Kitabı oku: «Alternativas de aprovechamiento de los residuos en la agroindustria»

Prospectiva

El procesamiento de RyS se presenta como una oportunidad para su valorización, mediante procesos biológicos, físicos y químicos que permitan la producción de múltiples productos (biocombustibles, biomateriales, solventes, aditivos industriales, ingredientes cosméticos y alimentarios, entre otros) en plataformas de proceso integradas bajo el enfoque de biorrefinería. Para hacer competitivo y sostenible el uso de RyS, deberá integrar el diseño de procesos que involucren la valoración del impacto potencial del proceso y/o producto mediante herramientas como el análisis del ciclo de vida (ACV), e integrarlo a los indicadores ambientales como huella de carbono y huella hídrica. El ACV permite cuantificar impactos a partir de entradas y salidas de materiales y energía requeridas a lo largo de la cadena de valor; esto es, desde el manejo como materia prima de los RyS, transformación, hasta disposición final (Nizami et al., 2017). La huella hídrica y la huella de carbono, por su parte, expresan la cantidad de agua fresca requerida y la cantidad de gases efecto invernadero producidos a lo largo de la cadena de valor (FAO, 2013; Hoekstra y Hung, 2002).

En relación con los procesos de extracción/separación de compuestos bioactivos o fracciones de interés, procesos emergentes deben ser explorados y evaluados desde los puntos de vista técnico, económico y ambiental, en los cuales se incluyen la extracción con fluidos supercríticos, extracción con líquidos presurizados, extracción asistida por microondas, extracción asistida por ultrasonidos, extracción con campos eléctricos pulsados, así como extracción con disolventes como líquidos iónicos y disolventes eutécticos profundos (Banerjee et al., 2016). Estas técnicas pueden ser consideradas extracciones verdes, en cuanto pueden reducir el consumo de energía, además del empleo de materias primas y disolventes verdes en los procesos de obtención de extractos/fracciones de alta calidad (Chemat, Vian y Cravotto, 2012).

La producción de combustibles limpios a partir de RyS se da empleando algunas opciones tecnológicas emergentes como digestión anaeróbica en la producción de biogás, producción de biohidrógeno vía fotofermentativa y generación de electricidad por medio del uso de celdas de combustible microbianas (Poggi-Varaldo et al., 2014).

Finalmente, cabe resaltar la necesidad de reconocer y ampliar el inventario de limitaciones del aprovechamiento de RyS mencionadas, con el fin de plantear estrategias que permitan superarlas, no solo para el uso de estos sino también de biomasa producto de la biodiversidad colombiana. Dicha estrategia requiere el liderazgo de organismos estatales, con la participación de sectores académicos, organismos de ciencia y tecnología y del sector industrial y tecnológico, de forma que permita que países en desarrollo aprovechen sus recursos biológicos de forma sostenible y eficiente, bajo la mirada de la denominada bioeconomía (Cepal, 2015).

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Introducción

La extracción de compuestos bioactivos a partir de fuentes naturales es un tema de investigación de gran interés para industrias como la alimentaria, la farmacéutica y la cosmética, entre otras. En la industria alimentaria este proceso es impulsado por el creciente desarrollo del sector de los alimentos funcionales. Un alimento funcional se define como ese producto que, además de cubrir las necesidades energéticas y nutricionales, es capaz de proporcionar un beneficio fisiológico (Goldberg, 1994). Por lo general, este beneficio adicional para la salud se obtiene por medio de la inclusión de un ingrediente funcional, responsable de la bioactividad pretendida. Existen actualmente en el mercado varios ejemplos de ingredientes funcionales en productos comerciales, tales como los ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) (López-Huertas, 2010), esteroles vegetales y estanoles (de Smet, Mensink y Plat, 2012), péptidos (Patil, Mandal, Tomar y Anand, 2015) o polifenoles (Dueñas et al., 2015), por nombrar solo algunos. Desde la perspectiva del consumidor actual, se prefiere que los ingredientes funcionales añadidos a los alimentos sean obtenidos/extraídos a partir de fuentes naturales. Estas razones han llevado a una extensa búsqueda de nuevas fuentes naturales de compuestos bioactivos en los últimos años (Herrero, Castro-Puyana, Mendiola e Ibáñez, 2013; Herrero, Sánchez-Camargo, Cifuentes e Ibáñez, 2015).

