I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TESIS
OPTIMIZACIÓN DE LA EXTRACCIÓN CON FLUIDOS SUPERCRÍTICOS DE SAPONINAS TRITERPENOIDES DEL ESCARIFICADO DE QUINUA (CHENOPODIUM QUINOA WILLD)
PRESENTADO POR:
ANDRÉS ALBERTO CHAGUA VENTURA
PARA OPTAR AL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN TECNOLOGÍA Y GESTIÓN DE LA CALIDAD DE ALIMENTOS
HUANCAYO – PERÚ
2022
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
UNIDAD DE POSGRADO
FACULTAD DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
ACTA DE SUSTENTACION VIRTUAL DE TESIS
DEL BACHILLER: ANDRES ALBERTO CHAGUA VENTURA
UNIDAD DE POSGRADO DE FACULTAD DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN TECNOLOGÍA Y GESTIÓN DE LA CALIDAD DE ALIMENTOS:
En el Microsoft Teams, Canal de sustentaciones virtuales de la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias de la Universidad Nacional del Centro del Perú, a los cuatro días del mes de noviembre del año dos mil veintidós con la presencia del Jurado Examinador; conformado por los siguientes catedráticos:
Presidente : Dr. Ángel Héctor Zárate Malpica Secretaria : M.Sc. Greta Hinostroza Quiñonez
Vocales : Dra. Clara Raquel Espinoza Silva (Titular) Dr. Edgar Rafael Acosta López (Titular) Dr. Miguel Angel Quispe Solano (Titular)
MSc. Maria Libia Gutierrez Gonzales (Accesitario)
El presidente, del Jurado Examinador, de la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarías, siendo la 11:00 horas ordenó dar inicio al acto de sustentación de Tesis ante el jurado nombrado por resolución Nº 015-2022-UPG-FAIIA-UNCP.
El Bachiller procedió a la exposición de su Tesis Titulada:
“OPTIMIZACIÓN DE LA EXTRACCION CON FLUIDOS SUPERCRITICOS DE SAPONINAS TRITERPENOIDES DEL ESCARIFICADO DE QUINUA (Chenopodium quinoa Willd)””. Asesorado por la docente Dra. Clara Raquel Espinoza Silva.
Los señores miembros del jurado procedieron a realizar las preguntas y objeciones del caso, luego el señor presidente dispuso que los miembros del jurado pasen a la sala de deliberación que se encuentra en el canal de sustentaciones virtuales de la UPG FAIIA para deliberar; luego se pasó a la votación secreta con el siguiente resultado:
APROBADO CON MENCIÓN DE BUENO
El Jurado acordó regresar al canal de sustentaciones virtuales para emitir el resultado, lo que fue anunciado por el señor Presidente, quién le FELICITO, con lo que terminó el acto, siendo las 13:00 horas, el proceso de sustentación queda grabado en el Microsoft Teams, canal de sustentaciones virtuales de la FAIIA teniendo el siguiente enlace:
Reunión en _9. SUST. CHAGUA VENTURA ANDRES ALBERTO 04-11-22_-20221104_110148- Grabación de la reunión.mp4
Dr. Ángel Héctor Zárate Malpica PRESIDENTE DNI: 19965228
https://orcid.org/0000-0003-3451-0052
M.Sc. Greta Hinostroza Quiñonez SECRETARIA DNI: 20070892
https://orcid.org/0000-0001-9678-1400
Dr. Edgar Rafael Acosta López JURADO DNI:19812585
https://orcid.org/0000-0002-0345-9074
Dra.Clara Raquel Espinoza Silva JURADO DNI:23004625
https://orcid.org/0000-0001-8229-4177
Dr. Miguel Ángel Quispe Solano JURADO DNI: 20073150
https://orcid.org/0000-0002-1863-7400
II ASESORA
DRA. CLARA RAQUEL ESPINOZA SILVA DNI N° 23004625
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8229-4177
III
DEDICATORIA
A toda mi familia por su apoyo y comprensión
en emprender este nuevo reto profesional.
IV
AGRADECIMIENTO
A la Dra. Clara ESPINOZA SILVA, por las facilidades en el laboratorio de la Facultad de Industrias Alimentarias UNCP.
A los Maestros de la escuela de postgrado de la Facultad de Industrias Alimentarias UNCP, por transmitir su experiencia y conocimiento.
Al químico Jorge CHOQUENEIRA PARI, de la Universidad Nacional Antonio Abad del Cusco, por las facilidades en los análisis de cromatografía de gases.
A la Ing. Diana BARZOLA HUAMÁN, de la empresa Agroindustrial Foods Perú Andinos S.R.L, por su apoyo en las muestras de escarificado de quinua.
V
ÍNDICE GENERAL
ASESORA ... II DEDICATORIA ... III AGRADECIMIENTO ... IV ÍNDICE GENERAL ... V ÍNDICE DE TABLAS ... VII ÍNDICE DE FIGURAS ... VIII RESUMEN ... IX ABSTRACT ... X
INTRODUCCIÓN ... 11
CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1. Antecedentes ... 14
1.2. Bases teóricas y conceptuales ... 15
1.2.1. Quinua (Chenopodium quinoa W.) ... 15
1.2.1.1. Factores anti-nutricionales de la quinua ... 18
1.2.1.2. Métodos de extracción:... 23
1.2.2. Fluidos supercríticos (FSC) ... 25
1.2.3. Parámetros que afectan al proceso de extracción ... 28
1.3. Definición de términos básicos: ... 30
1.3.1. Fluido supercrítico: ... 30
1.3.2. Saponinas: ... 30
1.3.3. Sapogenina: ... 30
1.3.4. Actividad antioxidante: ... 30
1.4. Hipótesis de investigación: ... 30
1.4.1. - Hipótesis general ... 30
1.4.2. Hipótesis específicas: ... 30
1.5. Operacionalización de las variables: ... 32
CAPITULO II DISEÑO METODOLÓGICO 2.1. Tipo y nivel de investigación: ... 33
2.2. Método de investigación: ... 33
2.3. Diseño de la investigación: ... 33
2.4. Población y muestra ... 35
VI
2.4.1. Población ... 35
2.4.2. Muestra ... 35
2.4.3. Muestreo ... 35
2.4.4. Unidad experimental ... 35
2.5. Técnicas de recopilación de datos ... 36
2.5.1. Técnicas de recopilación ... 36
2.5.2. Preparación de la materia prima: ... 36
2.5.3. Extracción e hidrolisis de saponinas ... 37
2.5.4. Contenido de saponinas totales: ... 38
2.5.5. Cuantificación de la sapogeninas por cromatografía de gases: .. 39
2.5.6. Capacidad antioxidante método ABTS: ... 40
2.5.7. Capacidad antioxidante método DPPH: ... 40
2.6. Técnicas de procesamiento de datos ... 41
2.6.1. Efecto de los factores de extracción por SFE ... 41
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 3.1. Resultados y discusión ... 43
3.1.1. Contenido de humedad de la muestra ... 43
3.1.2. Diámetro de partícula ... 43
3.1.3. Extracción de saponinas triterpenoides ... 43
3.1.4. Hidrolisis y cuantificación de sapogeninas ... 45
3.1.5. Capacidad antioxidante de las saponinas triterpenoides ... 46
3.1.6. Cromatografía de gases de las saponinas ... 47
3.1.7. Optimización de la extracción de las saponinas triterpenoides ... 50
CONCLUSIONES ... 56
RECOMENDACIONES ... 57
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA: ... 58
ANEXOS ... 69
VII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Clasificación botánica de la quinua (Arendt & Zannini, 2013) ... 16
Tabla 2 Propiedades críticas de los solventes utilizados en SFE. ... 28
Tabla 3 Parámetros de extracción de saponinas de quinua. ... 34
Tabla 4 Tratamientos para el diseño compuesto central. ... 41
