (grado alcohólico), notándose la significancia del

tiempo de manera lineal, y en menor grado de manera

cuadrática.

Al no producir un cambio significativo la variación de la

presión en la respuesta, podría utilizarse para trabajar la

presión atmosférica, de tal manera que se genera un ahorro de

energía al no utilizar una bomba de vacío, sin embargo, una

variable que no fue considerada en la investigación fue el

tiempo de destilación, siendo este menor mientras más baja

sea la presión, lo que también podría representar un ahorro.

Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: GL

2 factors, 1 Blocks, 11 Runs; MS Residual=3.805305

DV: GL

-.002819

-.49968

1.440912

-2.70215

8.565603

p=.05

Standardized Effect Estimate (Absolute Value)

1Lby2L

(2)PRESION(L)

PRESION(Q)

TIEMPO(Q)

(1)TIEMPO(L)

Figura 2. Diagrama de Pareto para las variables independientes analizadas.

Mediante un análisis de regresión multiple de los datos

experimentales que se muestran en la tabla 4, se ha obtenido la

tabla 6 de donde se puede obtener una ecuación polinómica de

segundo grado para predecir el grado alcohólico del destilado

(GA) en función del tiempo de fermentación (TF) y la presión

durante la destilación (P).

Tabla 6. Coeficientes de regresión para la graduación alcohólica.

Factor Coeficiente de regresión Error estándar p

Interacción media -4.1183 23.67595 0.868732

(1) Tiempo de fermentación (L) 1.3981 0.43752 0.024115

(1) Tiempo de fermentación (Q) -0.0071 0.00263 0.042675

(2) Presión (L) -39.2364 32.84630 0.285835

(2) Presión (Q) 26.3995 18.32141 0.209169

1L x 2L -0.0007 0.26167 0.997859

(L) = lineal; (Q) = cuadrática

El modelo matemático para la graduación alcohólica se denota:

GA = -4.1183 + 1.3981*TF - 0.0071*TF2 - 39.2364*P + 26.3995*P

2 - 0.0007*TF*P

GA = Graduación alcohólica (°GL)

TF = Tiempo de fermentación (horas)

P = Presión (bar)

Los valores predichos de grado alcohólico del

destilado obtenidos utilizando la ecuación anterior,

se muestran en la tabla 8. La significación estadística de la

ecuación de segundo orden fue verificada por la prueba

F (ANOVA), los datos se muestran en la

tabla 7. Como puede verse en la tabla 7, el valor de Fcalc es

mucho mayor que Ftab, lo que indica que el

modelo es altamente significativo.

Tabla 7. Análisis de varianza para la graduación alcohólica.

F.R S.C G.L C.M Fcal. Ftab.

Regresión 306.9783 2 153.4891727

40.3355747 5.786135043 Error 19.0265 5 3.805305213

Total 326.0049 7

(R2 = 94.532%, R

2ajus = 89.064%)

F.R: fuente de regresión

S.R: suma de cuadrados

G.L: grados de libertad

C.M: cuadrados medios

Tabla 8. Valores observados y predichos de grado alcohólico.

Ensayos Tiempo de fermentación (horas) Presión (bar) Grado alcohólico (°GL) observado Grado alcohólico (°GL) predicho

1 57.25 0.92325 34.40000 33.47166

2 92.75 0.92325 37.50000 38.91233

3 57.25 0.50325 38.88000 39.59259

4 92.75 0.50325 50.00000 48.12905

5 50 0.71325 50.00000 49.10870

6 100 0.71325 47.05800 46.24291

7 75 1.01325 45.45000 46.24291

8 75 0.41325 46.25400 46.24291

9 75 0.71325 50.03100 51.43729

10 75 0.71325 48.64000 50.74604

11 75 0.71325 52.06000 50.14660

Observed vs. Predicted Values

2 factors, 1 Blocks, 11 Runs; MS Residual=3.805305

DV: GL

32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54

Observed Values

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

52

54

Pre

dic

ted

Va

lue

s

Figura 3. Valores predichos y valores observados para la graduación alcohólica.

