UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TESIS
PRESENTADO POR LA BACHILLER:
GAVILAN GUILLEN, NARDA JOSEFINA
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
HUANCAYO-PERÚ 2016
“Efecto de presión y temperatura en extracción por CO
2-supercrítico y etanol en capsaicinoides de venas de ají panca
(Capsicum chinense)”
ASESORA:
Msc. Norma N. GAMARRA MENDOZA
A Dios que es mi fortaleza, mis padres Gregorio y Consuelo que son mi ejemplo, mi hermano Nils mi gran cómplice, Daniel mi apoyo incondicional. A ellos, que me impulsan a mejorar y a vencer los obstáculos que se presentan cada día, por su apoyo hicieron posible la realización del presente trabajo.
Narda Josefina Gavilán Guillén
Agradecimientos
A la Msc. Norma Gamarra Mendoza por su asesoramiento del presente trabajo de tesis, por su guía, por la confianza depositada en mí, durante el tiempo que duro la ejecución de este trabajo de investigación.
Al proyecto de investigación FINCYT PIAP-1-P-182-13, por el financiamiento brindado para la realización de la presente tesis.
Al Ing. Carlos Seguil Mirones, por su apoyo que desinteresadamente me brindó.
A la facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias de la UNCP, por la formación académica que me brindó.
A la Corporación Universitaria Lasallista - Antioquia y a la Sede de Investigación Universitaria de la Universidad de Antioquia por la colaboración brindada para la realización del presente trabajo.
A mis compañeros y amigos, Daniel, Patricia, Guilliana, Helen, Jessuly, Luis, Edgar, María Victoria, Carlos, Natalie y Victor por su valiosa ayuda y apoyo en diferentes momentos del desarrollo de mi trabajo de tesis.
Y a todos aquellos que han estado junto a mí durante el desarrollo de este trabajo de investigación.
1 CONTENIDO GENERAL
CAPITULO Pagina
RESUMEN ... 9
I. INTRODUCCIÓN ... 10
II. REVISION BIBLIOGRÁFICA ... 12
2.1. CAPSICUM ... 12
2.1.1. Origen ... 12
2.1.2. Descripción ... 13
2.1.3. Características generales ... 14
2.1.4. Producción mundial y en el Perú ... 15
2.1.5. Ají panca (Capsicum chinense) ... 18
2.2. OLEORRESINA ... 19
2.3. CAPSAICINOIDES ... 20
2.3.1. Síntesis de los Capsaicinoides ... 23
2.3.2. Estabilidad de los capsaicinoides ... 25
2.3.3. Características y propiedades de los capsaicinoides ... 26
2.3.4. Capsaicina ... 28
2.3.5. Unidades Scoville ... 28
2.4. PROCESO DE EXTRACCIÓN POR FLUIDOS SUPERCRÍTICO... 30
2.4.1. Principios de separación química en extraccion por fluidos supercriticos ... 35
2.4.2. La densidad en la extraccion por fluidos supercríticos ... 36
2.4.3. La difusividad y de la viscosidad del disolvente en la extraccion por fluidos supercriticos ... 37
2.4.4. Punto “Crossover” ... 38
2.4.5. Etapas de extraccion por CO2 supercritico ... 38
a. Etapa 1: ... 38
b. Etapa 2: ... 39
2.4.6. Curvas de extracción ... 39
a. Periodo I: ... 39
b. Periodo II: ... 39
2
c. Periodo III: ... 39
2.4.7. Sistema de extraccion supercritica ... 40
2.5. ANTECEDENTES DE EXTRACCION POR FLUIDO SUPERCRITICO ... 41
2.6. CROMATOGRAFÍA LÍQUIDA DE ALTA RESOLUCIÓN (HPLC) ... 43
Tipos de separación ... 44
III. MATERIALES Y MÉTODOS ... 45
3.1. LUGAR DE EJECUCIÓN ... 45
3.2. MATERIALES ... 45
3.2.1. Materia Prima ... 45
3.2.2. Equipos e instrumentos ... 45
3.2.3. Materiales varios: ... 46
3.2.4. Reactivos ... 47
3.3. MÉTODOS: ... 48
3.3.1. Acondicionamiento de la muestra ... 48
a. Limpieza de venas ... 48
b. Secado ... 48
c. Molienda y Tamizado ... 49
3.3.2. Extracción convencional de capsaicinoides (maceración) ... 49
3.3.3. Proceso de extracción con CO2- supercrítico y etanol de capsaicinoides de venas de ají panca ... 49
a. Cinética de extracción de oleorresina con CO2 supercrítico ... 50
b. Primera etapa de extracción: Extracción con CO2 supercrítico ... 50
c. Segunda etapa: Reextracción de la torta residual ... 50
3.3.4. Acondicionamiento de la oleorresina para la cuantificación de capsaicinoides por cromatografia liquida de alta eficiencia (HPLC) . 51 3.3.5. Cuantificación de capsaicinoides ... 51
3.4. DISEÑO EXPERIMENTAL PARA EXTRACCIÓN POR CO2 SUPERCRÍTICO. ... 54
IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES ... 56
4.1. CARACTERISTICAS DE LA MATERIA PRIMA ACONDICIONADA PARA LA EXTRACCIÓN DE CAPSAICINOIDES ... 56
3
4.2. EXTRACCION POR MACERACIÓN DE CAPSAICINOIDES ... 58
Concentracion de capsaicinoides en venas, pericarpio y semillas de aji panca ... 60
4.3. EXTRACCIÓN CON CO2 SUPERCRÍTICO Y ETANOL DE CAPSAICINOIDES DE VENAS DE AJÍ PANCA ... 61
4.3.1. Cinética de extracción de oleorresina con CO2 supercrítico ... 61
4.3.2. Rendimiento de oleorresina de venas de ají panca ... 62
4.4. IDENTIFICACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE CAPSAICINOIDES DE OLEORRESINA DE VENAS DE AJÍ PANCA ... 65
V. CONCLUSIONES ... 77
VI. RECOMENDACIONES ... 78
VII. BIBLIOGRAFÍA ... 79
ANEXO ... 92
4 ÍNDICE DE TABLAS
Tabla...………Pagina
Tabla 1. Clasificación del género Capsicum ... 13
Tabla 2. Países productores de ají ... 16
Tabla 3. Exportación de Capsicum deshidratado, seco, triturado o en polvo (miles USD) ... 16
Tabla 4. Importación de Capsicum deshidratado, seco, triturado o en polvo (miles USD) ... 17
Tabla 5. Composición y valor nutricional de Ají panca (100 g) ... 19
Tabla 6. Precios de oleorresinas de Capsicum ... 20
Tabla 7. Principales capsaicinoides encontrados en Capsicum ... 22
Tabla 8: Tabla de grados Scoville de Capsicum ... 29
Tabla 9. Propiedades fisica de gases, fluidos supercríticos y líquidos. ... 32
Tabla 10. Propiedades de algunos fluidos supercríticos. ... 34
Tabla 11. Densidad calculada para CO2 supercritico ... 37
Tabla 12. Diseño experimental para la evaluación del rendimiento de oleorresina y contenido de capsaicinoides ... 55
Tabla 13. Características de la vena de ají panca ... 56
Tabla 14. Cantidad de oleorresina obtenida por maceración de venas de ají panca . 58 Tabla 15. Contenido de capsaicinoides en oleorresina de venas ají panca obtenida por maceración ... 60
Tabla 16. Contenido de capsaicinoides en las partes del fruto del ají panca ... 60
Tabla 17. Rendimiento de oleorresina de venas de ají panca obtenida con CO2 supercrítico ... 62
Tabla 18. Cantidad de capsaicinoides de venas de ají panca de la oleorresina en la I etapa de extraccion ... 68
Tabla 19. Cantidad de capsaicinoides de venas de ají panca de la oleorresina en la II etapa de extracción ... 69