Tabla 5 Tiempo de retención y pureza del ácido oleanólico. ... 48
Tabla 6 Concentración de saponinas respecto a la concentración de ácido oleanólico. ... 49
Tabla 7 Diseño compuesto central para la extracción por fluidos supercríticos ... 52
Tabla 8 Estadística de ajuste del modelo. ... 52
VIII
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Países importadores de quinua en el mundo ... 17
Figura 2 Estructura de los granos de quinua (Prego, 1998)... 18
Figura 3 Saponinas esteroides de (Smilacina atropurpurea). [Zhang, Li, Yang, and Zhang (2013)] ... 20
Figura 4 Saponinas triterpenoides de la corteza de Quillaja. [Kezwon and Wojciechowski (2014)] ... 20
Figura 5 Aglicona de las saponinas triterpenoides reportadas en (Chenopodium quinoa), [(Madl, Sterk, Mittelbach, & Rechberger, 2006)] ... 22
Figura 6 Diagrama de fase presión-temperatura de CO2, [(Laboureur, Ollero, & Touboul, 2015)] ... 26
Figura 7 Esquema diseño de la investigación. ... 33
Figura 8 Escarificado homogéneo de quinua. ... 36
Figura 9 Equipo de extracción de fluidos supercríticos, (Fuente propia) ... 38
Figura 10 Conjunto de procedimientos para determinar las saponinas de quinua. ... 39
Figura 11 Curva de calibración del ácido oleanólico. ... 48
Figura 12 Cromatografía de gases de las saponinas del escarificado de quinua. ... 49
Figura 13 ANOVA para modelos cuadrático de superficie respuesta. ... 50
Figura 14 Comparación entre el contenido total de saponina previstos y actuales. ... 53
Figura 15 Los efectos de la presión y temperatura sobre el contenido total de saponinas en el escarificado de quinua. ... 54
Figura 16 Los efectos del co-solvente y presión sobre el contenido total de saponinas en el escarificado de quinua. ... 54
Figura 17 Los efectos del co-solvente y temperatura sobre el contenido total de saponinas en el escarificado de quinua. ... 55
IX RESUMEN
En este trabajo se ha estudiado la extracción con dióxido de carbono supercrítico (scCO2) las saponinas triterpenoides (STT) de los residuos del escarificado de quinua (REQ). Para lo cual se ha considerado la influencia de las variables de extracción presión (280 – 320 bar), temperatura (45 – 55 ºC) y flujo de co-solvente (0,8 – 1,0 mL/min) mediante un diseño compuesto central (CCD), combinado con la metodología superficie respuesta (RSM). Basado en el análisis de la RSM y el análisis por espectrofotometría Uv-Vis, el mayor rendimiento de saponinas totales fue 400 mg/mL de ácido oleanólico, que se obtuvo a una presión de 301,9 bar, 49,82 °C de temperatura y 0,89 mL/min de flujo de co-solvente durante una hora. El análisis por GC permitió la identificación del ácido oleanólico en una concentración de 18,33 mg/mL. Además, se pudo evidenciar que el extracto optimo del REQ presenta una alta capacidad antioxidante según los análisis de DPPH y ABTS donde se obtuvieron valores de 3,41 y 4,09 mg TE/g TW.
Palabras clave: saponinas triterpenoides, metodología superficie respuesta, dióxido de carbono supercrítico, quinua (Chenopodium quinoa W.).
X ABSTRACT
In this work, the extraction with supercritical carbon dioxide (scCO2) of triterpenoid saponins (STT) from quinoa scarification residues (REQ) was studied.
For which the influence of the extraction variables pressure (280 - 320 bar), temperature (45 - 55 ºC) and co-solvent flow rate (0.8 - 1.0 mL/min) was considered using a central composite design (CCD), combined with response surface methodology (RSM). Based on RSM and Uv-Vis spectrophotometry analysis, the highest yield of total saponins was 400 mg/mL oleanolic acid, which was obtained at 301.9 bar pressure, 49.82 °C temperature and 0.89 mL/min co-solvent flow rate for one hour. GC analysis allowed the identification of oleanolic acid at a concentration of 18.33 mg/mL. In addition, it could be evidenced that the optimum extract of REQ presents a high antioxidant capacity according to the DPPH and ABTS analyses where values of 3.41 and 4.09 mg TE/g TW were obtained.
Keywords: triterpenoid saponins, response surface methodology, supercritical carbon dioxide, quinoa (Chenopodium quinoa W.).
11 INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la industria agroalimentaria es la responsable de generar grandes cantidades de subproductos, generalmente productos secundarios derivados de la producción primaria. La reutilización de estos subproductos agroindustriales representa una posible solución de bajo costo e impacto ambiental reducido para obtener algunos aditivos alimentarios funcionales de manera renovable (Anklam, Berg, Mathiasson, Sharman, & Ulberth, 1998; Faustino et al., 2019).
Actualmente, la principal fuente de STT son las cortezas del árbol Quillaja saponaria, que representa el 80 % en el mercado mundial. Sin embargo, para satisfacer su demanda se han sobreexplotado las plantaciones lo que provocó daños ambientales significativos y puesto en riesgo la sostenibilidad de dicha especie (Ruiz et al., 2017; San Martin, 2000).
Las STT son un conjunto de compuestos bioactivos mayormente producidas por las plantas como un mecanismo de protección contra el ataque de herbívoros, insectos y patógenos o como medio para sobrevivir en condiciones de crecimiento adversas. Además de su rol como defensa de las plantas, las STT son de gran interés industrial debido a su aplicación en las industrias farmacéuticas, cosmética y alimentaria (Augustin, Kuzina, Andersen, & Bak, 2011).
Las saponinas estructuralmente están comprendidas en dos grandes grupos esteroides o triterpenoide aglicónico (sapogenina) que están unidas a diferentes oligosacáridos (Mohan, Tresina, & Daffodil, 2016). En la quinua están presentes las STT, que se encuentra en mayor proporción en el pericarpio del grano 86 %, y a una alta concentración imparte un sabor amargo y astringente, por lo que debe retirarse antes del consumo (Gomez-Caravaca, Iafelice, Verardo, Marconi, &
Caboni, 2014; Jarvis et al., 2017). Una manera de disminuir la presencia de saponinas dentro del grano es la eliminación parcial o total del pericarpio del grano, sin embargo, esto implica un costo adicional en su procesamiento. De manera tradicional el proceso de disminuir la presencia de STT, es mediante frotación con agua corriente, sin embargo, el problema es que se necesitan grandes cantidades de agua de 10 a 14 m3 por tonelada de grano seco, causando la contaminación de ríos y lagos con residuos de saponina, además este tipo de procesamiento puede reducir el valor nutricional de los granos de quinua (Aiello & Huaca, 2017; Konishi, Hirano, Tsuboi, & Wada, 2004).