En este aspecto, en Colombia se han identificado recursos y subproductos de la industria agroalimentaria que pueden constituir una fuente potencial de riqueza para nuestro país y una agregación de valor para las industrias alimentarias, farmacéuticas y cosméticas (Ballesteros-Vivas, Álvarez-Rivera, Ibáñez, Parada-Alfonso y Cifuentes, 2019; Castro-Vargas, Benelli, Ferreira y Parada-Alfonso, 2013; Castro-Vargas, Rodríguez-Valera, Ferreira y Parada-Alfonso, 2010; Castro-Vargas, Rodríguez-Varela y Parada-Alfonso, 2011; García-Mendoza, Paula, Paviani, Cabral y Martínez-Correa, 2015). Al respecto, uno de los objetivos de este capítulo trata sobre el aprovechamiento de subproductos de origen natural encontrados en nuestra biodiversidad. En este punto, las tecnologías aplicadas para obtener un componente particular o grupo de componentes de una fuente natural ganan cada vez más importancia. Los métodos tradicionales aplicados a la extracción de compuestos generalmente implican el uso de grandes volúmenes de disolventes orgánicos, que a menudo son tóxicos. Sin embargo, el enfoque que se está estableciendo en la actualidad es diferente, debido al hecho de que estos métodos tienen un impacto negativo en el medio ambiente (Barba, Zhu, Koubaa, Sant’Ana y Orlien, 2016).

Como resultado del aumento de la conciencia ecológica y del desarrollo sostenible, las técnicas convencionales están siendo reemplazadas por procesos más respetuosos con el medio ambiente. Esto también está estrechamente relacionado con los principios de la química verde, que tienen como objetivo principal reducir los desechos y mejorar el uso eficiente de la energía y los recursos (Anastas y Eghbali, 2010). Han sido señalados seis principios para la extracción “verde” de ingredientes naturales (Chemat, Vian y Cravotto, 2012), que incluyen: 1) la innovación por selección de variedades y el uso de recursos vegetales renovables; 2) el uso de disolventes alternativos y principalmente agua o agrodisolventes; 3) el uso eficiente de la energía y de tecnologías innovadoras; 4) la producción de coproductos en lugar de residuos para incluir la industria de bio y agrorrefinación; 5) reducir las operaciones unitarias y favorecer procesos seguros, robustos y controlados, y 6) aspirar a la obtención de extractos naturales y biodegradables sin contaminantes.

La aplicación directa de estos principios conduce al desarrollo de enfoques de biorrefinería. La biorrefinería implica el desarrollo de procesos integrados para la conversión de la biomasa en energía y la obtención de una variedad de productos, principalmente biocombustibles y coproductos de valor añadido, con un enfoque sostenible (Cherubini, 2010). Como se puede deducir, algunos de los principios mencionados están asociados a la elección de la fuente natural, pero otros están estrechamente relacionados con la técnica de extracción empleada. Para cumplir con estos requisitos, se necesitan técnicas de extracciones eficientes, económicas y seguras. Con dicho enfoque, en este capítulo es presentada una visión general de los principios y recientes aplicaciones de técnicas avanzadas de extracción, como la extracción por fluidos supercríticos (EFS), extracción con líquidos presurizados (PLE), extracción asistida por ultrasonido (EAU) y extracción asistida por microondas (EAM), para la obtención de compuestos bioactivos a partir de subproductos de la agroindustria colombiana.

Aprovechamiento de subproductos para la obtención de ingredientes funcionales

Una preocupación constante a nivel mundial está relacionada con la disposición de los residuos agroindustriales y el costo que esto genera debido a las altas cantidades que son producidas, convirtiéndose en un asunto de vital importancia para los entes gubernamentales, con el fin de dar respuesta a uno de los grandes retos de la sociedad: la implementación del concepto de sostenibilidad. Dicho concepto debe ser entendido como una forma racional de mejorar procesos, con el objetivo de aumentar la producción y a la vez minimizar el impacto negativo en el medio ambiente.