Tabla 20. Cantidad de capsaicinoides totalesde venas de ají panca ... 71
Tabla 21. Cantidad de capsaicinoides de venas de ají panca extraidos por maceración y con CO2 supercrítico y reextracción con etanol ... 72
5 Tabla 22. Análisis de varianza (ANOVA) en relacion al rendimiento de oleorresina de venas de ají panca ... 73 Tabla 23. Analisis de varianza (ANOVA) en relacion a capsaicinoides totales de la oleorresina de venas de ají panca ... 75 Tabla 24. Curva de calibración para capsaicinoides estándar ... 94 Tabla 25. Costo de materia e insumos para obtener 94, 22 g de oleorresina de venas de ají panca ... 98 Tabla 26. Analisis de varianza (ANOVA) en relacion al rendimiento de oleorresina de venas de ají panca ... 99 Tabla 27. Analisis de varianza (ANOVA) en relacion a capsaicinoides totales de oleorresina de venas de ají panca ... 99
6 ÍNDICE DE FIGURAS
Figura………Pagina
Figura 1. Parte interna del Capsicum ... 15
Figura 2. Planta de ají panca ... 18
Figura 3. Fruto, venas y semillas de ají panca ... 18
Figura 4. Estructura química de los capsaicinoides ... 22
Figura 5. Síntesis de los capsaicinoides en ají ... 24
Figura 6. Acción de la peroxidasa en capsaicinoides ... 26
Figura 7. Estructura química de la capsaicina. ... 28
Figura 8. Diagrama de equilibrio de fases ... 33
Figura 9. Diagrama de fases Densidad vs. Presión reducida ... 36
Figura 10. Curva de extracción por fluidos supercríticos ... 40
Figura 11. Sistema típico de extracción supercrítica ... 41
Figura 12. Esquema del proceso de análisis de capsaicinoides mediante HPLC ... 44
Figura 13. Limpieza de venas de aji panca ... 48
Figura 14. Diagrama de flujo de extracción de capsaicinoides por dióxido de carbono supercrítico ... 53
Figura 15. Perfiles HPLC de capsaicinoides para venas de ají panca, obtenidos con extracción por maceración ... 59
Figura 16. Cinética de extracción de oleorresina de venas de ají panca ... 61
Figura 17. Comparación del rendimiento de oleorresina obtenida con CO2 supercrítico y extracción convencional ... 65
Figura 18. Perfiles del patrón de capsaicinoides a 180 ppm ... 66
Figura 19. Perfiles de capsaicinoides de venas de ají extraídos con CO2 supercrítico ... 66
Figura 20. Perfiles de capsaicinoides de venas de ají reextraídos con etanol - etapa II ... 67
Figura 21. Perfiles de capsaicinoides de venas de ají extraídos con CO2 supercrítico y etanol de la etapa I y II ... 67
Figura 22. capsaicinoides de venas de ají panca extraidos por maceración y con CO2 supercrítico y etanol y reextracción con etanol ... 72
7 Figura 23. Diagrama de Pareto estandarizado para el rendimiento de oleorresina de
venas de ají panca ... 74
Figura 24. Diagrama de superficie de respuesta para el rendimiento de oleorresina de venas de ají panca ... 74
Figura 25. Diagrama de Pareto para la cantidad de capsaicinoides totales de oleorresina de venas de ají panca ... 76
Figura 26. Diagrama de superficie de respuesta para la cantidad de capsaicinoides totales de oleorresina de venas de ají panca ... 76
Figura 27. Curva estándar de nordihidrocapsaicina ... 94
Figura 28. Curva estándar de capsaicina ... 95
Figura 29. Curva estándar de dihidrocapsaicina ... 95
Figura 30. Cromatograma de patrón de capsaicina y nordihidrocapsaicina 180 ppm ... 96
Figura 31. Cromatograma de patrón de dihidrocapsaicina180 ppm ... 96
Figura 32. Balance de materia de extracción de capsaicinoides de venas de ají extraídos con CO2 supercrítico y etanol ... 97
Figura 33. Secado de venas de ají panca ... 100
Figura 34.Determinación de humedad de venas de ají panca ... 100
Figura 35. Molienda y tamizado de venas de ají panca ... 100
Figura 36. Pesado de venas de ají para extracción de capsaicinoides con CO supercrítico ... 101
Figura 37. Equipo de fluido supercrítico Supercritical Fluid Technologies, modelo SFT – 150 – SFE SYSTEM de la Sede de Investigación Universitaria de la Universidad de Antioquia ... 101
Figura 38. Extracción de capsaicinoides con CO2 supercrítico ... 102
Figura 39. Pesado de oleorresina obtenida con extracción de capsaicinoides con CO2 supercrítico ... 102
Figura 40. Pesado de la torta de venas de ají (masa residual del proceso de extracción con CO2 supercrítico), para la reextracción con etanol ... 103
Figura 41. reextracción con etanol de capsaicinoides de la masa residual del proceso de extracción con CO2 supercrítico ... 103
8 Figura 42. Filtración del extracto etanolico que se obtuvo del proceso de
maceración ... 104 Figura 43. Evaporación del extracto etanolico para obtención de oleorresina ... 104 Figura 44. Cuantificación de capsaicinoides por HPLC ... 105
9 RESUMEN
El uso del ají panca (Capsicum chinense) en la industria alimentaria, genera una gran cantidad de venas, eliminadas por desconocimiento de su contenido de capsaicinoides, un grupo de alcamidas responsables del picor y que poseen propiedades antioxidantes.
Se tiene pocas referencias del efecto de la presión y temperatura en la extracción por CO2 supercrítico y etanol en el rendimiento de oleorresina y cantidad de capsaicinoides en venas de ají panca. Para realizar la extracción, las muestras fueron acondicionadas a una humedad de 10-12 % ± 2 y un tamaño de partícula entre 0,425 y 1 mm de diámetro. En el proceso de extracción se tomaron 10 g ± 0,5 de muestra acondicionada la cual fue sometida a presiones de 150, 275 y 400 bar; temperaturas de 40, 55, 70°C, por 3 horas con un flujo de CO2 de 5 g/min y se realizó una reextracción de la torta con etanol por 5 horas. Finalmente, la muestra fue evaporada al vacío a una temperatura de 40°C y 500 mmHg, resultando la oleorresina de las venas de ají. El trabajo se realizó modificando la presión y temperatura basado en un diseño factorial 32 con 3 repeticiones al centro con un nivel de significancia de 5% (p = 0.05). La extracción por CO2 supercrítico y reextracción con etanol a condiciones de 400 bar y 40°C obtuvo mayor rendimiento de oleorresina 13,337 %. Las condiciones de 150 bar y 70°C reportaron mayor cantidad de capsaicinoides, siendo 8,612 mg NDHC/100 g ms, 271,058 mg CAP/100 g ms y 95,251 mg DHC/100 g ms. Los resultados demuestran que la extracción de capsaicinoides de venas de ají panca por CO2
supercrítico es viable, selectivo y de alta pureza comparado a la extracción convencional.