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Recientemente se han desarrollado muchos métodos para la eliminación de la saponina; uno de ellos se conoce como escarificado o perlado, que implica la abrasión física de los granos en donde se elimina gran parte de la cubierta externa del grano que es donde se encuentra en mayor proporción las saponinas. Durante el proceso de escarificado se obtiene una gran cantidad de subproductos (salvado de semilla) rico en saponinas y otros nutrientes que se desperdicia; por lo tanto, su valorización es esencial (Aiello & Huaca, 2017; Konishi et al., 2004).
Las mayores áreas de cultivo de quinua en América Latina son Perú, Bolivia y Ecuador, que representan el 76 % de las exportaciones mundiales con un total de 172.000 ha en 2018, mientras que otros países en donde se cultiva este grano andino representan el 16 % de las exportaciones (Alandia, Rodriguez, Jacobsen, Bazile, & Condori, 2020). La expansión del cultivo de este grano a nivel nacional y mundial también incrementaría las cantidades de subproductos, principalmente salvado de las semillas que representan entre 3,5 a 8 % de merma dependiendo de la variedad de quinua y del tipo de procesamiento realizado (Aiello & Huaca, 2017; Gil-Ramirez et al., 2018). Estos subproductos generados podrían representar una fuente sostenible de saponinas que se podrían aprovechar generando mayores ingresos en los productores agrícolas (Ramli, Yusup, Quitain, Johari, & Kueh, 2019).
El uso de técnicas avanzadas en el proceso de extracción de compuestos bioactivos de manera sostenible es de suma importancia. Las STT se pueden extraer utilizando métodos de extracción convencional, sin embargo, algunas STT pueden ser muy sensibles a estos métodos debido a las altas temperaturas, pH y tipos de solventes orgánicos utilizados en su proceso de extracción (Krzyżanowska‐Kowalczyk, Kowalczyk, & Oleszek, 2019).
El scCO2 se está convirtiendo en el fluido supercrítico (FSC) de mayor preferencia debido a sus múltiples ventajas, una de las más importantes es su temperatura critica que es aproximadamente 31 ºC, que minimiza la degradación térmica y la consiguiente generación de compuestos indeseables. Además, no es tóxico, es barato y tiene el potencial que la ligera modificación de los parámetros de proceso puede modificar sus propiedades, por lo que es muy adecuado para la extracción de compuestos bioactivos de gran valor (Fornari, 2016; Ge, Ni, Yan, Chen, & Cai, 2002; Pereira & Meireles, 2010).
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La RSM basada en el DOE, es la combinación de técnicas matemáticas y estadísticas para el DOE y es utilizada para optimizar los procesos de extracción en los que una respuesta o un conjunto de respuestas es influenciadas por un conjunto de variables, así también como sus interacciones, mediante el cual disminuye el tiempo de experimentación, ya que requiere menor cantidad de datos experimentales para obtener datos estadísticos (Khuri & Mukhopadhyay, 2010;
Nwabueze, 2010).
Para este estudio se utilizó el CCD face centered para optimizar las variables de proceso de extracción. Por último, se utilizó la cromatografía de gases GC y espectrofotometría UV-vis para evaluar las saponinas triterpenoides.
Objetivo general
Evaluar el efecto de los factores presión, temperatura y flujo cosolvente en la extracción de saponinas triterpenoides del escarificado de quinua (Chenopodium quinoa W), mediante scCO2 y la RSM.
Objetivos específicos
• Optimizar los factores de extracción de las STT de quinua (Chenopodium quinoa W), presión, temperatura y flujo co-solvente utilizando la RSM.
• Evaluar las STT totales y su capacidad antioxidante del extracto óptimo de los extractos obtenidos por scCO2 del REQ (Chenopodium quinoa W).
• Identificar las STT del escarificado de quinua (Chenopodium quinoa W).
mediante cromatografía de gases.
14 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1. Antecedentes
Sun et al. (2010), optimizaron la extracción saikosaponins de Bupleurum falcatum, utilizando fluidos supercríticos, para ello estudiaron los efectos de cuatro factores la presión (30 - 40 MPa), la temperatura (40 - 50°C), la concentración de etanol (60 - 100%) y el tiempo (2.5 - 3.5 h) en los rendimientos, para ello emplearon un diseño de matriz ortogonal L9(3)4, para optimizar las condiciones de extracción.
Se encontró que la concentración de etanol y la temperatura influyen de manera significativa en los rendimientos de saikosaponins totales. Además, los resultados indican que las condiciones óptimas para la extracción de saikosaponins totales por fluidos supercríticos fueron 3,0 h de tiempo, 35 MPa de presión, 80% de concentración de etanol y 45ºC. Los resultados obtenidos revelan que la extracción por fluidos supercríticos es un método alternativo para extraer saikosaponinas de hierbas medicinales.
Shu, Gao, and Yang (2004), utilizaron fluidos supercríticos e hidrolisis acida para extraer sapogeninas de tubérculos de Smilax china. Estudiaron la influencia de los parámetros de extracción, presión, temperatura y tiempo de extracción, además realizaron una comparación con la extracción convencional utilizando solventes, donde se encontró que la extracción por fluidos supercríticos, tiene un mayor rendimiento (0.454 %) de sapogeninas que contienen principalmente diosgenina, que se obtuvieron usando 35 MPa de presión, 65°C y 95% de etanol como modificador durante 180 minutos, a diferencia que el método de extracción convencional (0,385%).
Bitencourt, Queiroga, Montanari Junior, and Cabral (2014), realizaron una extracción secuencial de lecho fijo utilizando fluidos supercríticos (scCO2), etanol y agua como solventes, de raíces de P. glomerata y H. eriantha, para extraer y fraccionar saponinas. El proceso de extracción se realizó en cuatro pasos secuenciales, a 50 °C y 300 Bar. En la primera etapa, se usó scCO2 puro como
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disolvente, en la segunda etapa scCO2/etanol (70:30, p/p), en la tercera etapa etanol, y en la cuarta etapa se utilizaron etanol/agua (70:30, v/v). Según los resultados obtenidos en este estudio sugieren que el proceso de extracción con una mezcla de dióxido de carbono supercrítico y etanol (70:30, p/p), fue el mejor para la extracción de saponinas menos polares en los extractos.
(Herrera, Navarro Del Hierro, Fornari, Reglero, & Martin, 2019), evaluaron los tiempos de hidrolisis y degradación de los extractos de saponina de alholva, quinua, lenteja y soya para obtener extractos ricos en sapogeninas. Los hidrolizados de alholva y quinua tuvieron las mayores cantidades de sapogenina y el tiempo de hidrolisis de una hora garantizaron la máxima transformación a extractos ricos en sapogeninas.
(Medina-Meza, Aluwi, Saunders, & Ganjyal, 2016), evaluaron el contenido y perfil de sapogeninas de 22 variedades de quinua, para lo cual utilizaron un novedoso protocolo para extraer y cuantificar saponinas. Obteniendo en promedio 3,81 y 27,1 mg/g de saponinas totales, siendo el ácido fitolacagénico con 16,72 mg/g la más predominante sapogenina, seguido de la hederagenina con 4,22 mg/g que representan en promedio ∼70% y el 30% del contenido total de sapogeninas.
