Optimización de procesos: metodología de superficie de respuesta

En los últimos años, la metodología de superficies de respuesta (RSM) ha sido amplia y satisfactoriamente aplicada para el desarrollo y optimización de un gran número de procesos relacionados con la industria agroalimentaria (Karacabey y Mazza, 2010). La RSM comprende un conjunto de técnicas matemáticas y estadísticas basadas en el ajuste de los datos experimentales a modelos empíricos (Bezerra et al., 2008).

Se trata de una herramienta estadística multivariable de modelización y optimización, que se aplica a aquellos procesos en los que una o varias respuestas están condicionadas por varios factores y sus interacciones (Bas y Boyaci, 2007). La RSM permite construir un modelo de tipo polinómico que describe el comportamiento de la base de datos, sin necesidad de realizar experimentalmente todas las combinaciones posibles de las variables en estudio. Los objetivos principales de la RSM radican en: i) estimar el efecto de las variables independientes del proceso y de sus interacciones sobre las respuestas; ii) determinar la combinación de factores que origina una respuesta óptima del sistema; y iii) proporcionar un modelo matemático multivariable para realizar previsiones estadísticas (Ku y Mun, 2008; Rodríguez-González et al., 2012).

La aplicación de la RSM conlleva una serie de etapas (Bas y Boyaci, 2007;

Bezerra et al., 2008):

- estudio preliminar en el que se determinan las variables independientes con mayor influencia en el sistema y se delimitan sus niveles experimentales de acuerdo con el objetivo del estudio;

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Introducción

- selección y ejecución del diseño experimental;

- modelización matemática de los datos experimentales de acuerdo con una función polinómica multivariable;

- evaluación del ajuste del modelo;

- representación de las superficies de respuesta y cálculo de las condiciones óptimas para alcanzar el mayor rendimiento del proceso.

La ecuación matemática a l a que se ajustan los datos experimentales en la RSM consiste en una función polinómica de segundo orden:

[ 1 . 1 ] Y = & + I ? = i M + YJki=1YJkj=i+1PijXixj + Uf=1PuXii

Donde Y es la respuesta predicha; Xⁱ y Xj, las variables independientes; p⁰, la constante del modelo; y pⁱ, p^{i i} y pⁱj, los coeficientes de regresión lineal, cuadrática y de interacción del modelo, respectivamente.

Para estimar los parámetros de la ecuación anterior y así poder representar las correspondientes superficies de respuesta del sistema, los diseños experimentales más frecuentes son el de Box-Behnken y el diseño de composición central (Tabla 1.11), que difieren con respecto al número de niveles experimentales de cada variable independiente considerada y respecto al número de experimentos realizados. No obstante, ambos se caracterizan por requerir niveles experimentales equidistantes de las variables en estudio (Bezerra et al., 2008).

Tabla 1.11. Diseños experimentales de RSM más utilizados en los procesos de extracción de compuestos bioactivos en la industria agroalimentaria.

Modelo N° de Compuestos bioactivos

Referencia bibliográfica Modelo

experimetos extraidos Referencia bibliográfica Compuestos fenolicos Yang et al. (2010), Chen

et al. (2011),Park et al.

Compuestos fenolicos, Chafoor et al.

Composición

Central N = k² + 2k + m resvaratrol, antocianos, (2009^a;2009b), Gan et al.

Composición Central

flavonoides (2011), Sha et al. (2011).

Tabaraki et al. (2011).

N, n° de experimentos; k, n° de variables independientes del sistema; m, n° de repeticiones del punto central del diseño

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OBJETIVO

Objetivo

2. OBJETIVOS

Actualmente el aceite de oliva virgen extra es un alimento de referencia dentro de la reconocida Dieta Mediterránea. Dicha dieta y dentro de ella el aceite de oliva, está considerado como uno de los alimentos responsables de la prevención de diferentes enfermedades de origen cardiovascular así como de ciertos tipos de cáncer. Todas estas circunstancias han hecho que aumente de forma considerable el interés en torno a este alimento, no solo desde el aspecto de la obtención de un aceite de oliva cada vez de mejor calidad y de una conservación del mismo más eficiente, sino también en aspectos tan relevantes como pueden ser la revalorización y el aprovechamiento de los

subproductos derivados de su elaboración.

En este contexto, los objetivos generales marcados en el presente trabajo consistieron en (i) evaluar la influencia de las características agroclimáticas sobre la calidad del aceite de oliva, (ii) analizar nuevas estrategias que permitan una mejor conservación del mismo, y, finalmente, (iii) estudiar el proceso de extracción de compuestos antioxidantes del orujo de almazara mediante la asistencia de ultrasonidos (US) de potencia.

Para la consecución de estos objetivos generales se plantearon los siguientes objetivos concretos:

- Determinar la importancia del efecto de la variedad y el grado de madurez de las aceitunas, así como del entorno agroclimático sobre las características físico-químicas y sensoriales del aceite de oliva.

o Caracterizar y evaluar los aceites de oliva elaborados a partir de las tres variedades de aceituna autorizadas por la DO "Oli de Mallorca"

(arbequina, picual y empeltre) en función del grado de madurez de estas (verde, envero y maduro).

o Analizar el efecto que imprimen las condiciones agroclimáticas de la zona así como el grado de madurez de la aceituna sobre las características físico-químicas del aceite de oliva elaborado a partir de la variedad arbequina.

- Establecer la metodología o procedimiento más adecuado para la conservación de las características físico-químicas y sensoriales del aceite de oliva.

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Objetivo

o Analizar el efecto de la aplicación de un pretratamiento con US de potencia sobre los principales parámetros de calidad del aceite de oliva virgen extra.

o Evaluar el efecto de la ausencia/presencia de luz sobre la calidad del aceite de oliva virgen extra durante el período de almacenamiento.

o Evaluar el efecto de uso de una atmósfera inerte sobre la calidad del aceite de oliva virgen extra durante el período de almacenamiento.

o Evaluar el efecto de la temperatura sobre la calidad del aceite de oliva durante el período de almacenamiento.

o Y finalmente, evaluar el efecto de la aplicación de un pretratamento con US, con y sin la combinación de las demás metodologías (ausencia de luz, atmosfera modificada y baja temperatura), sobre la calidad del aceite de oliva virgen extra durante el período de almacenamiento.

- Estudiar el proceso de extracción de compuestos antioxidantes obtenidos a partir de residuos de almazara mediante asistencia acústica, haciendo uso de una sonda de ultrasónicos.

o Evaluar el efecto de diferentes variables implicadas en el proceso, en concreto la potencia de US, el ratio disolvente/soluto, y el tiempo de extracción.

El desarrollo de este proyecto de tesis doctoral se ha dirigido a un sector clave dentro de la industria agroalimentaria de las Islas Baleares, como es la industria oleícola, la cual ha visto reconocido su producto, el aceite de oliva, mediante la máxima indicación de calidad como es la Denominación de Origen. La elección de la temática del aceite de oliva también se ha visto motivada por el considerable aumento experimetado, tanto en datos de producción como en número de elaboradores, durante los últimos años. Mediante los resultados y las conclusiones derivadas de este proyecto, se pretende ofrecer, al sector oleícola balear, las herramientas y los conocimientos científicos necesarios que permitan aumentar la calidad global del proceso de producción del aceite de oliva, en todas sus facetas: elaboración, conservación y revalorización de los subproductos generados. Este aumento de la calidad permitiría, sin duda, aumentar la competitividad de este importante sector de la industria agroalimentaria de las Islas Baleares.

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