Durante las diferentes actividades relacionadas con la producción de alimentos se genera una serie de subproductos que, tradicionalmente, son reutilizados para la fabricación de piensos o compostaje o para la generación de energía. Sin embargo, hoy en día se ha hecho evidente que algunos de esos subproductos y desechos son fuentes ricas en compuestos bioactivos. Por lo tanto, su uso y valorización puede ser una buena forma de obtener nuevos productos de alto valor agregado, al mismo tiempo que se obtiene una reducción significativa de dichos residuos. De esta manera, la utilización eficiente, económica y ambientalmente sostenible de estos materiales es cada vez más importante, en especial debido a las restricciones legales que están empezando a surtir efecto en países como Colombia. Los vertederos de varias ciudades colombianas están casi llenos; por tal motivo, las nuevas políticas gubernamentales requieren la gestión de residuos sólidos. Recientemente, Alzate et al. (2017) realizaron un estudio para evaluar el potencial de diez diferentes subproductos generados en Antioquia (pimentón, zanahoria, tomate, repollo, lechuga, calabaza, papaya, tomate de árbol, naranja y maracuyá) como fuente de biocompuestos para su posible uso como ingredientes funcionales para la alimentación animal o consumo humano. Este estudio demostró que los subproductos con la mejor composición de sustancias bioactivas (carotenoides como β-caroteno, licopeno y luteína, principalmente) y capacidad antioxidante fueron el pimentón, seguido por la zanahoria, el tomate, el repollo y la lechuga, haciéndolos materias primas potenciales para el desarrollo de alimentos funcionales (Alzate et al., 2017). Por su parte, Castro-Vargas et al. (2010) investigaron el aprovechamiento de las semillas de guayaba (Psidium guajava L.) empleando técnicas verdes de extracción. Los resultados mostraron que las semillas de guayaba pueden ser consideradas como una fuente importante de ácidos grasos, principalmente ácido linoleico. Dicho ácido tiene aplicaciones en la industria de alimentos (en suplementos alimenticios) y en el tratamiento de enfermedades cardiovasculares y de diabetes (Castro-Vargas et al., 2010; 2011). Así mismo, diversas investigaciones reportan el uso de técnicas verdes de extracción de ingredientes funcionales a partir de residuos; algunos de ellos se refieren a la reutilización de subproductos del café (Akgün, Bulut, Kikic y Solinas, 2014), los desechos relacionados con la elaboración del vino (Barba et al., 2016), la extracción de aceite de oliva (Roselló-Soto et al., 2015) y los subproductos de las industrias frutícolas (Viganó et al., 2016), entre otros (Manna, Bugnone y Banchero, 2015; Saravana et al., 2016).

Debido a la naturaleza intrínseca de los residuos y subproductos alimentarios, técnicas de extracción empleando fluidos presurizados han sido estudiadas dentro de enfoques de biorrefinería. Por ejemplo, la industria del aceite de oliva puede producir cuatro veces más desechos que la industria petrolera. Por esta razón, se han optimizado varios enfoques para valorizar aún más algunos de los subproductos generados como, por ejemplo, los residuos de molienda de oliva. También han sido estudiados varios procesos de EFS secuenciales basados en el uso de CO2 supercrítico puro y CO2 supercrítico con etanol como modificador para la obtención de fracciones enriquecidas en polifenoles, PUFA, ácidos grasos monoinsaturados (MUFA) y escualeno (Schievano et al., 2015). Además, este enfoque tiene la ventaja adicional de producir un secado eficiente de la biomasa restante, que es también beneficioso para procesos de transformación subsecuentes.

Por otra parte, también ha sido estudiado el uso combinado de PLE y EFS empleando subproductos con el objetivo de recuperar diferentes familias de compuestos bioactivos. Por ejemplo, en un trabajo reciente, la EFS fue seleccionada como el primer paso en una extracción secuencial de residuos de epicarpio de mango, seguida por una extracción con etanol presurizado. Algunos compuestos presentes en el subproducto del epicarpio de mango, como carotenoides, fueron extraídos preferentemente en la etapa que empleaba CO2 supercrítico, mientras que los compuestos fenólicos fueron recuperados en la segunda etapa basada en PLE, utilizando etanol como solvente (García-Mendoza et al., 2015). Resulta curioso que, en otro estudio, se varió el orden de las etapas en la extracción secuencial para la valorización de residuos industriales de Juçara (fruto de origen brasileño). En este trabajo fueron optimizados en un proceso que incluía el uso PLE a diferentes presiones y temperaturas, así como mezclas de disolventes. Una vez seleccionadas las mejores condiciones de extracción, fue usado el disolvente optimizado (una mezcla acidificada de etanol y agua) como modificador en una segunda etapa empleando EFS. De esta manera, con este enfoque de proceso integrado, fueron obtenidos extractos enriquecidos en antocianinas (García-Mendoza et al., 2017).

Figura 2.1

a) Diagrama de fases presión-temperatura típico para un fluido y sus principales propiedades físicas en el estado gaseoso, líquido y en fase supercrítica. b) Diagrama esquemático de la instrumentación básica necesaria para operar un proceso de extracción con fluidos supercríticos.

Fuente: a) traducido de Martínez (2010, p. 16); b) modificado de Martínez (2010, p. 20).