(Lim, Park, & Yoon, 2020), analizaron el contenido de sapogeninas, polifenoles y flavonoides de las semillas, germinados, cubierta de la semilla, hojas, tallos y la raíz de quinua, donde las semillas de quinua tuvieron significativamente mayor contenido de sapogenina en comparación con las demás partes. En cuanto al contenido de saponinas totales, las raíces tuvieron el mayor contenido (13,39 g 100 g-1), seguido por la cubierta de las semillas. Por otro lado, el mayor contenido fenólico total y flavonoides totales se obtuvieron del extracto de la raíz de quinua y extracto de los germinados, siendo este último el que mostro mayor capacidad antioxidante en comparación con las partes más desarrolladas de la planta.
Además, determinaron que las saponinas de quinua estaban principalmente compuestas por ácido fitolacágenico,
1.2. Bases teóricas y conceptuales 1.2.1. Quinua (Chenopodium quinoa W.)
Es considerada un pseudograno que pertenece a la familia Chenopodiaceae, originaria de la región andina de América del Sur cerca del lago Titicaca en Perú y Bolivia (Arendt & Zannini, 2013; Schoenlechner, 2017). Es
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considerada uno de los cultivos más antiguos de Sudamérica. La clasificación botánica es detallada en la tabla 1 (Abugoch James, 2009).
Tabla 1
Clasificación botánica de la quinua (Arendt & Zannini, 2013)
Clasificación Quinua
Sub-clase Dicotyledoneae
Grupo Thalamiflorae
Orden Caryophyllales
Familia Chenopodiaceae
Genero Chenopodium
Especie Quinua
a. Tipos de quinua
Las plantas de quinua probablemente evolucionaron a medida que los agricultores de las antiguas sociedades de la cordillera de los andes realizaron ciclos de intercambios de semillas y probaron nuevos suelos y climas (Murphy et al., 2018). Actualmente existen más de 3000 variedades o ecotipos de quinua, que pueden agruparse en cinco categorías como salares, Altiplano, Valle interandino, Yungas y nivel del mar (Collar, 2016). De manera tradicional las semillas de quinua se clasificaban en función a su color pudiendo ser negras, grises, rosas, rojas, amarillas, verdes, naranjas o moradas (Romano & Ferranti, 2018). Dependiendo de las condiciones climáticas y de cultivo el color de las semillas de quinua puede variar debido a la presencia de saponinas y compuestos fenólicos que están en el pericarpio (Tanwar et al., 2019).
b. Producción
La quinua es un cultivo emergente a nivel mundial figura 1, con potencial para contribuir a la seguridad alimentaria debido a la calidad nutricional, variabilidad genética, adaptabilidad a condiciones de climáticas y de suelos adversos, diversidad de métodos de uso y bajo costo de producción (Cancino-Espinoza, Vazquez-Rowe, & Quispe, 2018; Schoenlechner, 2017). Si bien la mayoría de la quinua aún se cultiva en América del Sur, la expansión del cultivo a otros continentes sostiene que es un cultivo con alto potencial para contribuir la seguridad alimentaria en diferentes regiones del mundo. En la actualidad se cultiva en los Estados Unidos (Colorado y California), China, Europa, Canadá e India.
También se cultiva experimentalmente en Finlandia y el Reino Unido (Bazile, Jacobsen, & Verniau, 2016; Collar, 2016). Sin embargo, los principales productores de quinua en el mundo siguen siendo Perú, Bolivia y Ecuador. En el 2017, la
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producción de quinua en Perú era de 78,657 toneladas, en Bolivia 66,792 toneladas y en Ecuador alcanzo unas 1,286 toneladas de quinua. Siendo estos países los que producen la mayor cantidad de quinua en el mundo.
Figura 1
Países importadores de quinua en el mundo
Nota: . tomado de market Price information https://mpi.intracen.org/home
c. Aspectos nutricionales de las semillas de quinua
La quinua ha sido reconocida como un alimento completo debido a su calidad proteica y puede representar una alternativa a las proteínas de origen animal pudiendo cubrir las necesidades proteicas de una población mundial en crecimiento (Abugoch James, 2009; Scanlin & Lewis, 2017).
En comparación con otros cereales tradicionales como la cebada (11% base seca), arroz (7,5% base seca), maíz (13,4% base seca) y comparable con el trigo (15,4% base seca), los granos de quinua tienen un mayor contenido proteico según aparece en la literatura (12 – 23 %) (Collar, 2016). La quinua es el único alimento vegetal que contiene todos los aminoácidos esenciales, oligoelementos y vitaminas, y no contiene gluten, por lo que puede ser consumido por personas que tienen la enfermedad celíaca (Scanlin & Lewis, 2017). Además, los aminoácidos esenciales se encuentran en el núcleo del grano, a diferencia de otros cereales,
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como el arroz o el trigo, en los que se encuentran en la capa externa (Filho et al., 2017). Las propiedades funcionales están dadas también por minerales, vitaminas, ácidos grasos de alta calidad y antioxidantes. También se ha encontrado que contienen compuestos como polifenoles, fito-esteroles y flavonoides que pueden contribuir de forma importante a la nutrición y la salud humana (Abugoch James, 2009; Collar, 2016).
d. Estructura del grano de quinua
Las semillas de quinua comprenden varias capas similares a una esfera aplanada que tienen un diámetro de 2 mm y un grosor de 0,5 mm, como se muestra en la figura 2 (Collar, 2016). En los granos de quinua madura se pueden distinguir tres compartimientos: embrión, endospermo y perispermo. Las reservas principales de almacenamiento de proteínas, lípidos y minerales se encuentran en el embrión y el endospermo. El almidón se almacena mayormente en el perispermo (Burrieza, Lopez-Fernandez, & Maldonado, 2014). El pericarpio es donde se suele encontrar en mayor proporción las saponinas, que son considerados como componentes anti- nutricionales de sabor amargo.
Figura 2
Estructura de los granos de quinua (Prego, 1998)
1.2.1.1. Factores anti-nutricionales de la quinua
Los antinutrientes son metabolitos secundarios que dependiendo de su concentración puede tener efectos beneficiosos y adversos dependiendo de su concentración en la dieta (Tanwar et al., 2019). En concentraciones elevadas estos compuestos podrían reducir la digestibilidad y biodisponibilidad de los nutrientes.
