DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EQUIPOS DE EXTRACCIÓN CON
FLUIDOS SUPERCRÍTICOS (EFS) Y ALGUNAS APLICACIONES EN
ANÁLISIS DE ALIMENTOS
Andrés F. Peralta-Bohórquez 1, Armando Reyes Najar 2, Javier A. Rangel-Mendoza 3, Alejandro Nivia-Quintero 4, Alvaro A. Mendoza-Garzón 5, Luis I. Rodríguez-Varela6,
Fabián Parada-Alfonso 7*
Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. Tel. 3165000, Ext. 14448 1-4,7 Facultad de Ciencias. Departamento de Química,
5 Facultad de Ingeniería. Ingeniería Mecánica.
aamendozag@unal.edu.co
6 Facultad de Ingeniería. Ingeniería Química.
lirodriguezv@unal.edu.co
* fparadaa@unal.edu.co;
RESUMEN
El presente trabajo expone el desarrollo y construcción de un equipo, a escala de laboratorio, empleado en la obtención de extractos desde fuentes vegetales, en el cual se realiza la extracción con fluidos supercríticos (EFS). Dicho equipo permitió emplear como disolvente dióxido de carbono en procesos de extracción realizados sobre diferentes muestras de interés para la industria de alimentos (semillas de guayaba, rizomas de jengibre, frutos de limoncillo llanero y café tostado). Los resultados obtenidos ponen en evidencia lo promisorio de someter a EFS nuestros recursos agroindustriales o sus residuos, bien sea con fines analíticos o en la búsqueda de imprimir valor agregado a los mismos.
Palabras claves: Extracción con Fluídos Supercríticos, guayaba, jengibre, limoncillo llanero, café tostado
INTRODUCCIÓN
Al someter una sustancia pura a condiciones de presión y temperatura superiores a las críticas ésta se encuentra en la región supercrítica, lo cual le otorga unas características especiales. Los fluidos supercríticos (también conocidos como gases densos o líquidos difusos) son una combinación gas-líquido con buenas propiedades de
transferencia de masa (baja viscosidad, tensión superficial nula y alta difusividad, características de los gases) y de poder solvatante (inherente a los líquidos), lo cual ha estimulado su aplicación como disolventes. Es de anotar que los valores de temperatura crítica (Tc) y presión crítica (Pc) son propios de cada sustancia (Luque et al. 1993), ver diagrama de fases.
Figura I. Diagrama de fases de una sustancia pura (PC: Punto crítico; PT: Punto triple)
En la industria de alimentos el número de aplicaciones tanto a nivel analítico como industrial de la tecnología de extracción con fluidos supercríticos (EFS) ha aumentado (Rozzi and Singh 2002; Mendiola et al. 2007).
En este campo el CO2 es el disolvente mas empleado debido a que los extractos obtenidos están exentos de residuos de disolvente (a condiciones normales éste es un gas) y de transgresiones térmicas y oxidativas. Además, el CO2 no es tóxico ni inflamable, es económico, de fácil consecución y posee condiciones críticas fácilmente alcanzables (Tc: 304.2 K; Pc: 7.4 MPa). Sin embargo, el costo de los equipos ha impedido que el número de usuarios de esta tecnología aumente.
El presente trabajo describe la construcción de un equipo de EFS, que permite realizar extracciones con CO2 supercrítico a escala de laboratorio. Dicho equipo se empleó en el proceso de obtención de extractos de interés para la industria de alimentos a partir de diferentes muestras, a saber: semillas de
guayaba (Psidium guajava), rizomas de jengibre (Zingiber officinale), frutos de limoncillo llanero (Siparuna thecaphora) y café tostado (Coffea arabica).
En cuanto al trabajo realizado sobre semillas de guayaba, al someter éstas a la técnica de EFS, fue posible obtener la respectiva fracción grasa, la cual se derivatizó (NaOH en MeOH-BF3) y analizó por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (CG/EM); de tal forma, se definió que las semillas son una fuente promisoria de ácidos grasos, especialmente ácido linoleico (Nivia et al. 2007).