Extracción con fluidos supercríticos (EFS)

El uso de fluidos supercríticos para la extracción de compuestos bioactivos implica el uso de un fluido a presión y temperatura más allá de su punto crítico. Por encima del punto crítico, el fluido adquiere propiedades significativamente diferentes como disolvente, como consecuencia de los diferentes cambios físicos que se producen. De hecho, cuando se aumenta la temperatura de un disolvente al mismo tiempo que se alcanza su presión y el punto crítico, se obtiene un fluido supercrítico homogéneo en el que no se puede distinguir entre fases (figura 2.1a). Como resultado, los fluidos supercríticos poseen propiedades intermedias entre las de los gases y las de los líquidos. Aunque su viscosidad es similar a la de un gas (50-100 μPa·s), su densidad es cercana a los valores encontrados para líquidos (200-900 kg/m3). Además, su difusividad es intermedia entre la de los líquidos y la de los gases (0.01-0.1 mm2/s). Otras propiedades importantes también se modifican en un fluido supercrítico (tensión superficial, resistencia del disolvente, entre otras), y serán responsables de las propiedades como disolvente que el fluido presentará. Además, en condiciones supercríticas, la densidad se modifica, cambiando efectivamente las capacidades del disolvente y permitiendo así alcanzar un alto grado de selectividad en el proceso de extracción (Brunner, 2005; Sánchez-Camargo, Mendiola, Ibáñez y Herrero, 2014). Pueden emplearse diferentes tipos de disolventes como fluidos supercríticos para su uso en procesos de extracción; sin embargo, sus puntos críticos difieren en gran medida. Esto es importante debido a que la selección del disolvente no solo influye en los analitos extraíbles, sino que también puede limitar la aplicabilidad de la técnica ya que los puntos críticos de algunas sustancias son bastante extremos y, por lo tanto, muy costosos de ser alcanzados. Teniendo en cuenta la necesidad de desarrollar procesos medioambientalmente respetuosos, el uso de disolventes que demandan cantidades extremadamente elevadas de energía para ser llevados a su estado supercrítico y/o aquellos que no son seguros, deben ser claramente descartados.

En la actualidad, la mayoría de las aplicaciones de EFS dedicados a extracción de compuestos bioactivos de fuentes naturales, se basan en obtener ventajas de los valores críticos de temperatura y presión del CO2 (temperatura crítica [Tc] = 31.2 °C y presión crítica [Pc] = 73.8 bar). El CO2 posee una serie de propiedades que lo convierten en un disolvente supercrítico ideal: 1) es considerado GRAS (Generally recognized as safe)1 para la industria alimentaria; 2) es barato y fácilmente disponible, y 3) es gas a temperatura ambiente. Esta última propiedad es muy importante, ya que permite obtener un extracto exento de disolvente después de su despresurización y sin someterlo a tratamiento térmico.

Entre los parámetros que afectan la EFS, la presión y la temperatura son las más influyentes. Estos dos parámetros combinados determinarán la solubilidad de una sustancia en el fluido supercrítico (Brunner, 2005). La selección de los valores de temperatura y presión a emplear en un proceso debe realizarse cuidadosamente, de acuerdo con los compuestos “objetivo” de extracción y considerando que se obtendrá una mayor densidad del fluido supercrítico a través de un aumento de presión, lo que puede conducir a una mayor solubilidad de los componentes de la muestra. A su vez, un aumento isobárico de la temperatura de extracción producirá una disminución en la densidad del disolvente, lo que también producirá un incremento en la presión de vapor de los analitos presentes en la matriz, promoviendo la transferencia de masa.

A pesar de las ventajas comentadas, la principal limitación del empleo del CO2 supercrítico es su baja polaridad. Este factor limita la aplicación de este disolvente supercrítico en la extracción de componentes de muy baja polaridad. Para ampliar el rango de aplicaciones de esta técnica a compuestos polares, se requiere el uso de modificadores. Un modificador es un disolvente orgánico que se emplea en una proporción dada (5 %-10 %) junto con el CO2 supercrítico, dando como resultado un aumento global de polaridad en el solvente. De esta manera, pueden desarrollarse otras aplicaciones que implican la extracción de componentes más polares, que son frecuentes en el campo de compuestos bioactivos naturales. Por esta razón, la selección del modificador, así como la proporción en la que se utiliza, debe ser cuidadosamente optimizada para producir una extracción eficiente (Herrero et al., 2013; Herrero et al., 2015; Mendiola, Herrero, Cifuentes e Ibáñez, 2007; Sánchez-Camargo et al., 2014).