En la quinua los principales factores antinutricionales están: saponinas, ácido fítico
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y los inhibidores de proteasa (Arendt & Zannini, 2013). Siendo las saponinas el principal factor antinutricional que se encuentran en los granos de quinua (Koziol, 1991). El amargor es asociado a la presencia de saponinas, por lo que se tiene que eliminar o disminuir antes de su consumo (Scanlin & Lewis, 2017).
a. Saponinas
Las saponinas, son glucósidos naturales ampliamente distribuidos en el reino vegetal y en algunos organismos marinos (Price, Johnson, & Fenwick, 1987;
Rao, 2000), incluyen un grupo diverso de compuestos caracterizados por su estructura que contiene una aglicona esteroide o triterpenoide y una o más cadenas de azúcar rectas o ramificadas (Lacaille-Dubois & Wagner, 2000). El nombre saponina deriva de la palabra latina sapo, que significa “jabón”. De hecho, debido a la naturaleza anfifílica que se deriva de la combinación de cadenas de azúcar hidrófilo y una saponina lipófila, las saponinas pueden actuar como surfactantes y formar espumas similares a las del jabón cuando se agitan con agua (Vincken, Heng, de Groot, & Gruppen, 2007).
b. Estructura de las saponinas
Las saponinas que están presentes en las plantas son predominantemente glucósidos, estas pueden estar constituidos por un esteroide figura 3, o un triterpenoide figura 4, y están covalentemente unidas a una o más cadenas de azúcar siendo las más frecuentes D-glucosa, L-ramnosa, D-galactosa, ácido D- glucurónico, L-arabinosa, D-xilosa o D-fucosa (Podolak, Galanty, & Sobolewska, 2010). Están unidas a una estructura central de triterpeno o aglicón esteroide, también llamada sapogenina y se les han asignado los términos monodesmosidos, bidesmosidos o tridesmosidos, respectivamente (del griego desmos = cadena) (Wieslaw Oleszek & Arafa Hamed, 2010). Las saponinas que tienen una sola cadena de azúcar son monodesmosídicas unida a C-3. Las saponinas que tienen dos cadenas de azúcar son consiideradas bidesmosídicas unidas a través de enlaces éster en C-3 y C-28 o que pueden tener una tercera cadena de azúcar tridesmosidas unida a uno de los grupos funcionales OH o COOH que están presentes en el aglicón (Lásztity, Hidvégi, & Bata, 1998).
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Figura 3
Saponinas esteroides de (Smilacina atropurpurea). [Zhang, Li, Yang, and Zhang (2013)]
Figura 4
Saponinas triterpenoides de la corteza de Quillaja. [Kezwon and Wojciechowski (2014)]
c. Saponinas en la quinua
La quinua, contiene de 2 a 5 % de saponinas en forma de glucósidos triterpenoides de tipo oleanano o sapogeninas, este metabolito secundario está presente principalmente en el pericarpio del grano, que representa aproximadamente del 8 – 12 % de la semilla de la quinua y es donde se almacena hasta el 86 % de las saponinas (Ando et al., 2002; Filho et al., 2017), aunque la presencia de saponinas no se limita a las semillas, sino también que se encuentran en otras partes de la planta (incluyendo hojas, flores, frutos, tallos, y en la cubierta
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externa de la semilla), donde su función principal es defender a la planta de las condiciones adversas del medio ambiente externo (Abugoch James, 2009; I. Dini, Schettino, Simioli, & Dini, 2001; Gil-Ramirez et al., 2018; T. Kuljanabhagavad, Thongphasuk, Chamulitrat, & Wink, 2008; Medina-Meza et al., 2016). Hasta hace poco, las saponinas se consideraban como elementos anti-nutricionales (I. Dini et al., 2001). Debido que a altas concentraciones pueden reducir la digestibilidad y biodisponibilidad de los nutrientes al inhibir las enzimas digestivas y formar complejos de proteínas minerales insolubles que impedirían su absorción en el intestino (Suarez-Estrella, Torri, Pagani, & Marti, 2018). Sin embargo, a bajas concentraciones presentan propiedades que pueden ejercer efectos beneficiosos en la salud promoviendo la salud metabólica, cardiovascular y gastrointestinal.
(Shahidi, 1997; Vilcacundo & Hernández-Ledesma, 2017).
El estudio de las saponinas de quinua ha llevado al aislamiento e identificación de más de treinta tipos de saponina en la quinua con agliconas de tipo oleanano y fitolaccagenano, principalmente cinco agliconas triterpenoides diferentes, figura 5 que incluyen el ácido oleanólico (OA), hederagenina (Hed), el ácido fitolaccagénico (PA) y el ácido serjanico (SA).
Siendo el ácido oleanólico la clase principal de saponina en las semillas de quinua (Cuadrado et al., 1995; Tiwatt Kuljanabhagavad & Wink, 2009; Madl, Sterk, Mittelbach, & Rechberger, 2006; Ruiz et al., 2017).
La cantidad de saponina en la quinua es muy variable entre las diferentes variedades, así se pueden clasificar en dos tipos dependiendo de su concentración de saponinas, como variedades de quinua dulce cuando contienen < 0,11 % de saponina o quinua amarga cuando contienen > 0,11 % de saponinas (Gomez- Caravaca et al., 2014; Koziol, 1991).
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Figura 5
Aglicona de las saponinas triterpenoides reportadas en (Chenopodium quinoa), [(Madl, Sterk, Mittelbach, & Rechberger, 2006)]
Aglicón R1 R2
Ácido oleanólico CH3 CH3
Hederagenina CH2OH CH3
Ácido fitolacagénico CH2OH COOCH3
ácido serjánico CH3 COOCH3
d. Actividad biológica y aplicaciones
Las plantas comúnmente sintetizan una gama de metabolitos secundarios como parte de su protección contra el ataque de herbívoros, insectos y patógenos o como medio para sobrevivir en condiciones de crecimiento adversas. Si los animales de granja o domésticos o los seres humanos consumen estas plantas, estos compuestos pueden causar efectos fisiológicos adversos (Augustin et al., 2011; Ruiz et al., 2017). Sin embargo, si esta sustancia es consumida en grandes cantidades por animales domésticos o de granja o los seres humanos, pueden causar efectos fisiológicos adversos (Mohan et al., 2016). Por otro lado, estas sustancias están recibiendo gran importancia comercial debido a recientes estudios que han llevado a la aparición de las saponinas como compuestos con aplicaciones cada vez más crecientes en los sectores de la alimentación la cosmética y la farmacia (Collar, 2016; Guclu-Ustundag & Mazza, 2007).
La acción lipofílica de las saponinas facilita la complejidad de las mismas con esteroides, proteínas y fosfolípidos de las membranas celulares alterando la permeabilidad de las mismas o causando su destrucción. De manera similar, otras propiedades generalmente atribuidas a las saponinas, por ejemplo, la actividad
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hemolítica, las propiedades de unión al colesterol, y el amargor, son mejor vistos como característicos de tipos particulares de saponina en lugar de ser compartida por todos los miembros (Abugoch James, 2009). Aunque las saponinas eran consideradas como factores anti-nutricionales, estudios actuales muestran propiedades beneficiosas, incluyendo actividad analgésica, inmuno-estimulantes, anticancerígenas, antimicrobianas, anti-fúngicas, antiinflamatorias, antivirales, antialérgicas y antioxidantes, entre otras (Guclu-Ustundag & Mazza, 2007). Las saponinas también aumentan la permeabilidad de la mucosa intestinal y reducen la absorción de grasa.
