extracción de compuestos de interés

 EXTRACCIÓN DE COMPUESTOS DE INTERÉS 1.‐ Definición Los principales “activos” contenidos en una material vegetal pueden ser extraídos mediante diversas técnicas extractivas, o bien pueden ser dispuestos tal y como se encuentran en el material vegetal fresco una vez triturado o previo tratamiento de secado. El objetivo de la extracción es el aprovechamiento de los subproductos orgánicos para la obtención de compuestos naturales de alto valor añadido para la industria alimentaria, cosmética y/o farmacéutica por sus características funcionales, antimicrobianas o antioxidantes. Se puede decir que la materia prima empleada posee una serie de compuestos solubles (principio activo) en el líquido extractante que son los que se pretende obtener y concentrar. La extracción es un proceso químico, que utiliza diferentes disolventes (más o menos polares), dependiente del tipo de extracto a conseguir. El agua es uno de los disolventes más utilizados, pero tiene un poder extractivo relativamente pequeño, comparada con otros disolventes también empleados. Uno de ellos y el más usado es el alcohol en diversas graduaciones. Además, el método de extracción a utilizar depende del tipo de material (caracteres organolépticos) y de la concentración de los principios activos. En general, los métodos y técnicas operatorias a seleccionar para realizar la extracción y/o aislamiento de principios activos de un material vegetal dependen de varios factores, como son: ‐ Naturaleza del disolvente: Agua. Etanol. Mezclas hidroalcohólicas. Propilenglicol. Disolventes orgánicos ‐ Cantidad de disolvente. Cuanto mayor sea la cantidad, más elevado será el agotamiento de los principios activos. ‐ Temperatura: El calor favorece y acelera la extracción pero puede descomponer los principios activos. ‐ Tiempo de extracción: Depende de las características de la materia prima (dureza, grado de división) y de la naturaleza de los principios activos (volátiles, hidrolizables, oxidables, entre otros) 2.‐ Compuestos de interés en los subproductos orgánicos 1
Dentro de los desechos generados por la industria de los agrotransformados vegetales existen gran cantidad de compuestos de interés. La alcachofa que es una de las materias primas más consumidas en la Región de Murcia contiene gran cantidad de compuestos fenólicos. Los compuestos fenólicos más representativos en la alcachofa (Cynara scolymus L.) son el ácido Cafeico (ácido 3.4‐
dihidroxicinámico), el ácido Clorogénico (ácido 3‐Cafeilquinico), la cinarina, el cinarósido, la isorhoifolina, y la narirutina, todos estos con propiedades antioxidantes. Otro compuesto de interés muy desarrollado son las fibras. Las fibras están presentes en vegetales, tales como subproductos de pelado de manzanas, peras, naranjas, melocotón, alcachofa y espárrago (Grigelmo y Martín, 1999), en el proceso de elaboración de zumo del limón (Lario y col., 2004) y de pulpa de manzana, grosella negra, pera, cereza y zanahoria (Nawiska y Kwasniewska, 2005). También están presentes en otros alimentos como en los cereales, aunque se puede afirmar que los de mayor calidad nutricional y tecnológica están presentes en las frutas y hortalizas. Los aceites esenciales y las pectinas son otros compuestos cuya extracción está bastante extendida. Se pueden extraer aceites esenciales y pectinas de cítricos y albaricoque. Los aceites esenciales y pectinas se obtienen de los subproductos de la extracción de los jugos de mandarina, naranja, toronja y pomelo. Para obtener extractos ricos en compuestos fenólicos se utilizan métodos convencionales, como la extracción con disolventes, pero existen algunos métodos de extracción más modernos como pueden ser la extracción con fluidos supercríticos, usado para la extracción de carotenoides como el licopeno en frutas y verduras, sobre todo del tomate, o la técnica de hidrodestilación asistida por radiación de microondas que se emplea para la extracción de los aceites esenciales. Estos son solo algunos de los ejemplos de compuestos de interés que se pueden conseguir pero existen muchos más, como podrían ser: Peroxidasa, Proteasas, BetaCaroteno, Hidroxitirosol, Flavonoides, etc. 3.‐ El Proceso El proceso consta de varias fases diferenciadas: ƒ Pretratamiento de la biomasa: ∙ Secado para extracción con solventes orgánicos, cuando sea necesario. ∙ Triturado o molienda según el tipo de materia prima y proceso. ∙ Tratamiento térmico de la biomasa (mejora de los procesos de extracción). 2