Algunas aplicaciones de EFS se llevan a cabo de manera que se realiza un primer periodo estático durante un tiempo dado, seguido por una fase de extracción dinámica prolongada. En estas aplicaciones, así como en aquellas puramente dinámicas, el caudal de fluido supercrítico se convierte en un parámetro importante. Dicho caudal tiene que ser controlado para utilizar la más baja cantidad de disolvente posible, pero maximizando la transferencia de masa (Sánchez-Camargo, Merindiola, Ibáñez, et al., 2014).

En la figura 2.1b se presenta un esquema típico para EFS para matrices sólidas. El primer requisito es un tanque para el disolvente de extracción, usualmente CO2, una bomba para presurizar el gas a la presión de extracción deseada y un restrictor o válvula para mantener el sistema a alta presión. Es necesaria una bomba adicional cuando se van a emplear modificadores orgánicos y, en caso de muestras sólidas, es necesaria una celda de extracción de alta presión, mientras que para la extracción de líquidos se utiliza una columna de extracción para la extracción a contracorriente. Las columnas de extracción poseen típicamente diferentes puntos para la introducción de alimentación (a diferentes alturas), mientras que el disolvente se introduce desde el fondo de la columna. De esta manera, los componentes se distribuyen entre el disolvente y la muestra líquida que fluye a contracorriente a través de la columna de separación. Finalmente, se requiere un recipiente de captura (o celdas de separación, también llamadas celdas de fraccionamiento) para la recuperación de los extractos. Se emplean diferentes métodos de captura, incluyendo el atrapamiento sólido, el atrapamiento de líquidos o el atrapamiento en frío, entre otros. En sistemas piloto o industriales, la colecta de los solutos extraídos se realiza reduciendo rápidamente la presión, aumentando la temperatura o ambas. Particularmente interesante, la despresurización después de la extracción también se puede realizar en cascada usando varias celdas de fraccionamiento o separación, considerando que cada separador podría tener una temperatura y presión particulares para que algunos de los compuestos extraídos precipiten y separen selectivamente (Herrero et al., 2013; Sánchez-Camargo, Merindiola, Ibáñez, et al., 2014; Sánchez-Camargo et al. 2014).

Algunos ejemplos de las principales familias de compuestos extraídos por EFS se presentan en la figura 2.2. Las aplicaciones típicas contemplan el uso de matrices vegetales y animales para la obtención de extractos oleosos, ceras, grasas, oleorresina, aceites esenciales o extractos de composición variada. Estos extractos pueden contener mezclas de ácidos grasos, triglicéridos, alcoholes grasos, terpenoides, fitesteroles, tocoferoles, tocotrienoles y compuestos fenólicos (de Melo, Silvestre y Silva, 2014). Muchos de estos extractos presentan biofuncionalidades como antioxidantes, actividad biológica como antimicrobiana, anticancerígeno, antiobesidad, entre otras, con amplias aplicaciones como ingredientes en aplicaciones alimentarias, farmacéuticas y cosméticas.

El empleo de la EFS en el ámbito industrial data de 1974 en procesos de descafeinización de café/té y hoy en día comprende la extracción de gran variedad de productos de alto valor agregado en la obtención de ingredientes para uso en alimentos funcionales, productos naturales para la salud, para el cuidado personal y cosméticos. King (2014) estima la existencia de cerca de 150 plantas en el mundo que emplean la EFS como técnica de extracción principal, destacándose la obtención de PUFA, carotenoides, tocoferoles, fitoesteroles, aceites esenciales, oleorresinas, extractos herbales, sabores/fragancias, pigmentos y extractos antioxidantes (Temelli y Saldaña, 2014).

Figura 2.2

Ejemplos de las principales familias de compuestos encontrados en los extractos obtenidos empleando EFS de fuentes naturales

Fuente: Sánchez-Camargo (2017, p. 22).

Caso de estudio: obtención de aceites a partir de semillas de guanábana (Anonna muricata L.)

Dorado, Hurtado-Benavides y Martínez-Correa (2016) emplearon la técnica de extracción con CO2 supercrítico para la obtención de aceite a partir de residuos (semillas) de guanábana (Annona muricata L.), provenientes de una industria de productos agroindustriales del departamento de Nariño. En este estudio se investigó la influencia de las condiciones de extracción, presión (20 y 35 MPa) y temperatura (40 y 60 ºC), sobre el rendimiento de extracción y la calidad del aceite obtenido, en términos del perfil de ácidos grasos y esteroles. Los resultados mostraron que el rendimiento global de extracción varió entre el 2.88% y el 12.95%, siendo este último valor obtenido a 38.1 MPa y 50ºC, condiciones a las cuales el CO2 presenta la más alta densidad entre las condiciones estudiadas (942 kg/m3). El efecto de la presión sobre la densidad y, a su vez, de esta última sobre el rendimiento, influyó de forma significativa en el proceso, como fue corroborado por el análisis de los resultados mediante la metodología de superficie de respuesta (RSM) (figura 2.3).