Las saponinas son compuestos activos que han encontrado amplias aplicaciones en los sectores alimentario, cosmético y farmacéutico debido a sus propiedades físico-químicas y a su actividad biológica (Guclu-Ustundag & Mazza, 2007). Como surfactantes naturales son muy buenos estabilizadores de espuma y emulsionantes, y muestran una gama de actividades biológicas. Esto debido a que contienen un grupo hidrofóbico rígido (triterpenoide o esteroide), conectado mediante enlaces glucósidos a cadenas de oligosacáridos hidrófilos (Wang, Gu, &
Li, 2005). Esto posiblemente a que puedan formar una fuerte interacción lateral de los enlaces de hidrogeno entre los residuos de azúcar (Ulaganathan et al., 2019).
1.2.1.2. Métodos de extracción:
La presencia de saponinas en los extractos de plantas se indica fácilmente por su actividad hemolítica y su capacidad para formar una espuma jabonosa cuando se agitan en agua y es esta característica que le da el nombre al grupo (Guclu-Ustundag & Mazza, 2007; Oleszek, 2002). Esta propiedad fue utilizada durante mucho tiempo en la identificación de especies de plantas que contienen saponina, así como para su cuantificación. La altura de la espuma cuando se agita en un tubo de vidrio y el momento de su desaparición fue utilizada como una prueba semi-cuantitativa (Koziol, 1991; Wieslaw Oleszek & Arafa Hamed, 2010). Sin embargo, este método tiene limitaciones debido a que algunos otros componentes de la planta como las proteínas también pueden formar espuma en estas condiciones, varias especies se clasificaron erróneamente como plantas que contienen saponina, pero en general este método de detección fue ampliamente utilizado para la distribución de la saponina en la naturaleza (Krzyżanowska‐
Kowalczyk et al., 2019). Los métodos de extracción y aislamiento son pasos fundamentales y cruciales en el análisis de las saponinas, a la vez estas presentan
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un serio desafío debido a la variedad estructural de diferentes sustitutos, por ejemplo, OH, CH3 o COOH, y se complica más por el número y orientación de las unidades de azúcar en la fracción de la aglicona (Majinda, 2012).
En general los métodos de extracción se pueden clasificar en dos categorías: las tecnologías convencionales de extracción (maceración, soxhlet y la extracción por reflujo térmico) y las tecnologías verdes de extracción (como extracción asistida por microondas (MAE), extracción asistida por ultrasonido (EAU), extracción asistida por alta presión (HPAE), extracción asistida por descargas eléctricas de alto voltaje (HVED), extracción asistida por campos eléctricos pulsados (PEF), extracción asistida por enzima (EAE), extracción de fluidos supercríticos (SFE)) (Putnik et al., 2018; Wen, Zhang, Sun, Sivagnanam, &
Tiwari, 2019).
La extracción de las saponinas por los métodos convencionales es relativamente simple y se basan en la solubilidad de los materiales vegetales al solvente (Cheok, Salman, & Sulaiman, 2014). Sin embargo, este método de extracción, tiene varias desventajas entre ellas están el consumo de grandes cantidades de solventes orgánicos y de alta pureza, requieren largo tiempo de extracción, tienen baja selectividad de extracción y bajo rendimiento (Xu, Wang, Pu, Tao, & Zhang, 2018). Además, algunas saponinas pueden ser bastante sensibles a los numerosos parámetros de extracción como la temperatura, el pH, tipo y porcentaje de solvente orgánico utilizado. La exposición prolongada y el uso combinado de estos factores puede degradar las sustituciones acilo muy sensibles, hidrolizar tanto las cadenas de azúcar unidas a ésteres como los grupos acilo, además pueden derivar a la formación de derivados metílicos y lactonas (Krzyzanowska, Kowalczyk, & Oleszek, 2014). Por otro lado los métodos de extracción considerados como tecnologías verdes, representan una alternativa relativamente barata, sencilla y eficiente frente a los métodos de extracción convencional debido a que pueden tener un mayor rendimiento de extracción, uso de materias primas renovables, mejor aislamiento, reduce el consumo de energía, reduce el tiempo de extracción, menor consumo de solventes sin comprometer la calidad de las muestras y tienen un bajo impacto ambiental (Heng, Tan, Yong, &
Ong, 2013; Putnik et al., 2018; Wen et al., 2019).
Según Majinda (2012), el primer paso para la extracción y procesamiento de los extractos de saponinas del material vegetal sin la formación de artificios inicia
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con la selección de las condiciones apropiadas de extracción (temperatura, pH y la relación del disolvente y el material vegetal) y las propiedades del material vegetal (composición y el tamaño de partícula), siendo estos, los principales factores que determinan la eficiencia del proceso.
Los protocolos convencionales para la extracción de saponinas comienzan con la eliminación de los ácidos grasos y la clorofila, que típicamente involucran el reflujo con cloroformo en el aparato Soxhlet. Sin embargo estos procedimientos pueden causar cambios estructurales y la formación de artificios durante el calentamiento, por lo que se deben evitar (Pawelec et al., 2013). Por otro lado, según Navarro Del Hierro et al. (2018), en su estudio detalla que la extracción de saponinas junto con otros componentes como las grasas pueden aumentar o dificultar la bio-accesibilidad de las saponinas al estar las mismas presentes de manera equilibrada.
1.2.2. Fluidos supercríticos (FSC) a. Tecnología de los FSC
La tecnología que involucra a los FSC toma importancia a finales de los 70 y principios de los 80, que es donde esta técnica comenzó a ser investigada a fondo como alternativa a los métodos de extracción convencional (Ibáñez, Mendiola, &
Castro-Puyana, 2016). Estos primeros trabajos mostraron las importantes implicaciones que se producen cuando una sustancia es sometida a condiciones de presión y temperatura más allá de sus puntos críticos. El campo de los FSC ha prosperado y ahora es una pieza fundamental de la ciencia moderna, tanto a nivel teórico y experimental como tema de investigación fundamental y puede diversificarse en múltiples direcciones imprevistas (A. P. Sánchez-Camargo, Mendiola, Ibáñez, & Herrero, 2014). En la actualidad existen centenares de plantas a escala industrial para la extracción de biocomponentes de matrices vegetales, como los componentes del lúpulo, descafeinización de café y te, y la separación de lecitina del aceite (Knez, Škerget, & KnezHrnčič, 2013).
b. Fundamentos de los FSC
Un FSC es un estado de fluido que comparte las propiedades físicas tanto del gas como del líquido en su punto crítico o por encima de ellas, teniendo como finalidad conseguir cambios físicos significativos para que se puedan modificar sus capacidades como disolvente de ciertos solutos bajo las combinaciones de temperatura y presión (A. P. Sánchez-Camargo et al., 2014).
26 c. El punto crítico propiedades físicas
En el diagrama de las fases de presión y temperatura Figura 7, el punto en el que se encuentran la temperatura critica (Tc) y la presión critica (Pc) se denomina el punto crítico (A. P. Sánchez-Camargo et al., 2014), que es una propiedad particular de una sustancia, cuando se alcanzan estos valores las propiedades de ambas fases, la gaseosa y la liquida, convergen, dando lugar a una única fase de fluido supercrítico homogéneo (Ibáñez et al., 2016). La presión de vapor del soluto solamente depende de la temperatura; en términos de densidad, viscosidad y difusividad la presión y la temperatura se pueden relacionar. Las pequeñas variaciones de la presión y la temperatura tienen repercusiones en la dinámica de los fluidos, la solubilidad y transferencia de la masa, lo que determina un mayor rendimiento de un sistema de SFE (da Silva, Rocha-Santos, & Duarte, 2016).