En cuanto a los trabajos realizados sobre rizomas de jengibre y frutos de limoncillo llanero, fue posible obtener los respectivos extractos mediante EFS y comparar dicha técnica de extracción contra técnicas tradicionales; los extractos obtenidos mediante EFS poseían aromas característicos (agradables y delicadas fragancias cítricas).
Por último, café tostado calidad consumo fue sometido a EFS, los extractos obtenidos fueron sometidos a análisis sensorial; mediante el cual se determinó que presentaron un aroma característico a café tostado calidad exportación.
I. MATERIALES Y MÉTODOS. 2.1. Muestras
Las semillas de guayaba fueron proporcionadas por una fábrica de bocadillos ubicada en Barbosa-Santander. Los rizomas de jengibre fueron comprados en un supermercado.
Los frutos de limoncillo llanero fueron recolectados en las afueras de Villavicencio-Meta. El café tostado calidad consumo fue adquirido en un supermercado.
2.2. Construcción del Equipo de extracción.
Para ensamblar el extractor para EFS, a nivel analítico, fue necesario construir recipientes para alta presión. Dichos recipientes eran armados a partir de piezas de acero inoxidable mínimamente maquinadas que se sometían a procesos de expansión-contracción térmica. Una vez armados los recipientes para alta presión, se logró construir un conjunto de extractores para EFS.
2.3. Método de extracción.
La muestra se depositaba en el recipiente extractor. Una vez alcanzadas las condiciones de trabajo (T y P), éstas se mantenían durante un tiempo de extracción de 1 h; posteriormente se procedía a despresurizar el extractor obteniéndose el respectivo extracto libre de disolvente.
En la tabla 1 se relaciona la información correspondiente a las condiciones que se probaron en la obtención de los extractos de semillas de guayaba, tanto por EFS como por extracción Soxhlet (se obtuvieron cuatro extractos con CO2 supercrítico y un extracto mediante extracción Soxhlet).
Los rizomas de jengibre fueron sometidos a extracción con CO2 supercrítico (40 ºC, 13.8 MPa), extracción por arrastre con vapor y extracción Soxhlet. Por su parte los frutos de limoncillo llanero fueron obtenidos mediante EFS con CO2 (40 ºC,
13.8 MPa) y mediante destilación-extracción simultanea empleando éter etílico. La muestra de café tostado calidad consumo fue sometida a EFS con CO2 (60 ºC, 17.2 MPa).
Tabla 1. Condiciones de extracción aplicadas a semillas de guayaba
1.4 Análisis de extractos.
A cada uno de los extractos obtenidos a partir de las semillas de guayaba se le determinó el peso con el propósito de calcular el rendimiento. El extracto con mayor rendimiento fue sometido al proceso de transesterificación (NaOH en MeOH-BF3) y analizado por cromatogra- fía de gases acoplada a espectrometría de masas (CG/EM). Los extractos de volátiles obtenidos de las otras muestras fueron analizados sensorialmente y de manera preliminar fueron analizados por CG/EM.
II. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El ensamble de los equipos de extracción, a nivel analítico, empleados en la técnica de EFS fue posible luego de construir recipientes para alta presión. Dichos recipientes fueron armados a partir de dos piezas de acero inoxidable mínimamente maquinadas que se sometían a procesos de expansión-contracción térmica (ver figura IIa).