Figura 2.3

Superficie de respuesta para extracción de aceite de semillas de guanábana

Fuente: Dorado et al. (2016, p. 42).

Las muestras de aceite obtenidas en las diferentes condiciones presentaron un contenido promedio superior al 64 % de ácidos grasos insaturados, principalmente ácido oleico (ácido omega-9), linoleico (ácido omega-6), palmitoleico y linolénico (ácido omega-3). Los ácidos grasos, oleico y linoleico se consideran ácidos grasos esenciales, esto significa que el organismo humano no los sintetiza y es necesaria su ingesta. Por otro parte, son importantes en aplicaciones farmacéuticas para el desarrollo de formulaciones relacionadas con la nutrición y el fortalecimiento de la barrera lipídica de la piel y la prevención de enfermedades cardiovasculares (Rabasco y González, 2000). Adicionalmente, las condiciones de presión y temperatura supercríticas presentaron un efecto importante sobre el contenido de ácido oleico, palmítico, palmitoleico y sobre la relación de insaturados/saturados en el aceite de semilla de guanábana. Así mismo, se identificaron los esteroles: β-sitosterol (0.37-1.36 mg/mL), estigmasterol (0.52-1.00 mg/mL) y campesterol (0.19-0.50 mg/mL). Los fitosteroles poseen importantes aplicaciones en diferentes áreas de la industria: en la farmacéutica son empleados en la producción de esteroides terapéuticos, en la alimentaria para la producción de alimentos funcionales con propiedades anticolesterolémicas y anticancerígenas y, en la cosmética, en la preparación de preparados sólidos (cremas, labiales) (Fernandes y Cabral, 2007). Específicamente, el β-sitosterol presenta actividad in vitro en la proliferación de linfocitos y además actúa como agente quimioprotector en casos de cáncer de colon y de mama (Ambavade, Misar y Ambavade, 2014; Awad, Chinnam, Fink y Bradford, 2007). Por su parte, el estigmasterol se emplea en la elaboración de drogas con corticoides. Por las características propias de la técnica EFS, el aceite de semilla de guanábana obtenido se encuentra libre de solventes con una composición rica en ácidos grasos insaturados y en esteroles que permite inferir que posee un importante potencial como ingrediente natural para las industrias alimentaria, farmacéutica o cosmética.

Extracción con líquidos presurizados (PLE)

La extracción con líquidos presurizados (PLE) se basa en el uso de disolventes a presión y a altas temperaturas (siempre por debajo de sus puntos críticos), bajo condiciones en las que los disolventes se mantienen en estado líquido durante el proceso de extracción. En estas condiciones, los disolventes adquieren propiedades diferentes en comparación con las que presentan en condiciones normales (de presión y temperatura), que implican varias ventajas. Esta técnica también se conoce comúnmente como extracción con fluido a presión (PFE, por sus siglas en inglés), extracción presurizada con disolvente caliente (PHSE) o extracción acelerada con disolvente (ASE) (Herrero et al., 2013; Plaza y Turner, 2015). Es posible emplear una gran variabilidad de disolventes para llevar a cabo este tipo de extracciones; sin embargo, es creciente la tendencia en el uso de solventes amigables con el medio ambiente. Entre ellos, el agua llama la atención debido a la modificación de sus propiedades fisicoquímicas cuando es sometido a altas temperaturas y presiones (Plaza y Turner, 2015). En este caso, la técnica es llamada extracción con agua subcrítica (SWE), extracción con agua sobrecalentada (SHWE) o extracción con agua caliente presurizada (PHWE). En cualquier caso, los principios y los requisitos instrumentales son los mismos, independientemente del disolvente usado.

Cuando es empleada agua como solvente, el parámetro principal que influye en la extracción es su constante dieléctrica (ɛ). Esta propiedad se considera generalmente como una medida de la polaridad de un disolvente; al calentarse el agua bajo suficiente presión, de manera que su estado líquido se mantiene, su constante dieléctrica sufre una disminución significativa. De hecho, los valores de ɛ van desde 80 a temperatura ambiente hasta aproximadamente 27 a 250 ºC (figura 2.4a), (Uematsu y Frank, 1980), cifras muy similares a las de algunos disolventes orgánicos como etanol o metanol. Por lo tanto, es posible deducir que el agua sometida a las condiciones típicas empleadas en PLE será capaz de extraer compuestos de menor polaridad, que en condiciones ambiente.