Figura 6
Diagrama de fase presión-temperatura de CO2, [(Laboureur, Ollero, & Touboul, 2015)]
Otra de las propiedades del FSC que también se modifican son la tensión superficial, fuerza del disolvente, etc. Que serán los responsables de las propiedades como disolvente que presentara el fluido. Además, la variación de la temperatura y la presión por encima de su punto crítico modificara principalmente las propiedades del fluido, sobre todo porque posee propiedades de un gas como la difusión, viscosidad y la tensión superficial que permite que se difundan rápidamente para ocupar todo el volumen de un sistema, pero también propiedades como liquido como la densidad y el poder de solvatación que serán responsables
27
de las propiedades como disolvente que permitirá alcanzar un alto grado de selectividad (Ibáñez et al., 2016; A. P. Sánchez-Camargo et al., 2014; Žlabur, Voća, Brnč=ić, & Rimac-Brnč=ić, 2018).
d. Dióxido de carbono supercrítico (scCO2)
El dióxido de carbono se comporta como un FSC por encima de su temperatura crítica (31.1 ºC) y su presión crítica 7,39 MPa, debido a su conveniente punto crítico se está convirtiendo en una de las tecnologías sostenibles más prometedoras que se han desarrollado en los últimos años, ya que, la mayor parte del CO2 empleado se obtiene como subproducto de la fermentación, combustión y síntesis de amoniaco y por ello, su uso como fluido supercrítico evita su liberación a la atmosfera, no contribuyendo al efecto invernadero (A. P. Sánchez-Camargo et al., 2014). La temperatura relativamente baja del proceso y la estabilidad del CO2
permite extraer los compuestos con poco daño o desnaturalización. Sin embargo, debido a su baja polaridad, el CO2 supercrítico es menos efectivo para extraer más compuestos polares de las matrices naturales, para aumentar la afinidad del CO2 a una variedad de solutos se emplean modificadores (también llamados cosolvente).
Estos son compuestos polares que, agregados en pequeñas cantidades, pueden inducir cambios sustanciales en las propiedades del solvente del CO2 supercrítico.
Las características que modifican incluyen el aumento o disminución de la polaridad, la aromaticidad, la quiralidad, y la capacidad de aumentar los compuestos metal-orgánicos complejos (Ballesteros-Vivas, Mendiola, & Ibáñez, 2018; Pereira & Meireles, 2009).
Debido a su baja viscosidad y relativamente alta difusividad, los fluidos supercríticos tienen mejores propiedades de transporte que los líquidos, pueden difundirse fácilmente a través de materiales sólidos. Estas propiedades físicas las convierten en disolventes limpios ideales para el procesamiento de componentes naturales y, por lo tanto, pueden proporcionar tasas de extracción más rápidas (A.
d. P. Sánchez-Camargo, Ibáñez, Cifuentes, & Herrero, 2017).
Otra propiedad de los FSC es su selectividad. La selectividad de extracción de los FSC puede ajustarse a las necesidades del proceso alterando la densidad, lo cual se logra haciendo cambios en la presión y temperatura. Dado que la densidad está relacionada con la solubilidad, alterando la presión de extracción, la fuerza de extracción del solvente del fluido puede ser modificada. La selectividad también se puede cambiar mediante la adición de un cosolvente que se presentan
28
en la Tabla 2, para aumentar o disminuir la polaridad. Dentro de ellos el etanol es el cosolvente más utilizado debido a que no es toxico y cumple con los criterios de la tecnología “verde” (Clifford & Williams, 2000).
Tabla 2
Propiedades críticas de los solventes utilizados en SFE.
Solvente Propiedades criticas
Temperatura (°C)
Presión (atm)
Densidad (g/ml)
Parámetro de solubilidad ᵟSFC(𝒄𝒂𝒍−𝟏𝟐𝒄𝒎−𝟑𝟐))
Etene 10.1 50.5 0.200 5.8
Agua 101.1 217.6 0.322 13.5
Metanol -34.4 79.9 0.272 8.9
Dióxido de carbono 31.2 72.9 0.470 7.5
Etano 32.4 48.2 0.200 5.8
Óxido nitroso 36.7 71.7 0.460 7.2
Hexafloruro de azufre 45.8 37.7 0.730 5.5
n-buteno -139.9 36.0 0.221 5.2
n-pentano -76.5 33.3 0.237 5.1
Nota: Tabla adaptada de “Sub- and supercritical fluid extraction of functional ingredients from different natural sources: Plants, food-by-products, algae and microalgae” (Herrero, Cifuentes,
& Ibanez, 2006).
1.2.3. Parámetros que afectan al proceso de extracción
El principal inconveniente del CO2 supercrítico es su baja polaridad, aunque la elección del disolvente supercrítico que se va emplear se puede considerar como el parámetro que más influye en la extracción, además hay una serie de parámetros importantes que afectan significativamente la fuerza del disolvente y la transferencia de masa durante el proceso de extracción que se describen a continuación (Rayner, Oakes, Sakakura, & Yasuda, 2007).
a. Materia prima
La materia prima es definida aquí como la muestra a extraer, pudiendo estar está en estado sólido o líquido. En el caso de que las muestras sean solidas las características físicas de la muestra puede tener gran influencia (Fornari, 2016). El tamaño de las partículas y su porosidad influyen directamente el proceso de transferencia de masa al aumentar la superficie de contacto, otro factor importante a tomar en cuenta es la humedad de la muestra ya que podría dificultar la extracción, un alto contenido de agua puede interferir en la interacción soluto-CO2
y conducir a una disminución del rendimiento de extracción (Moldoveanu & David, 2002). Por tal motivo la muestra a extraer debe tener un contenido de humedad inferior al 10-12%, por lo que los tratamientos de secado es un pretratamiento común para la extracción por FSC. Los parámetros correctos tienen que ser fijados
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de manera experimental, si el diámetro de la partícula de la muestra es muy pequeño, se podrían formar canales preferenciales dentro de la muestra de extracción, lo cual dificultaría el proceso de extracción(A. P. Sánchez-Camargo et al., 2014).
b. Mejora de la solubilidad
La variación de la densidad de un fluido supercrítico influye directamente en la solubilidad, siendo la presión y la temperatura de extracción probablemente los parámetros que más influyen en la solubilidad de una sustancia. De manera general se podría decir que una mayor densidad puede conseguirse aumentando la presión, lo que conducirá a una mayor solubilidad de los componentes de la muestra. Así también, un aumento de la temperatura disminuirá la densidad debido al aumento de la presión de vapor. Otros aspectos que podrían influir en la solubilidad de los componentes son su polaridad, peso molecular y la temperatura.