10 I. INTRODUCCIÓN
Los ajíes son frutos de plantas, que pertenecen al género Capsicum de la familia de las Solanáceas (Herrera, 2013; Nuez, Gil y Costa, 2003 y Silva, 2011). Sólo el género Capsicum es el que contiene capsaicinoides un grupo de alcamidas responsables del picor y que poseen propiedades analgésicas, anti-inflamatorias, antioxidantes y anti cancerígenas, además actúa como un insecticida y antifúngico natural. Todas las especies del género presentan propiedades organolépticas, similares en diferente grado (Li, et al., 2009; Molina y García, 2001 y Sganzerla, Pereira, Marchi y Teixera, 2014).
El Ají panca (Capsicum chinense) es una especie ampliamente difundida a nivel nacional por el sabor, color y pungencia que presenta, cerca del 10 % del peso total de ajíes representan las venas que elimina la industria ( Ministerio de Agricultura y Riego, 2014 y Valderrama y Ugás, 2009), lamentablemente la información existente sobre el contenido de capsaicinoides de las venas de esta especie es limitada, generando la necesidad de identificar y cuantificar estos compuestos ya que ahí es donde se concentra mayoritariamente los capsaicinoides (Barbero, Liazid, Palma y Barroso, 2008; Batchelor y Jones, 2000; Sganzerla et al., 2014 y Silva, 2011;).
El CO2 en condiciones supercríticas facilita y optimiza el proceso de extracción de compuestos termolábiles (Muciño y Pérez, 2009). Esta tecnología ofrece ventajas en relación a las técnicas tradicionales, como es la obtención de extractos libres de solventes tóxicos, selectividad en la extracción de compuestos y con alta concentración, temperaturas moderadas de proceso y tiempos de extracción relativamente cortos, por estos motivos entre las alternativas tecnológicas que se han desarrollado destaca esta técnica. (Jaren, Nienaber y Schwartz, 1999; Beckman, 2004 y Mukhopadhyay, 2000;)
En vista de los niveles de producción de ají panca (Capsicum chinense), la cantidad de venas que genera esta industria como subproductos y principalmente la escasa información acerca del contenido de capsaicinoides de venas de estos frutos y la utilización de nuevas técnicas de extracción que no alteren las características nutraceúticas de esta especie, generaron la necesidad de evaluar el efecto de la presión y temperatura en la extracción por CO2 supercrítico y reextracción con etanol en
11 capsaicinoides de venas de ají panca, el cual se fundamenta en que una sustancia por encima de su punto crítico presenta propiedades intermedias entre las propiedades de esa sustancia en estado gaseoso y en estado líquido, dándole la capacidad de disolver moléculas grandes no volátiles (Skoog, Holler y Crouch, 2008) y la reextracción con etanol permite disolver las porciones solubles que se quedaron retenidas en la matriz.
Se identificó y cuantificó los capsaicinoides por cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC), el cual se fundamenta en que la muestra es distribuida entre dos fases, una estacionaria y otra móvil, de tal forma que cada uno de los componentes de la mezcla es selectivamente retenido por la fase estacionaria (McNair y Esquivel, 1973).
En vista a la importancia del tema se planteó los siguientes objetivos a. Objetivo General:
Evaluar el efecto de la presión y temperatura en la cantidad de oleorresina y capsaicinoides de venas de ají panca extraídos mediante CO2 supercrítico y etanol.
b. Objetivos Específicos:
Determinar el efecto de la presión y temperatura en la extracción por fluidos supercríticos y etanol en el rendimiento de oleorresina en venas de ají panca.
Determinar el efecto de la presión y temperatura en la extracción por fluidos supercríticos y etanol en la cantidad de capsaicinoides en venas de ají panca.
Comparar la extracción con CO2- supercrítico y etanol con el método convencional de maceración
12 II. REVISION BIBLIOGRÁFICA
2.1. CAPSICUM 2.1.1. Origen
El género Capsicum, agrupa un conjunto de entre 20 y 30 especies y tiene su centro de origen en América, probablemente se originó en el alto Perú (zona que incluye la cuenca del lago Titicaca y lo que hoy es Bolivia) y desde donde se habrían diseminado a toda América. (Pozo, 2004).
Se piensa que Capsicum fue una de las primeras especies domesticadas en Sur América, presentándose actualmente como un género cosmopolita (Melgarejo, Rodriguez, Giraldo, Celis, y Arias, 2000). En el Perú, se halló las evidencias más antiguas se hallaron en la cueva Guitarrero, en Áncash, con una antigüedad de 8.000 a. C. (Valderrama y Ugás, 2009).
El origen del Capsicum y su domesticación se dieron en Sudamerica ya que por investigaciones botánicas en ninguna otra parte del Mundo existen evidencias de eso.
En diferentes partes del mundo se le conoce de distintas formas chili, chile, pimienta y en Perú se le conoce como ají. (Pozo, 2004).
Las especies silvestres del género Capsicum se distribuye a través de la cadena montañosa de los Andes Suramericanos y en las costas montañosas y proximidades bajas de las regiones del sur, sudeste y nordeste brasileño. Se distribuyen desde el área amazónica hasta México (Heiser y Smith, 1958 y Leon, 1987)
Después del descubrimiento de América de las diferentes especies Capsicum, han sido llevadas a distintas regiones del mundo y rápidamente han pasado a ser el principal condimento de comidas de muchos países, por lo que su cultivo, se encuentra ampliamente extendido, siendo China, Estados Unidos y México los principales productores en el ámbito mundial (Nuez et al., 2003).
13 2.1.2. Descripción
Los ajíes son frutos de plantas, las cuales pertenecen al género Capsicum de la familia de las Solanáceas. El nombre científico del género deriva del griego “kapso” (picar).
Los ajíes se encuentran entre los vegetales más importantes y cultivos de especias cultivadas en todo el mundo. La fruta se valora sobre todo como fuente de vitaminas y de sabor picante, un rasgo exclusivo de esta planta de cultivo (Herrera, 2013;
Keyhaninejad, Curry, Romero y O’Connell, 2014 y León, 1987).
La familia Solanaceae comprende 450 géneros aproximadamente, los cuales se encuentran divididos entre 2 subfamilias: Solanoideae y Cestroideae. La diferencia entre estas dos subfamilias se basa en diferentes modelos de desarrollo del embrión.
En Solanoideae el embrión está enrollado y es de un diámetro más o menos uniforme.
En las Cestroideae el embrión es típicamente recto o ligeramente curvado. Además, un gran número de diferencias morfológicas, químicas y citogenéticas acompaña esta división básica. Capsicum pertenece a la tribu más grande de la subfamilia Solanoideae, la familia Solaneae (Trujillo, 2011 y Molina y García, 2001). En la tabla 1 se puede observar la clasificación taxonómica del Capsicum.