El valor R2, de la ecuación polinómica de segundo

orden obtenido es 0,94532, lo que indica que la variabilidad de

los valores obtenidos de graduación alcohólica del

destilado, aproximadamente 94% podría ser explicado por el

modelo ajustado y solo 6% no puede ser explicado por el

mismo.

Los altos valores de coeficiente de correlación R y el

coeficiente de determinación R2 muestran una estrecha

concordancia entre los resultados experimentales obtenidos y

los valores predichos por el modelo polinómico (Ferreira et al,

2003; Abdel et al, 2005). Cuanto más cerca los valores de R

(coeficiente de correlación múltiple) a 1; mejor será la

correlación entre los valores experimentales y predichos

(Wang y Lu, 2005; Vasconcelos et al, 2000).

La superficie de respuesta generada por el modelo de segundo

grado es mostrada en la figura 4, en la que puede notarse la

gran influencia del tiempo de fermentación en la variable

dependiente, además, es evidente la poca significancia de la

influencia de la presión durante la destilación.

A través de estos gráficos de tres dimensiones y

sus respectivos gráficos de contorno, es muy fácil

y conveniente de entender las interacciones entre

dos variables y también para localizar a sus niveles óptimos

(Muralidhar et al, 2001).

El pisco proviene de la destilación de caldos o mostos

"frescos", recientemente fermentados. El proceso de

destilación del pisco peruano, no se paraliza hasta el momento

en que se haya obtenido un nivel alcohólico promedio de 42º o

43º grados Gay-Lussac (aproximadamente, en unidades físicas

de concentración, a). Al inicio del proceso de destilación de

los mostos frescos, su riqueza alcohólica llega

aproximadamente hasta los 75º grados Gay-Lussac. A medida

que se prolonga el proceso, el grado alcohólico disminuye, lo

cual permite, la integración de los otros elementos

característicos del pisco. Dicho proceso, seguirá hasta que el

nivel alcohólico haya bajado hasta 42 o 43 grados en

promedio según el criterio del pisquero; pudiendo incluso,

llegar hasta los 38 grados Gay-Lussac. (Austral, 2004).

El ron es un aguardiente que se obtiene de la destilación de las

melazas y/o jugos fermentados de la caña de azúcar. Alcanza

80º de contenido alcohólico pero se rebaja añadiendo agua

destilada hasta 40° de contenido alcohólico. Este licor

generalmente se añeja en barricas de cobre por periodos de

tiempo diverso. Cada país productor marca una diferencia en

las cualidades de sus productos. (Blume, 2005).

Podemos notar de acuerdo a lo mencionado anteriormente que

las bebidas destiladas más conocidas tienen un grado

alcohólico que se encuentra entre 40 y 45°GL. Afianzándonos

de la gráfica de superficie de respuesta, determinamos que

para obtener un destilado que tenga esta característica, el

tiempo de fermentación, en las condiciones que se trabajó,

debe estar cerca de las 60 horas.

Fitted Surface; Variable: GL

2 factors, 1 Blocks, 11 Runs; MS Residual=3.805305

DV: GL

55 50 45 40 35 30

(a)

Fitted Surface; Variable: GL

2 factors, 1 Blocks, 11 Runs; MS Residual=3.805305

DV: GL

55 50 45 40 35 30

40 50 60 70 80 90 100 110

TIEMPO

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

PR

ES

ION

(b)

Figura 4. Superficie de respuesta (a) y curvas de contorno (b) en función del tiempo de fermentación y la presión durante l destilación

para la graduación alcohólica.

4. Conclusion

Los resultados obtenidos determinaron que para obtener un

destilado de graduación alcohólica adecuada (40-45°GL),

según la gráfica de contornos y la ecuación del modelo

matemático, el tiempo de fermentación se encuentra cerca de

las 60 horas no influenciando significativamente la presión

durante la destilación.

Al no influenciar la presión en la destilación, se podría ahorrar

energía al no requerir una bomba de vacío, sin embargo, al

utilizar una bomba de vacío, se está ahorrando tiempo, pues

las temperaturas que se deben alcanzar son más bajas y el

proceso de destilación será más corto.

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