Técnica de extracción Solvent e T (ºC) P (MPa) EFS CO2 40 17.0 21.0 24.0 31.0 Extracció n Soxhlet Hexan o P,Ebullición del solvente Presión atmos- férica
Figura II. Construcción de recipientes para alta presión
Figura III. Equipos para EFS dispuestos en paralelo
Para ello la pieza externa (tubo de acero inoxidable ligeramente maquinado) se sometía a una expansión térmica, generada por calentamiento, y la pieza interna a una contracción térmica, generada por enfriamiento; luego de ello las piezas externa e interna eran juntadas, tal como se observa en la figura IIb1
Aunque el rendimiento obtenido por EFS (menor al 0.2%) es muy inferior al obtenido por extracción Soxhlet (cerca al . alcanzar el equilibrio térmico dichas piezas quedaban unidas, generando una presión de contacto entre ellas capaz de resistir presiones internas mayores a 7 MPa batería de extracción compuesta por tres extractores en paralelo (1 a 3). Como componentes fundamentales de ésta se encuentran: cilindro de CO2 (4), bomba para presurizar el CO2 (5), controlador de temperatura (6), manómetros, válvulas y líneas de conexión.
Una vez armados los recipientes para alta presión, se logró ensamblar, a bajo costo, un conjunto de extractores para EFS.
Los extractos obtenidos a partir de las semillas de guayaba mediante CO2 supercrítico no presentaron residuos de disolvente, mientras que en el extracto obtenido mediante extracción Soxhlet persistía la presencia de hexano, incluso luego de concentrarlo.
Los rendimientos en las EFS dependieron de la presión de extracción (a 17, 21, 24 y 31 MPa se obtuvieron 42, 87, 113 y 140 mg/100 g de muestra, respectivamente). Dicho comportamiento sugiere la posibilidad de alcanzar rendimientos mayores a presiones de extracción mayores.
1
Manuscrito en preparación.
10%), este trabajo dio inicio a un conjunto de modificaciones que se están adelantando en la actualidad con diferente propósito; en primer término, mediante EFS se está alcanzando rendimientos en fase lipídica similares a los obtenidos por Soxhlet y por otra parte se está aplicando la EFS para obtener fracciones de compuestos con actividad antioxidante de dicha muestra2
2 Castro, H. Tesis de maestría en
Ciencias-Química.
Por otra parte, tras someter el extracto obtenido a 40 ºC y 31 MPa a derivatización y posterior análisis por CG/EM, se determinó que las semillas de guayaba pueden ser fuente promisoria de ácidos grasos (el extracto analizado contenía ácido linoleico 61%, ácido palmítico 26% y ácido esteárico 13%) (Nivia et al. 2007).
Respecto a los extractos de volátiles obtenidos a partir de rizomas de jengibre: mediante extracción por arrastre con vapor, éste presentó un alto contenido de agua y su aroma no era característico a jengibre; el extraído por Soxhlet contenía una cantidad importante de hexano y presentó un aroma similar al de jengibre; por su parte, el extracto obtenido mediante EFS no contenía residuos de disolvente y presentó un aroma característico a jengibre, este último con un rendimiento del 1.0 %.
Dicho rendimiento fue cercano al reportado en Fenaroli’s (1995), 1.2% máximo. Por otra parte, el análisis preliminar por CG/EM del extracto, permitió detectar compuestos con actividad antioxidante propios de dicho material vegetal (p.e. zingerona y gingerol) (Shukla y Singh 2007).
dimiento alcanzado por EFS, sumado al tipo de constituyentes y a las cualidades sensoriales de dicho extracto permite afirmar que por medio de esta técnica es posible obtener un producto de excelente calidad a partir de rizomas de jengibre.
Con relación al estudio realizado sobre los frutos de limoncillo llanero, el extracto obtenido con CO2 supercrítico no presentó residuos de disolvente y superó en calidad sensorial al obtenido con éter etílico. Dicho extracto se caracterizó por poseer notas cítricas con gran similitud al limón, mediante el análisis preliminar por CG/EM del mismo se observó gran similitud entre éste y el contenido en hojas de limoncillo llanero (Cicció y Gómez 2002).
Por último, en lo pertinente a café, una de las muestras mas estudiadas por EFS (Araújo y Sandi 2006; Kopcak y Mohamed 2005; Lucas y Cocero 2006; Moreno et al. 2007; Riverol y Cooney 2005), mediante la extracción con CO2 supercrítico fue posible obtener extractos de aroma de café de calidad superior empleando para ello granos de café tostado de baja calidad.