Tabla 1. Clasificación del género Capsicum
Reino: Plantae
Subreino Tracheobionta División: Magnoliophyta Clase: Magnoliopsida Subclase: Asteridae
Orden XXI:
Solanales (Personatae) Familia: Solanaceae
Género: Capsicum
Fuente: Nuez et al. (2003)
14 Sólo un género de esta familia contiene alcamidas, el género Capsicum que incluye a todos los ajíes que cuenta con cerca de 30 especies. De las especies de este género cinco se explotan a nivel comercial (Capsicum chinense, Capsicum annuum L., Capsicum pubesecens, Capsicum frutescens y Capsicum baccatum L.) en lo que conocemos como variedades del chile originarias del continente americano (Bolivia, Perú, sur de México y Colombia); todas las especies del género presentan propiedades organolépticas, similares en diferente grado, y están contenidas exclusivamente en sus frutos. (Molina y García, 2001).
El Perú alberga gran número y variedad de especies tanto silvestres como cultivadas es considerado como centro de origen secundario, ya que cuenta con todos los recursos apropiados para su fertilidad y producción siendo el Capsicum chinense uno de los más cultivados en el país. Se observa una amplia gama de variabilidad en la morfología de la fruta, sabor picante y la duración de los cultivos en estas variedades locales (Aminul et al., 2015). Los chiles deberán estar suficientemente desarrollados y presentar un grado de madurez adecuado con los criterios peculiares de la variedad y la zona en que se producen (León, 1987).
2.1.3. Características generales
El fruto de las especies es una baya hueca, semicartilaginosa, de tamaño y color variable blanco, verde, café y hasta negro; en maduro predominan los frutos de color rojo. Las frutas son de formas redondas, acorazonadas, aguzadas, cilíndricas, cónicas, rectangulares y hasta cuadradas; las semillas son planas y de color crema a pardo, de forma aplanada, lisa y redondeada, y mide entre 2,5 a 3,5 mm de diámetro, se encuentran unidas a la placenta (González, 2004).
En general, los pimientos son biloculares, triloculares o tetraloculares (como en la figura 1). En la placenta de los ajíes es donde se sintetiza los capsaicinoides compuesto responsables del picor y pungencia de este género(Berríos, 2007).
15 Figura 1. Parte interna del Capsicum
Fuente. Valderrama y Ugás (2009)
2.1.4. Producción mundial y en el Perú
La producción mundial ha manifestado incrementos anuales representativos tanto en volumen como en ingresos de los países productores exportadores, alcanza 22 millones de toneladas en un área aproximada de 1,5 millones de hectáreas, incluye frutos picantes y no picantes. El aumento se debe a la demanda creciente de este producto (Gómez, Vargas y Sanabria, 2013).
Entre los países productores de ají, la India presenta una mayor producción en el mundo. En el año 2013 el Perú alcanzo una producción total de 164.000 toneladas como se observa en el Tabla 2 (Food and Agriculture Organization - FAO, 2013).
Comité del Codex Alimentarium (2008) indica que desde 1993 la producción mundial de chiles ha tenido un crecimiento del 48% de la superficie y duplicado los volúmenes de producción; este aumento en la producción se debe a la creciente demanda del producto en sus diferentes presentaciones (fresco, seco y procesado).
16 Tabla 2. Países productores de ají
País Área (ha) Rendimiento
(Ton/Ha)
Producción (Ton)
Argelia 4100 3,536 14500
Argentina 2561 1,199 3072
Bulgaria 318 4,519 1437
Egipto 18395 3,645 67041
India 702000 1,737 404145
Nigeria 35000 1,243 28149
Perú 15899 10,315 164000
Rumania 51649 0,924 47725
España 2500 1,600 4000
Túnez 7599 2,577 19579
Turquía 6500 2,468 16039
Serbia 1692 2,399 4059
China 44000 6,818 300000
Otros países 112869 6,811 768791
Fuente. FAO (2013)
Los mercados de China e India en conjunto representaron el 65% de las exportaciones en 2007, en el año 2012, su participación aumentó a 71,5%, le siguen España, Japón, Reino Unido, Holanda, Canadá, como se observa en la tabla 3 (FAO, 2013).
Tabla 3. Exportación de Capsicum deshidratado, seco, triturado o en polvo (miles USD)
Países
Exportadores 2008 2009 2010 2011 2012
Precio 2012 USD/ton Mundo 954792 931140 978895 1325648 921038
India 237978 250397 347902 496069 532704 1490 China 242793 212983 191371 282628 126264 3030 España 136199 102837 96915 131455 115109 3099
Perú 84060 105050 90422 116441 30697 2184
Alemania 26225 22232 28149 38882 12667 5565
Estados
Unidos 8661 10259 12025 15338 12355 3273
República de
Corea 9345 9473 10934 11541 12151 5449
Hungría 12500 10288 10806 11275 8656 4466
Chile 16362 11496 10452 9689 7737 4538
Fuente. United Nations Comtrade (2013)
17 Estados Unidos, Alemania y España son los países con una mayor participación en las importaciones, representan el 43% del volumen y el 36% del valor de las importaciones mundiales, le siguen Japón, Reino Unido, Holanda, Canadá y Francia como se observa en la tabla 4 (United Nations Comtrade, 2013).
Llama la atención que las importaciones sufre una brusca caída entre 2011 y 2012 de los principales países importadores, debido a la disminución de la producción de proveedores tradicionales. Los precios de venta de los chiles dependen en gran medida del tipo, la calidad y la época en la que se tiene disponibilidad. (Comité del Codex Alimentarium, 2008 y United Nations Comtrade, 2013).
Tabla 4. Importación de Capsicum deshidratado, seco, triturado o en polvo (miles USD)
Países
Exportadores 2008 2009 2010 2011 2012
Precio 2012 USD/ton Mundo 1005081 955409 1065525 1341410 424249
Estados Unidos 216511 202123 223521 278490 134085 1946
Japón 47709 46154 50107 60222 40134 4736
Alemania 68706 63158 65435 78537 27170 3061
Reino Unido 24838 23071 27379 35686 25399 3556
Canadá 18529 19748 20644 23048 20692 3611
Federación de
Rusia 10309 11445 14452 15234 12195 2276
Francia 16673 15137 14676 19726 11876 3565
Países Bajos
(Holanda) 18750 22636 21122 26829 11042 1903
España 68908 67890 63421 95235 10003 1631
Chile 713 818 614 2069 725 920
Otros 320437 313458 365484 443417 130928
Fuente. United Nations Comtrade (2013)
Viniegra, Sierra y Jauregui (2000) señalan que los residuos sólidos que generan la industrialización de ajíes, generan entre 50 % y 60 % de residuos sólidos entre venas, semillas, pedúnculo, que pueden ser utilizados con otros fines: alimentación animal, fertilizante, obtención de productos comercializables.
18 2.1.5. Ají panca (Capsicum chinense)
La planta de ají panca (figura 1) presenta una altura de 45 a 80 cm, el tallo es erguido, ramoso y liso, con hojas ovado-lanceoladas de 10,5 cm de longitud, de color verde obscuro, presenta de 3 a 5 flores por nudo, los pedúnculos son corvados, cáliz no dentado, corola amarillo verdoso de 0,5 a 1 cm de longitud, el fruto, es indehiscente erguido, incompletamente trilocular, de forma cónica, presenta un largo cerca de 9 cm de largo y 2 cm de ancho, cambian de color verde claro a un marrón obscuro, contiene numerosas semillas reniformes y pequeñas, unidas al tejido placentario (figura 3) que se encuentra unido a la pared del fruto (Trujillo, 2011).