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Procesos de extracción continua o batch con solvente (agua, etanol, acetato de etilo, etc.). Aunque las tecnologías que existen actualmente van más allá del uso de este tipo de disolventes o la combinación de varias tecnologías para aumentar el rendimiento de la extracción. En esta fase se trata de que tengan lugar las siguientes etapas, que contralan el transporte de los analitos desde la matriz hasta el seno del disolvente: 1. Desorción desde una partícula sólida 2. Difusión a través del disolvente dentro del poro de la partícula 3. Transferencia hacia el seno del flujo de disolvente (solubilización) Purificación de los extractos por floculación y centrifugación, tratamiento con resinas, filtración tangencial, separación cromatográfica. Concentración y estabilización de los productos: Concentración a vacío, secado en spray, etc. ƒ
Recuperación de disolventes: Recuperación de etanol o acetato para reintroducción a proceso, recuperación de agua para minimizar el consumo, etc. Más concretamente existen diferentes tecnologías de aplicación en la etapa propia de extracción. Todas ellas tienen en común varios objetivos y se pueden incluir las indicadas seguidamente: Objetivos (a) la extracción de compuestos bioactivos específicos del material en estudio (b) aumentar la concentración de compuestos extraídos (c) convertir el compuesto bioactivo en una forma más adecuada para su detección analítica y separación posterior (d) proporcionar un método viable y reproducible Clasificación ‐ Extracción convencional con disolventes ‐ Extracción por arrastre con vapor ‐ Extracción mecánica ‐ Extracción asistida por microondas ‐ Extracción asistida por ultrasonidos ‐ Extracción mediante tratamiento enzimático ‐ Extracción con disolventes acelerada ‐ Extracción con fluidos supercríticos 3.1. Extracción convencional con disolventes 3
Se basa en la transferencia selectiva del compuesto de interés desde una mezcla sólida o líquida con otros compuestos hacia una fase líquida (normalmente un disolvente orgánico). El éxito de la técnica depende básicamente de la diferencia de solubilidad en el disolvente de extracción entre el compuesto deseado y los otros compuestos presentes en la mezcla inicial. 3.2. Extracción por arrastre con vapor Se utiliza vapor saturado o sobrecalentado, generado fuera del equipo principalmente, que se pone en contacto con un lecho de material a extraer. Se consigue que el material se caliente y vaya liberando el aceite esencial que contiene y éste, a su vez, debido a su alta volatilidad se vaya evaporando. Al ser soluble en el vapor circundante, es “arrastrado”, corriente arriba hacia el tope del hidrodestilador donde llega a un condensador y se enfría la mezcla. Posteriormente, al enfriarse, el aceite que es inmiscible con el agua se separa del agua y es acumulado. 3.3. Extracción mecánica En esta ocasión, son unas prensas o tornillos sin fin los encargados de ejercer presión sobre el material para extraer su aceite rico en compuestos de interés. Para aumentar el rendimiento pueden requerir un tratamiento térmico previo, con el que disminuir la afinidad del aceite por las superficies sólidas de las semillas y, además, aumentar la fluidez del aceite. 3.4. Extracción asistida por microondas Las microondas mejorar el rendimiento de extracción al aplicar un tratamiento térmico, que utiliza radiaciones electromagnéticas que se encuentran en el rango de 0.3 a 300 GHz (λ = 1 hasta 0.001 m) para generar calor dentro del material y que éste se caliente en periodos de tiempo más cortos. Con todo ello se evita una posible degradación de los compuestos de interés al aplicar tratamientos de larga duración. 3.5. Extracción asistida por ultrasonidos Los ultrasonidos son vibraciones mecánicas en un sólido, un líquido o un gas con una frecuencia superior a la audible por los humanos. Estas ondas mecánicas sólo se transmiten a través de la materia, ya que implica ciclos de expansión y compresión. Cuando se aplican ultrasonidos lo suficientemente intensos, los ciclos de expansión pueden crear burbujas o cavidades en el líquido, y cuando las burbujas explotan (porque no pueden absorber más energía) se producen temperaturas y presiones muy elevadas que favorecen la liberación de compuestos y la formación de radicales en cortos periodos de tiempo con una disipación del calor muy rápida. 4
3.6. Extracción mediante tratamiento enzimático Las enzimas actúan como catalizadores de la reacción, acelerando el proceso. Con las enzimas apropiadas se consigue romper la estructura de las membranas celulares para provocar la liberación del compuesto de interés. 3.7. Extracción con disolventes acelerada En este caso el proceso se lleva a cabo a presiones elevadas para trabajar con disolventes en fase líquida a temperatura por encima de su punto de ebullición. 