Figura 2.4

a) Constante dieléctrica (ɛ) del agua en función de la temperatura.

b) Diagrama esquemático de la instrumentación básica necesaria para operar un proceso de extracción con líquidos presurizados

Fuente: a) Uematsu y Frank (1980, p. 1300) con permiso de AIP Publishing;

b) traducción de Mmualefe, Mpofu y Torto (2011, p. 214).

Los requisitos instrumentales necesarios para llevar a cabo un proceso de PLE se describen en la figura 2.4b:

1. Una bomba que introduce el disolvente en el sistema y ayuda a desalojar el extracto en el vial de recolección una vez que el proceso ha terminado. Además, la bomba es la encargada de mantener la presión seleccionada (normalmente entre 5.0-10.0 MPa).

2. Una celda de extracción, donde tiene lugar el proceso. Esta debe estar adaptada para soportar altas presiones y debe estar equipada con al menos dos válvulas de encendido/apagado para poder mantener las condiciones de extracción estables.

3. Un horno o sistema de calentamiento, donde es colocada la celda de extracción de modo que se pueda calentar hasta el valor de temperatura deseada. La temperatura máxima de trabajo en la mayoría de los instrumentos es de 200 ºC.

4. Un vial para la recolección del extracto.

A partir de este punto, la instrumentación empleada podría ser más o menos sofisticada, dependiendo de los requisitos del proceso. También puede incluir un circuito de nitrógeno que ayuda a desalojar todo el disolvente de las líneas después de la extracción. Existen varios instrumentos comerciales disponibles en el mercado, aunque también se han presentado diferentes aplicaciones con instrumentos construidos en laboratorio. En ambos casos, debe tenerse en cuenta que, debido a las presiones y las temperaturas habitualmente empleadas, deben utilizarse materiales resistentes a la corrosión (Saldaña y Valdivieso-Ramírez, 2015). En PLE el tipo de solvente empleado es el factor más crítico, ya que influirá directamente en el tipo de compuestos extraídos.

La selección del disolvente depende del objetivo particular del proceso de extracción; debe ser considerado el disolvente más adecuado teniendo en cuenta la naturaleza y las características de los analitos objetivo (Mendiola et al., 2007). Una vez seleccionado el disolvente o la mezcla de disolventes, la temperatura es el siguiente parámetro que más influye en cualquier proceso PLE. Como regla general, cuando son extraídos compuestos a partir de matrices naturales, un aumento en las temperaturas de extracción proporcionará un mayor rendimiento de extracción. Se ha observado repetidamente cómo el uso de temperaturas muy altas no siempre es perjudicial para la recuperación de bioactivos a partir de matrices naturales. Sin embargo, debido a la naturaleza de estos componentes y a su labilidad, se debe considerar que temperaturas de extracción demasiado altas podrían conducir potencialmente a la degradación de compuestos (Mustafa y Turner, 2011). Por esta razón, siempre se recomienda el uso de diseños experimentales para optimizar la temperatura de extracción, monitoreando como variable de respuesta la presencia de bioactivos en los extractos (Sánchez-Camargo et al., 2016).

La presión de extracción también puede tener un impacto importante en el proceso. Sin embargo, diferentes investigaciones han demostrado que una vez que la presión es suficiente para mantener el líquido disolvente, su efecto es bastante limitado (Herrero et al., 2013; Mustafa y Turner, 2011). En cuanto al tiempo de extracción, esta variable, aunque importante, tiene menor influencia. El tiempo de extracción se refiere al tiempo en el que el disolvente está efectivamente en contacto con la muestra que se extrae a la temperatura y la presión fijadas, y también se conoce como tiempo de extracción estática. Este último término se refiere a extracciones estáticas en las que un volumen dado de disolvente se deja en contacto con la muestra en las condiciones de extracción deseadas, durante un tiempo específico. En general, se aplican tiempos de extracción estática relativamente cortos (5-20 min) para la extracción de bioactivos a partir de matrices naturales. Los tiempos más largos usualmente no producen mejores resultados cuando se alcanza un equilibrio entre los componentes de la muestra y el disolvente (Mendiola et al., 2007). Otro modo de operación implica el uso de extracciones dinámicas. En este caso, el disolvente calentado y presurizado fluirá continuamente a través de la muestra. Aunque este modo podría ser más favorable para la extracción completa de la muestra, dado que se evita la formación de equilibrio, pueden ser necesarios mayores volúmenes de disolvente. Además, en este último caso, el caudal de disolvente también debe optimizarse, ya que influirá directamente en el tiempo de extracción (Herrero et al., 2013).