Figura 2. Planta de ají panca Fuente. Trujillo (2011)
Figura 3. Fruto, venas y semillas de ají panca Fuente. Propio
En Perú las regiones que producen principalmente esta especie son Ancash, Lima e Ica (Valderrama y Ugás, 2009).
19 El contenido nutricional para 100 g de ají panca se muestra en la tabla 5, en la cual se observa que el contenido de capsaicinoides es entre 150 a 335 mg generando un grado de picor entre 1000 y 2500 unidades Scoville (SHU) (Ministerio de Salud - MINSA, 2009)
Tabla 5. Composición y valor nutricional de Ají panca (100 g)
Fuente: MINSA, (2009)
Balseca y Rivadeneira (2013) indican que en la especie Capsicum chinense presenta mayor concentración de capsaicina a comparación con otras especies estudiadas. El contenido promedio de capsaicina fue de 11,34 g/kg de fruto seco. En contraste, la especie Capsicum pubescens con un contenido de 0,60 g/kg de fruto seco es la especie con menor concentración de capsaicina.
2.2. OLEORRESINA
Las oleorresinas son extractos de naturaleza oleosa, obtenidos de diferentes plantas que proporcionan a los productos color, sabor y percepción picante. La oleorresina de Capsicum es un aceite viscoso de color intenso, con aroma típico al chile, contiene una mezcla compleja de aceites esenciales, ceras, materiales coloreados, ácidos de resinas,
Característica Cantidad
Energía (Kcal) 292
Agua (g) 20.2
Cenizas (g) 6.5
Proteínas(g) 7.0
Grasas(g) 7.8
Carbohidratos(g) 58.5
Fibra (g) 22.4
Calcio (mg) 142
Fosforo (mg) 209
Zinc (mg) 1,02
Hierro (mg) 4,90
Caroteno (mg) 0.03 – 25.2
Riboflavina (mg) 1.79
Niacina (mg) 3.55
Tiamina (mg) 0.13
A. ascórbico (mg) 23
Capsaicina (mg) 150 - 335
20 ésteres, proteínas, aminoácidos, terpenos, con una alta concentración de capsaicinoides; altamente empleado en la industria para aportar pungencia controlada a los alimentos procesados, productos farmacéuticos y aplicaciones de defensa personal. Se obtiene de los extractos del fruto fresco, maduro o seco de Capsicum.
(Restrepo, 2006).
Restrepo (2006) y Martínez (2007) indican que la oleorresina presenta múltiples ventajas de manejo, dosificación, estandarización, almacenamiento y control microbiológico en comparación al producto en polvo, presenta una tasa de reemplazo de hasta 100 kilogramos del producto en polvo, por un kilogramo de oleorresina, los biocomponentes activos son uniformes, libre de residuos de solvente y de pesticidas, no presentan contaminación microbiana, presentando mayor vida en anaquel, principalmente están compuestas por diferentes compuestos con propiedades pungentes llamados capsaicinoides (capsaicina, dihidrocapsaicina) y pigmentantes llamadas carotenoides y antioxidantes de origen natural.
El precio de venta de la oleorresina de Capsicum, está directamente relacionado con el nivel de pungencia o unidades scoville (SHU), o lo que es equivalente a las partes por millón de capsaicinoides presentes en el aceite. En la tabla 6 se presenta los precios de venta de algunas oleorresinas de Capsicum, asociados al nivel de pungencia (Martínez, 2007 y Peralta, 2007).
Tabla 6. Precios de oleorresinas de Capsicum
Fuente: Martínez (2007)
2.3. CAPSAICINOIDES
La sensación de ardor y pungencia que se siente después de consumir los frutos de Capsicum es debido a la presencia de un grupo de alcaminas lipofílicas llamados
Proveedor SHU Precio
(US$/Kg) Surajbala exports pvt. Ltd menos de 3 000 174,50 Liberty Natural Products, Inc 250 000 360,00
Ashley Food company, Inc 1 000 000 1660,00
KALSEC 10 000 - 1 500 000 390-3500
The eye of Newt 1 350 000 2993,30
21 capsaicinoides (Boonkir, Phisalaphong, y Phisalaphong, 2008; Trujillo, 2011 y Vargas et al., 2010) mediante la activación de las neuronas sensoriales que alertan al sistema nervioso central de los estímulos nocivos (Ornelas et al., 2010).
Mayor sea la concentración de estos compuestos superior es la sensación de ardor. Las diferentes especies de Capsicum pueden variar, entre otras características en grado de picor, lo que se relaciona con su capacidad de acumular capsaicinoides. La pungencia en Capsicum es a la vez un rasgo cualitativo y un carácter cuantitativo. (Aguiara et al., 2013; Aminul et al., 2015; Herrera, 2013; Sein, Gardinali, Mandrile, y Cafferata, 1998 y Trujillo, 2011).
La concentración de capsaicinoides que se acumulan se hereda cuantitativamente, pero el medio ambiente, el clima, la luz, el suelo, la humedad, la fertilización, la temperatura y la edad de la fruta durante el crecimiento de las plantas, tienen un impacto en los niveles de capsaicinoides. (Keyhaninejad et al., 2014; Topuz, Dincer, Özdemir, Feng y Kushad, 2011 y Topuz y Ozdemir, 2007).
Varios estudios han demostrado que el contenido de capsaicinoides es mayor en su etapa madura que en pimientos verdes, ya que los capsaicinoides se empiezan a acumular a partir de los 8 o 10 días después de la antesis, aumenta a medida que transcurre la maduración de los frutos para llegar a un máximo cuando estos se tornan completamente maduros, aunque disminuyen durante la senescencia ( Chinn, Sharma y Cotter, 2011; Cisneros, et al., 2007; Gómez et al., 2013 y Reilly, Crouch y Yost, 2001).
Los capsaicinoides son sintetizados en el tejido placentario y se almacenan en vesículas en la superficie de este tejido, Debido a su localización los capsaicinoides tienen un papel en la protección química de las semillas. (Aminul et al., 2015; Chinn et al., 2011; Herrera, 2013; Keyhaninejad et al., 2014 y Trujillo, 2011;). Se han encontrado capsaicinoides en cantidades más pequeñas en pericarpio e incluso en los órganos vegetativos de la planta como las hojas y el tallo (Barbero et al., 2014).
22 Existen más de 20 diferentes capsaicinoides cuya estructura química se muestra en la figura 4, consiste en un anillo aromático unido mediante un enlace amida a un ácido graso de 9 a 11 átomos de carbono (Fattorusso y Taglialatela, 2007).
Figura 4. Estructura química de los capsaicinoides Fuente: Fattorusso y Taglialatela (2007) y Sein et al., 1998.
La capsaicina ((E)-n-(4-hidroxi-3-metoxibencil)-8-metil-6-noneamida) y la dihidrocapsaicina 6,7-dihidro (análogo de la capsaicina) representan de 60 a 98% del contenido total de capsaicinoides en los capsicum, entre otros capsaicionoides menores se encuentran la nordihidrocapsaicina, la homocapsaicina y la homodihidrocapsaicina.
Las diferencias en la concentración de capsaicinoides, tales como capsaicina y dihidrocapsaicina, se han reportado para diferentes cultivares de pimiento (Alvarado y Peña, 2010; Barbero, et al. 2008; Cisneros, et. al., 2007; Li, et. al., 2009 y Sganzerla et al. 2014;). En la tabla 7 se aprecia los capsaicinoides más importantes.