3.8. Extracción con fluidos supercríticos Un fluido supercrítico posee propiedades de disolvente que se parecen a las de un líquido, pero también exhibe propiedades de transporte parecidas a las de un gas. De esta manera, un fluido supercrítico no solo puede disolver solutos sino que también es miscible con los gases ordinarios y puede penetrar en los poros de los sólidos facilitando la extracción. Se trata de una tecnología amistosa con el medio ambiente, al no utilizar disolventes clorados, etc. El CO2 es el disolvente más utilizado en estado supercrítico. No es tóxico, no contamina, no es inflamable, es económico, fácil de reciclar y, por tanto, no supone un problema medioambiental de gestión de residuos. Como inconveniente puede decirse que requiere de largos tiempos de extracción o baja afinidad por algunas sustancias, por lo que puede ser necesaria su combinación con otras tecnologías. En resumen, las modificaciones con respecto al sistema de extracción convencional facilitan la extracción disminuyendo los tiempos de extracción y el tamaño de los equipos principalmente. A continuación se detalla un ejemplo de extracción, pero como se ha podido observar de lo comentado anteriormente, son numerosos los procedimientos descritos y/o patentados que puede haber para la extracción de un compuesto de interés; en cualquier caso se deberá implementar el más adecuado dependiendo de las características fisico‐químicas de la materia a utilizar y en función de su aplicación posterior. Caso ejemplo: Extracción de Pectina Descripción 5
Las pectinas son heteropolisacáridos que se presentan en la naturaleza como elementos estructurales del sistema celular de las plantas (es un tipo de fibra suluble). Su componente principal es el ácido poligalacturónico, que existe parcialmente esterificado con metanol. Se encuentran principalmente en las frutas y vegetales, para aprovechar su capacidad para balancear el equilibrio del agua dentro del sistema (Herbstreith, 2001). Las pectinas se obtienen de materiales vegetales que tienen un alto contenido en éstas, tales como manzanas, frutas cítricas, piña, tomate de árbol o aceitunas. Según el tratamiento que se haga a las materias primas se obtienen diferentes calidades de pectinas, de acuerdo con las necesidades de los productos terminados. Estas pectinas son, en la actualidad, ingredientes muy importantes en la industria de los alimentos, para hacer gelatinas, helados, salsas, queso, etc. También se emplean en otras industrias como la farmacéutica, que requieren modificar la viscosidad de sus productos, y en la industria de los plásticos así como en la fabricación de productos espumantes (Gómez, 1998). Metodologías de extracción Existen numerosos procesos patentados para obtener las pectinas, y en cada uno de ellos se obtienen productos de diferente calidad, así como sus posibles aplicaciones, dependen mucho del método de obtención. Un proceso patentado (Glahn, 2001) consiste en convertir la materia prima en una sal cálcica de la pectina en un medio líquido, para luego secarla y obtener así un pectinato, que cuando se pone en agua la absorbe para formar partículas estables de un diámetro medio equivalente mayor de 100 micrómetros. En otro método se encontró que la pectina puede hidrolizarse y extraerse del tejido vegetal, tal como la cáscara de cítricos o la pulpa de vegetales que contengan esta sustancia, sin adicionar un ácido. Así se logra solubilizar pectinas con alto contenido de metoxilos y luego recuperarlas por concentración y secado (Ehrlich, 1997). También se puede obtener un producto enriquecido en pectina, en forma granular, para usarlo en alimentos y bebidas, poniendo la materia prima en contacto con una proteína comestible, soluble en agua para solubilizar la pectina y luego precipitarla con ayuda de un solvente. En este caso se puede mejorar el rendimiento agregando un ácido (Cerda, 1996). Un proceso ambientalmente recomendable consiste en hacer reaccionar una suspensión acuosa de una fibra comestible con una solución de un metal alcalinotérreo y luego separar la suspensión resultante en una fracción sólida rica en pectina y la fracción líquida con menor contenido en esta, pasando finalmente el material por una columna de intercambio iónico (Graves, 1994). 6
Un proceso de índole biotecnológica para preparar la pectina consiste en someter el tejido vegetal que contiene sustancias pécticas a la acción de microorganismos del género Bacillus, cuya actividad permite la liberación y recuperación de las pectinas (Sakai, 1989). También se pueden obtener pectinas de muy buena calidad a partir de material vegetal aplicándole presión y con calentamiento por microondas (Fishman, 2000). Usos y aplicaciones industriales Industria alimentaria: alimentación directamente o envases activos Industria farmacéutica. Industria cosmética Ventajas. Efectos beneficiosos sobre la salud • Ayudan a controlar la diabetes • Combaten el estreñimiento • Reducen los riesgos de infartos • Ayudan a reducir los niveles de colesterol • Combaten determinados trastornos intestinales 7