IV. CONCLUSIONES
El presente trabajo permitió tener acceso de una manera sencilla y económica a la tecnología de EFS, a escala de laboratorio, dada la posibilidad de diseñar y construir extractores en nuestro laboratorio para este propósito.
Mediante CO2 supercrítico fue posible obtener la fracción grasa de las semillas de guayaba, siendo éstas un residuo de nuestra agroindustria.
Sometiendo a EFS, tanto los rizomas de jengibre como los frutos de limoncillo
llanero se logró extraer las respectivas fragancias, las cuales presentaron aromas característicos Empleando CO2 supercrítico fue posible obtener extractos a partir de café tostado calidad consumo los cuales presentaron aroma de alta calidad.
.
El conjunto de resultados permite considerar la EFS como una posibilidad tecnológica promisoria tanto para lograr un mejor conocimiento de nuestros recursos agroalimentarios como para obtener un mejor aprovechamiento de éstos o sus residuos.
IV REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Araújo J.M.A., Sandi D. (2006).
Extraction of Coffee Diterpenes and Coffee Oil Using Supercritical Carbon Dioxide. Food Chemistry 101, 1087-1094.
2. Cicció J.F., Gómez J., (2002). Volatile Constituents of the Leaves of Siparuna thecaphora (Siparunaceae) from Turrialba-Costa Rica. Rev. Biol. Trop. 50, 963-967.
3. Fenaroli’s (1995). Hanbook of Flavor Ingredients, CRC, 138-140, 799.
4. Kopcak U., Mohamed R.S. (2005). Caffeine Solubility in Supercritical Carbon Dioxide/co-Solvent Mixtures. Journal of Supercritical Fluids 34, 209-214.
5. Lucas S., Cocero M.J. 2006. Improvement of Soluble Coffee Aroma Using an Integrated Process of Supercritical CO2 Extraction with Selective Removal of the Pungent Volatiles by Adsorption on Actived
Carbon. Brazilian Journal of Chemical Engineering 23, 197-203.
6. Luque de Castro M.D., Valcárcel M., Tena M.T., (1993). Extracción con Fluidos Supercríticos en el Proceso Analítico, Barcelona-España, Ed. Reverté, S.A. 46-84.
7. Mendiola J.A., Herrero M., Cifuentes A., Ibañez E., (2007). Use for Compressed Fluids for Sample Preparation: Food Aplications. J. Chromatogr. A 1152, 234-246.
8. Moreno H., Rodríguez I., Ordóñez A., Quijano C., Pino J., Rojas N., Florián M., Parada F. (2007). Obtención de Cafeína a Partir de Café Verde Empleando CO2 Supercrítico. Rev. Cubana de Química 19, 47-49.
9. Nivia A., Castro H., Parada F., Rodríguez I., Restrepo P., (2007). Aprovechamiento Integral de la Guayaba (Psidium guajava L.): I. Obtención de Extractos a Partir de Semillas Utilizando como Solvente CO2 Supercrítico. Scientia et Técnica 33, 120-123.
10 Riverol C., Cooney L. (2005). Assessing Control Strategies for the Supercritical Extraction from Coffee Beans: Process-Based Control Versus Proportional Integral Derivative. Journal of Food Process Engineering 28, 494-505.
11 Rozzi N.L., Singh R.K., (2002). Supercritical Fluids and the Food Industry. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 1, 33-34.
12 Shukla Y., Singh M. (2007). Cancer Preventive Properties of Ginger. Food Chem. Toxicology 45, 683–690.
Agradecimientos:
Los autores agradecen a la Universidad Nacional de Colombia, por el apoyo otorgado al proyecto; al grupo de investigación Ciencias Agroalimentarias- y del Aroma (CALIM) de la Universidad de los Andes, por los análisis de CG/EM realizados; al Grupo de Calidad de la Federación Nacional de Cafeteros de Colombia por el análisis sensorial del extracto de café; a la empresa ROCHA Y LONDOÑO LTDA por el apoyo logístico