Tabla 7. Principales capsaicinoides encontrados en Capsicum
NOMBRE CANTIDAD
RELATIVA ESTRUCTURA
PESO MOLECULAR
(g/mol) Capsaicina
(CAP) 69% 305,2
Dihidrocapsaicina
(DHC) 22% 307,2
Nordihidrocapsaicina
(NDHC) 7% 293,2
Homodihidrocapsaicina
(HDHC) 1% 321,2
Homocapsaicina
(HC) 1% 319,2
Fuente: Garces, Arnedo, Abadia, Gil y Alvarez (2006) y Molina (2009)
23 2.3.1. Síntesis de los Capsaicinoides
Los capsaicinoides son sintetizados en la placenta de frutas por condensación de vanillilamina con restos de ácidos grasos de longitud de 9 u 11 carbonos de largo con un número variable de enlaces dobles en diferentes posiciones. La vanillilamina se deriva del aminoácido fenilalanina presumiblemente a través de la vía de fenilpropanoides, se derivan del catabolismo de los aminoácidos, valina y leucina, y su posterior elongación. No es claro si las diferencias en los capsaicinoides se deben a modificaciones que sufre la cadena de ácido graso antes o después de su unión con la vainillilamina (Aminul et al., 2015; Herrera, 2013; Keyhaninejad et al., 2014; Ornelas, et. al., 2010; Thompson, Pennino,Brenner y Mehta, 2006 y Topuz et al., 2011).
En la figura 5 se observa la ruta propuesta para la biosíntesis de los capsaicinodes en el género Capsicum en la cual las abreviaciones corresponden a: PAL, fenilalanina amonio liasa; Ca4H, ácido cinámico 4 hidroxilasa; Ca3H cumarato 3 hidroxilasa;
COMT, ácido cafeico O-metiltransferasa; pAMT, presunta aminotransferasa de la vainillina; BCAT, aminotransferasa de los aminoácidos ramificados, IvDH:
isovalerato deshidrogenasa; Kas β-cetoacil sintasa; ACL, proteína acarreadora de grupos acilo; FAT, tioesterasa; DST, desaturasa; C capsaicinoide sintasa. La flecha punteada representa la reacción por caracterizar (Alvarado y Peña, 2010 y Vázquez et.
al., 2007).
La síntesis de capsaicinoides se puede resumir en tres pasos: formación de la vainillilamina (porción fenólica de los capsaicinoides), formación de la cadena lateral ácido graso y formación de los capsaicinoides por la capsaicinoide sintasa (Aguiara et al., 2013 y Keyhaninejad et al., 2014).
24 Figura 5. Síntesis de los capsaicinoides en ají
Fuente: Herrera (2013) y Keyhaninejad et al. (2014).
Fenilalanina
PAL
Ácido cinámico
Valina
α-Ceto-isovalerato Ca4H
Ácido ferúlico Ácido ρ-cumárico
Ca3H
Ácido cafeico
COMT
Vainillina
Vainillilamina
pAMT
BCAT
IvDH
Ácido ferúlico
Síntesis de ácidos grasos KAS
AC 3 x Malonil CoA
FAT
8- Metilnonanoil CoA
8- Metil-6-nonanoil CoA
C
Capsaicina Dihidrocapsaicina
25 2.3.2. Estabilidad de los capsaicinoides
Barbero et al. (2014); Borges, et al. (2010) y Goodwin y Hertwig (2003) señalan que los capsaicinoides comienzan a acumularse en las primeras etapas del desarrollo del fruto, continuando su acumulación durante la maduración hasta alcanzar un máximo, que aproximadamente se presenta a los 126 días de desarrollo. En este momento hay un cambio rápido en la tendencia, con una degradación de los capsaicinoides superior al 60% a los 140 días de desarrollo.
Schweiggert, Carle y Schieber (2006b) señala que la peroxidasa oxida tanto la capsaicina y dihidrocapsaicina. Un aumento de la actividad de la peroxidasa significa una disminución en el contenido de capsaicinoides en ajíes.
Giuffrida, et al. (2014) señalan que estudios anteriores sobre la estabilidad de capsaicinoides reportan una disminución progresiva de la capsaicina y dihidrocapsaicina después de la ruptura celular. Este fenómeno se ha encontrado que pueden estar posiblemente ligada a la conversión oxidativa, ocasionado por la peroxidasa y lipoxigenasa.
También la degradación no enzimática se encontró que era responsable de la pérdida de capsaicinoides durante el almacenamiento. En la figura 6 se observa que las peroxidasas catalizan la oxidación de capsaicinoides y pueden desempeñar un papel central en su metabolismo (Goodwin y Hertwig, 2003 y Topuz et al., 2011).
26 Figura 6. Acción de la peroxidasa en capsaicinoides
Fuente: Topuz et al. (2011)
2.3.3. Características y propiedades de los capsaicinoides
Giuffrida et. al. (2014) indica que los capsaicinoides son capaces de interactuar con los receptores vaniloides que ocurren en la lengua. La pungencia es la característica propia de los ajíes que al ser consumido les confiere la sensación de ardor y quemazón, sensación producida por la activación del canal no selectivo VR1 sobre las terminaciones nerviosas (Gómez et al., 2013 y Zewdie y Bosland, 2000). Estos compuestos también tienen muchas otras propiedades y efectos biológicos.
Los capsaicinoides presentan un alto poder antioxidante, debido principalmente a la fracción fenólica en la molécula, y que el principal producto de la oxidación de la
Capsaicina
Dihidrocapsaicina Nonivamida
Peroxidasa/H2O2
Ácido ascórbico
5,5’-Dicapsaicinoide 4’-O-5- Ether Dicapsaicinoide
Productos de polimerización de adición
27 capsaicina es su dímero-dicapsaicin, que tienen efecto beneficioso en la prevención de varias enfermedades mediadas por el estrés oxidativo (Chinn et al., 2011; Luo, Peng y Li, 2011; Pershing, Reilly, Corlett y Crouch, 2004 y Zewdie y Bosland, 2000).
Además, son compuestos con propiedades antimutagénicas y antitumorales notables, ya que presentan actividad antiproliferativa de la capsaicina atribuyéndole la capacidad para inducir apoptosis (muerte celular) mediante la inhibición de la respiración mitocondrial (Gómez et al., 2013; Ornelas et al., 2010 y Topuz et al., 2011).
Son utilizados como analgésicos tópicos, ya que la aplicación tópica de capsaicinoides puede aliviar las sensaciones de dolor mediante la activación selectiva de las neuronas sensoriales que transmiten información acerca de estímulos nocivos en el sistema nervioso central. (Luo et al., 2011 y Meghvansi, et al., 2010).
Los capsaicinoides se asocian con el aumento significativo del gasto energético, en la oxidación y disminución de grasas, convirtiéndoles en reguladores del metabolismo energético de grasas (Perucka y Oleszek, 2000). Además, actúan en la regulación de la temperatura corporal, debido a que estimula los sistemas que regulan la pérdida de calor y la producción de calor simultánea e independientemente (Almeida et al., 2014 y Sganzerla et al., 2014).