Entre las aplicaciones de procesos que involucran PLE se encuentran en la extracción de nutracéuticos y otros bioactivos, entre los cuales se destacan compuestos fenólicos, pigmentos (carotenoides), tocoferoles, esteroles, alcaloides, grasas y lípidos, aceites esenciales y aromas, a partir de fuentes como plantas medicinales y especias, frutas y vegetales, algas y microalgas, semillas de oleaginosas, entre otras (Herrero et al., 2013; Herrero et al., 2015; Mustafa y Turner, 2011).

Caso de estudio: etanol presurizado en la extracción de compuestos bioactivos en piel de mango (Mangifera indica L.)

En investigaciones realizadas por García-Mendoza et al. (2015) se propuso un proceso en etapas secuenciales para la obtención de compuestos bioactivos presentes en piel de mango (Mangifera indica L.), residuo proveniente de una industria frutícola del Valle del Cauca. Inicialmente, se sometió a extracción la matriz vegetal empleando dióxido de carbono supercrítico (EFS) (30 MPa/40 °C), con el fin de extraer compuestos de baja polaridad. Posteriormente, se llevó a cabo la extracción de la matriz agotada de la etapa anterior, empleando etanol 99.5 % presurizado (PE, 30 MPa/40 °C) como disolvente (figura 2.5).

Como se esperaba, el rendimiento global de extracción de la primera etapa, empleando EFS, fue significativamente menor (3.15 ± 0.31 %) a la obtenida en la segunda etapa con PE (48.61 ± 1.42 %). Este hecho se debe a la mayor selectividad que ofrece el CO2 como solvente (como se discutió en la sección “Extracción con fluidos supercríticos”), mientras que el etanol posee la capacidad de extraer compuestos con un amplio rango de polaridad. Otros resultados mostraron que la primera etapa permitió obtener extractos con un bajo contenido de fenoles totales (15.80 ± 0.40 mg) equivalentes de ácido gálico (mg GAE/g extracto) y una alta concentración de carotenoides y flavonoides totales (5.60 ± 0.51 mg de β-caroteno/g extracto y 7.99 ± 0.12 mg equivalente catequina [CE]/ g extracto, respectivamente). En contraste, en la segunda etapa del proceso, la extracción con PE, la recuperación de fenoles totales aumentó en un 48 % (23.52 ± 0.41 mg GAE/g extracto) con respecto a su extracción en la etapa inicial. Por su parte, el contenido de flavonoides totales se vio disminuido en un 55 % (4.06 ± 0.06 mg CE/g extracto) en la segunda etapa, siendo preferentemente extraídos empleando CO2 supercrítico. Contrastando con estos resultados del fraccionamiento por etapas, este estudio también contempló, a manera de comparación, una extracción etanólica convencional en una sola etapa, destacándose por una mayor cantidad de flavonoides y compuestos fenólicos extraídos (41.63 ± 0.19 mg GAE/g extracto y 10.51 ± 0.02 mg CE/g extracto, respectivamente), pero con un bajo rendimiento de extracción (11.4 ± 0.50 %).

Figura 2.5

Proceso secuencial de extracción de epicarpio de mango

Fuente: elaboración propia con base en García-Mendoza et al. (2015).

Siguiendo el enfoque de biorrefinería, esta estrategia de extracción permitió obtener de una misma matriz dos fracciones selectivamente enriquecidas en diferentes familias de compuestos: un extracto supercrítico concentrado en carotenoides y flavonoides (presumiblemente de baja polaridad) y una fracción etanólica rica en compuestos fenólicos. El alto contenido de carotenoides extraídos con EFS se debió a la alta solubilidad de estos compuestos en el dióxido de carbono supercrítico, causado por su carácter no polar. Llama la atención, en este caso, que los flavonoides presentes en epicarpio de mango (expresados como equivalentes de catequina) mostraron una baja polaridad, puesto que su solubilidad fue mayor en CO2 que en etanol presurizado a las condiciones ensayadas. Por su parte, en la segunda etapa (PLE) el contenido de fenoles totales aumentó significativamente, lo que puede ser explicado por la alta solubilidad de estos compuestos en disolventes polares como el etanol. De esta forma, el epicarpio proveniente del procesamiento agroindustrial de frutos de mango representa una alternativa de recuperación de biocompuestos con alto valor agregado, que pueden ser potencialmente empleados como antioxidantes naturales o ingredientes alimentarios funcionales (Naeem, Taskeen, Iqbal, Mubeen y Maimoona, 2009).