Además, tienen propiedades antimicrobianas e insecticida, altas concentraciones de capsaicinoides retarda el crecimiento de hongos y bacterias (Sganzerla et al., 2014).
Sirven como un compuesto de defensa química para repeler diversos insectos que pueden dañar cultivos (Barbero et al., 2008; Barbero et al., 2014 y Bosland y Bosland, 2001).
Teniendo en cuenta los beneficios de capsaicinoides, existe un gran interés en el desarrollo de nuevas tecnologías para obtener extractos concentrados en tales compuestos (Bajer, Bajerova, Kremr, Eisner y Ventura, 2015; Dong et al., 2014;
Santos, Aguiar, Barbero, Rezende y Martinez, 2015; Ramírez, Villaseñor y Bautista, 2010 y Trujillo, 2011;).
28 2.3.4. Capsaicina
La capsaicina (C18H27O3N) 8-metil-n-vainillil- 6-nonenamida, un alcaloide amidado, es el compuesto más picante del grupo de los capsaicinoides y en estado puro, es un compuesto cristalino, ceroso, hidrofóbico inodoro e incoloro. Es poco soluble en agua, fácilmente soluble en álcalis, éter etílico, etanol, acetona, metanol, tetracloruro de carbono, benceno y álcalis calientes, pero insoluble en agua fría (Aminul et al., 2015;
Bajer et al., 2015; García y Ortega, 1995 y Tapia, Escamilla y Bonilla, 2008).
La capsaicina presenta un peso molecular de 305,199 g/g mol, con un punto de fusión de 64.5 º C y un punto de ebullición de 210 –220 º C. A una presión de 0.01 mm Hg, se sublima a 115 º C, por la presencia de un anillo bencénico los capsaicinoides pueden adsorber la luz en la región UV a 280 nm (Aguiara et al., 2013; Alvarado y Peña, 2010 y Elizalde, 2008).
La pungencia de la capsaicina es regulada por muchos factores entre ellos su conformación estructural. La capsaicina posee tres características estructurales: el grupo vanilil 4 – hidroxi – 3 metoxibenzil, la longitud óptima de la cadena lineal alquenil, un enlace ácido – amido, como se puede apreciar en la figura 7. (Aminul et al., 2015; Fujikawe, Susuki y Iwai,1982; Muciño y Pérez, 2009 y Sganzerla et al., 2014).
Figura 7. Estructura química de la capsaicina.
Fuente: Meghvansi, et al. (2010)
2.3.5. Unidades Scoville
La escala de unidades Scoville (SHU) es un sistema de medición del picor o pungencia de los ajíes. Su objetivo es determinar la máxima dilución del extracto de chile en la que aun fuera detectable el picor, en una solución de azúcar y agua, (Bosland, 1993;
Chinn et al., 2011; Peralta, 2007 y Schweiggert, Carle y Schieber, 2006a)
29 El nivel de pungencia de cada tipo de capsaicinoides es diferente, la capsaicina tiene una pungencia de 16 x 106 SHU lo que significa que la pungencia de los capsaicinoides todavía pueden ser percibida en la dilución de 1 a 16 x 106 (1 mg en 16 litros de agua) la dihidrocapsaicina es 15x 106 SHU; la nordihidrocapsaicina 9,1x 106 SHU, la homodihidrocapsaicina y la homocapsaicina es 8,6 x 106 SHU. Este nivel de pungencia varia de acuerdo a la variedad como se observa en la tabla 8, por el ambiente, prácticas de cultivo y manejo postcosecha (Bosland, 1993 y Martínez, 2007).
La cuantificación por el método de Scoville se basa directamente en la percepción sensorial de la pungencia (Betts, 1999). Actualmente, el análisis de capsaicinoides está enfocado al uso de espectrofotometría, cromatografía de gases (CG) y cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), que proporcionan al análisis exacto y eficiente del contenido y del tipo de capsaicinoides presentes. (Martínez, 2007).
Tabla 8: Tabla de grados Scoville de Capsicum
Fuente. Maruthavanan, (2006) y Peralta, 2007 SCOVILLE HEAT UNITS TYPES OF PEPPERS
16000000 Capsaicina pura
2000000- 5300000 Spray de pimienta
1000000 Naga Jolokia
577000 Pimienta roja Savina
200000-350000 Habanero
100000-250000 Chiltepin
30000-50000 Cayena
15000-30000 Chile de Árbol
12000-30000 Rocoto
8000-23000 Chile serrano
3500-8000 Jalapeño
2500-4000 Guajillo
1500-2500 Chile chilaca
1000-2500 Ají panca
1000-2000 Chile poblano
500-2000 Chile Anaheim
500-1500 Chile verde
500-750 Chile rojo
0 Pimientos
30 2.4. PROCESO DE EXTRACCIÓN POR FLUIDOS SUPERCRÍTICO
Actualmente, las técnicas existentes para la extracción de capsaicinoides y colorantes del Capsicum en la industria, requieren del uso de solventes orgánicos que pueden afectar la calidad sanitaria del producto y contribuyen al impacto ambiental. La alternativa a los procesos actuales es el empleo de fluidos supercríticos para facilitar y optimizar el proceso de extración (Muciño y Pérez, 2009).
La extracción supercrítica es una operación unitaria de transferencia de masa que se efectua por encima del punto critico del solvente. Un fluido supercrítico se forma siempre que una sustancia se calienta por arriba de su temperatura crítica la temperatura crítica de una sustancia es aquella por encima de la cual no puede existir en fase líquida independientemente de la presión, la presión de vapor de una sustancia a su temperatura crítica es su presión crítica (Skoog et al., 2008).
Los cambios de presion y temperatura permiten controlar y manejar propiedades como la difusividad, viscosidad, densidad que permite mayor selectividad de biocomponentes y dado que la densidad está relacionada con la solubilidad (Silva, Rocha y Duarte, 2016).
Monzó, Orti, Gomez, Pascual, Tuñon (2009) y Woods (2007) señalan que las propiedades de los fluidos supercríticos son intermedias entre las propiedades de esa sustancia en estado gaseoso y en estado líquido, debido a que la energía cinética de las moléculas es lo suficientemente alta como para vencer las interacciones atractivas que puedan aparecer entre ellas y el gas nunca condensa.
Ravishankar (1997) y Woods (2007) señalan que la temperatura crítica es propia de cada gas y mayor cuanto más fuertes sean las interacciones atractivas en el punto de coexistencia entre el líquido y el vapor, el punto crítico viene caracterizado por el valor de las constantes críticas: temperatura, presión y volumen molar críticos (Tc, Pc, Vmc), matemáticamente, el punto crítico es un punto de inflexión en las isotermas PV, por lo que se define por las siguientes condiciones:
( dP
dVm)
T = 0 …….…. (a) (d2P
dVm2)
T
= 0 …….…. (b)
31 Así, para un gas que sigue la ecuación de van der Waals, las derivadas de la presión respecto al volumen molar, a temperatura constante son:
( dP
dVm)
T = − RT
(Vm−b)2+ 2a
Vm3 …… (c) (d2P
dVm2)
T
= 2RT
(Vm−b)3− 6a
Vm4 .…(d) Aplicando las condiciones de punto crítico (ecuación a y b) a las ecuaciones c y d, nos queda
RT
(Vm−b)2 = 2a
Vm3 …….. (1) 2RT
(Vm−b)3 = 6a
Vm4 ……(2) Ecuación de estado en esas condiciones:
PC = RTC
VmC−b− a
VmC2
Si aplicamos estas condiciones a la ecuación de estado del gas podemos obtener las coordenadas del punto crítico. (Pc; Tc; Vmc)
Vmc = 3b TC = 8a
27Rb PC = a
27b2
Debido a sus propiedades de transporte de baja viscosidad y relativamente alta difusividad, los fluidos supercríticos pueden difundirse fácilmente a través de materiales sólidos y por lo tanto puede dar tasas de extracción más eficientes, haciendolo un disolvente atractivo para los procesos de extracción (Silva et al., 2016).
En la tabla 9, se compara algunas propiedades de los fluidos supercríticos con la de los gases y líquidos en el cual se aprecia que los fluidos supercriticos presentan una densidad ligeramente inferior a la de los líquidos, la viscosidad dinámica es similar a la de estado gaseoso normal, la difusividad en las proximidades de su punto crítico y una alta penetrabilidad a través de solidos porosos y lecho empaquetado por la baja tensión superficial que presenta, es diez veces mayor que la de un líquido(Fukushima, 1999 y Ravishankar, 1997).
32 Tabla 9. Propiedades fisica de gases, fluidos supercríticos y líquidos.
Propiedad Gas
(T y P estandares)
Fluido
supercritico Liquido
Densidad (g/mL) (0,6-2) x 10-3 0,2 – 0,5 0,6-2
Difusividad (cm2/s) (1 – 4) x 10-1 10-3 -10-4 (0,2 – 2) x 10-5 Viscosidad (g/(cm x s)) (1 – 3) x 10-4 (1 – 3) x10-4 (0,2 – 3) x 10-2 Viscosidad dinamica
(cm2/s)
0,167 – 1,5 (5-6) x 10-4 (0,33 – 1,88) x 10-2
Fuente: Ravishankar (1997) y Skoog et al.(2008)
Nagy y Simandi (2008) indican que en el diagrama de equilibrio de fases (figura 8) se observa que los tres estados de la materia están separados por líneas que representan los equilibrios sólido-líquido o de fusión, sólido-gas o de sublimación y líquido-gas o de vaporización; el punto triple, es donde coexisten los tres estados. El cambio de estado se asocia a un cambio brusco de densidad para que se produzca requiere un aporte de energia denominado entalpia de cambio de estado.
Se observa que el límite de la fase gas-líquido desapareció cuando se supera una temperatura específica. Esta temperatura se denomina como la temperatura crítica del compuesto y la presión de vapor correspondiente se denomina como la presión crítica.
Por encima del punto critico , no se produce licuefaccion al presurizar, ni gasificacion al calentar; y por ende un fluido supercritico es aquel que se encuentra por encima de este punto. (Nagy y Simandi, 2008 y Ravishankar ,1997).
El gas y el líquido son indistinguibles, por encima de éste los fluidos presentan características de ambas fases, propiedades similares a las de los gases como su gran difusividad (capacidad de difundir a través de un medio) y otras que los asemejan más a los líquidos como su alta densidad (Ravishankar ,1997).
Este estado intermedio le confiere propiedades de transporte, difusión y poder de solvatación (selectividad) interesantes para la extracción de diversos componentes de matrices sólidas o líquidas con un alto grado de selectividad y especialmente condiciones de operación moderadas que lo hacen ideal para extraer diferentes biocomponentes (Mukhopadhhyay, 2000 y Silva et al., 2016).
33
Figura 8. Diagrama de equilibrio de fases
Fuente: Conde y Guerrero (2009); Gopi, Kumar y Ramaswamy (1997) y Mukhopadhyay (2000)
En el punto crítico no existe interface gas líquido, la compresibilidad isotérmica se hace infinita positiva, el coeficiente de expansión térmica es infinito y positivo, la entalpia de vaporización es cero, si la densidad critica se mantiene constante la capacidad calorífica a volumen constante tiende al infinito (Mukhopadhyay, 2000).
Las moléculas del solvente supercrítico disuelven suavemente las moléculas de soluto y tienen poca influencia en las actividades de los solutos y catalizadores. Esta propiedad se atribuiría a las fluctuaciones de densidad locales alrededor de cada molécula debido a la alta movilidad molecular, la solubilidad y otros parámetros importantes como disolvente pueden ajustarse continuamente. Con todas estas propiedades, un fluido supercrítico se convierte en un disolvente atractivo para penetrar en la matriz de la muestra y llevarse los componentes solubles (Fukushima, 1999 y Silva et al., 2016).
La extraccion por fluido supercrítico es una alternativa a los métodos tradicionales para la extracción y fraccionamiento de compuestos bioactivos, hay varios compuestos que pueden ser utilizados como fluidos supercríticos tal como se observa en la tabla 10, aunque el dióxido de carbono es el disolvente más utilizado debido a que es inocuo
Región de fluido supercrítico
Temperatura crítica Presión
crítica
Región de líquido Región de
sólido
Región de gas Punto crítico
Temperatura
Presión
34 para la salud humana y para el medio ambiente, su temperatura y presión crítica son moderadas con valores de 31,2 °C y 73,866 bar que permite la preservación de compuestos bioactivos en extractos, con alto valor de solubilidad, bajo costo, no es inflamable, es inerte, y presenta una buena capacidad de extracción ya que los analitos disueltos en este fluido supercrítico se recuperan con facilidad dejando que las soluciones se equilibren con la atmósfera a temperaturas relativamente bajas, propiedad importante en el caso de los analitos termolábiles (Bimakr et. al, 2008;
Santos et al., 2015; Silva et al., 2016 y Skoog et. al, 2008).
Tabla 10. Propiedades de algunos fluidos supercríticos.
Solvente
Peso molecular
(g/mol)
Pc (bar) Tc (ºC) ρ (g. cm-3)
Solubilidad σ FSC
(cal -1/2 cm-3/2) Dioxido de
carbono 44,01 73,866 31,2 0,468 7,500
Etano 30,07 48,839 32,4 0,203 5,800
Etileno 28,05 51,169 10,1 0,200 5,800
Propano 44,09 42,510 96,7 0,220 -
Propileno 42,08 46,2 91,9 0,230 -
Benzeno 78,11 48,9 289,0 0,302 -
Metanol 32,04 80,047 -34,4 0,272 8,900
Oxido
nitroso 44,01 72,650 36,7 0,460 7,200
n-buteno 56,11 36,477 -139,9 0,221 5,200
n-pentano 70,13 33,741 -76,5 0,237 5,100
Hexafloruro
de azufre 146,06 38,200 45,8 0,730 5,500
Agua 18,02 220,483 101,1 0,322 13,500
Fuente: Nagy y Simandi (2008); Skoog et al., (2008) y Silva et al.(2016);
Otros fluidos tambien pueden utilizarse, especialmente el oxido nitroso ya que presenta propiedades criticas similares a la del CO2, pero con la desventaja de ser inflamable y toxico. (Skoog et al., 2008). El agua supercrítica muestra una alta solubilidad en materia orgánica y una fuerte capacidad de hidrolización. El agua supercrítica es útil en el tratamiento de residuos (Fukushima, 1999).
El dióxido de carbono supercrítico es adecuado para la extracción de compuestos lipofílicos de baja polaridad, como ésteres, éteres y lactonas por debajo de 70-100