Por lo tanto, se debe seleccionar de manera cuidadosa los valores de temperatura y presión que se van emplear en un proceso en función de sus objetivos (Ibáñez et al., 2016; A. P. Sánchez-Camargo et al., 2014).
c. Polaridad y uso de modificadores
Dentro de los FSC el principal fluido utilizado es el scCO2, aunque su baja polaridad le presenta ciertas limitaciones a la hora de extraer compuestos poco polares (Rayner et al., 2007). Para aumentar su eficacia de extracción debido a su baja polaridad, se puede emplear un modificador junto con el scCO2. De manera general la cantidad de modificadores es menor al 10-15% en relación con la cantidad de scCO2 utilizado en la extracción, de esta manera se podría aumentar la solubilidad de los componentes de la muestra que tienen mayor polaridad. Los modificadores más utilizados son el metanol y etanol, estos disolventes orgánicos deben tener concentraciones menores al 10 % en relación a la cantidad de dióxido de carbono utilizada en la extracción (A. P. Sánchez-Camargo et al., 2014). Bajo estas condiciones los modificadores pueden no estar en su estado supercrítico debido a que los cosolventes no son gases en condiciones ambientales, por lo tanto, se obtienen residuos líquidos en los extractos después de los procedimientos de extracción que se pueden recuperar y volverse a utilizar (Anklam et al., 1998; A.
P. Sánchez-Camargo et al., 2014) .
30 1.3. Definición de términos básicos:
1.3.1. Fluido supercrítico:
Un fluido supercrítico (FSC) es definido como una sustancia que comparte las propiedades físicas tanto del gas como del líquido en su punto crítico. Una de las propiedades más importantes de un SCF es que sus propiedades físicas pueden variar drásticamente como resultado de cambios relativamente pequeños en la temperatura y la presión (A. P. Sánchez-Camargo et al., 2014).
1.3.2. Saponinas:
Las saponinas, son glucósidos naturales e incluyen un grupo diverso de compuestos caracterizados por su estructura que contiene una aglicona esteroide o triterpenoide y una o más cadenas de azúcar recta o ramificada (Krzyzanowska et al., 2014).
1.3.3. Sapogenina:
Presentan una estructura central de tipo triterpeno, también conocida como sapogenina que están unidas con uno o más monosacáridos y se les han clasificado como monodesmosidos, bidesmosidos o tridesmosidos, respectivamente (Makkar, Siddhuraju, & Becker, 2007).
1.3.4. Actividad antioxidante:
Los antioxidantes son sustancias que pueden definirse como cualquier sustancia que, al estar presente en bajas concentraciones, en comparación con las del sustrato oxidable, retrasa, previene o elimina el daño oxidativo de dicho sustrato. La oxidación es una reacción química de transferencia de electrones o hidrógeno de las sustancias a un agente oxidante (Amorati & Valgimigli, 2018).
1.4. Hipótesis de investigación:
1.4.1. - Hipótesis general
La modificación de los factores presión, temperatura y flujo cosolvente tienen efecto en la extracción de saponinas triterpenoides de quinua (Chenopodium quinoa W), mediante dióxido de carbono supercrítico.
1.4.2. Hipótesis específicas:
- La optimización de la presión, temperatura y flujo cosolvente en la extracción de saponinas triterpenoides con dióxido de carbono supercrítico permite mediante un modelo matemático la predicción del valor óptimo de saponinas triterpenoides totales.
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- Las saponinas triterpenoides totales del escarificado de quinua (Chenopodium quinoa W), tiene una relación directa con la capacidad antioxidante por los métodos DPPH y ABTS.
- Las saponinas triterpenoides del escarificado de quinua (Chenopodium quinoa W.) identificados por cromatografía de gases tiene en mayor proporción ácido oleanólico.
32 1.5. Operacionalización de las variables:
Variables Definición conceptual
Definición operacional Dimensiones Unidad
De medición
Técnicas e instrumentos
Independientes
Presión Es la presión constante superior a 73 bars para mantener el sistema en su
punto crítico.
280 300
320 Bar
La extracción por SFE utiliza sustancias que tienen propiedades físicas como la del gas y como del líquido en su punto
crítico y estos pueden variar drásticamente con cambios pequeños en la temperatura y presión. El uso de cosolventes son un complemento para
extraer compuestos polares al aumentar su solubilidad.
Temperatura Es la temperatura constante superior a 31 ºC. para mantener el sistema en su
punto crítico.
45 50
55 ºC
Co-solvente El flujo del cosolvente incrementa la polaridad del fluido y su poder de
disolución.
0,8 0,9
1,.0 mL/min
Dependientes
Saponinas triterpenoides totales.
Son extractos crudos de tonalidad amarilla que al ser tratado vira de color
a violeta.
527 nm
Reacción de color por oxidación de la mezcla con el ácido acético glacial y
ácido sulfúrico.
Capacidad antioxidante DPPH
ABTS
Es la capacidad de capturar radicales libres del medio, los métodos DPPH y ABTS son ensayos que permiten medir
esta capacidad.
745 mg TE/ 100 g DPPH: por el método propuesto por (Brand-Williams, 2011), medido en el
espectrofotometro a 515 nm.
ABTS: por el método propuesto por (Re, 1999), medido en el espectrofotometro a 754 nm.
33 CAPITULO II
DISEÑO METODOLÓGICO 2.1. Tipo y nivel de investigación:
a. Tipo de investigación:
Investigación aplicada, debido a la proporción de conocimientos nuevos y alternativas de solución a una problemática de los residuos de la industria agroalimentaria (Hernández, Fernández, & Baptista, 2016).
b. Nivel de investigación:
El presente estudio se encuentra dentro del nivel de investigación explicativa, ya que, se asocian las variables con el fin de explicar fenómenos (Hernández et al., 2016).
2.2. Método de investigación:
Para la presente investigación se utilizó el método científico cuantitativo.
Además, los datos obtenidos provienen de las mediciones que se realizaron a los factores y estas fueron analizados por pruebas estadísticas (Hernández et al., 2016).
2.3. Diseño de la investigación:
La presente investigación se ha establecido la relación de las variables independientes: presión, temperatura y cosolvente y las variables respuesta según se detallan en la figura 7.
Figura 7
Esquema diseño de la investigación.
X Y
Variable independie nte
Presión, Temperatura y cosolvente.
Contenido de saponinas
totales.
Capacidad antioxidante
Variabledependiente
Causa Efecto
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Para este estudio se utilizó la MSR: Diseño compuesto central ortogonal (CCD) fase centered, que es el diseño de segundo grado más utilizado en estudios experimentales (Myers, Khuri, & Carter, 1989). Por lo general, este diseño tiene tres tipos de puntos experimentales: factorial (puntos que permiten la generación de datos de pruebas de hipótesis t), los puntos centrales (esto permite la evaluación de la curvatura en la región de interés) y por ultimo los puntos axiales (en donde se puede estimar los efectos cuadráticos observados en la región determinada) (de Oliveira et al., 2019). Que nos ayudaran a optimizar el proceso de extracción de las STT totales y capacidad antioxidante del escarificado de quinua.
El diseño tiene tres factores experimentales presión, temperatura y flujo de cosolvente con 1 respuesta, saponinas totales, con tres puntos centrales, con 17 tratamientos aleatorio total como se muestra en la tabla 3. En la codificación de los niveles de las variables se transforma cada valor real dentro de una escala con valores sin dimensión, que debe ser proporcional a nivel experimental. Este proceso es importante porque nos permite investigar variables de diferente orden de magnitud sin que la mayor influya en la evaluación del menor (Bezerra, Santelli, Oliveira, Villar, & Escaleira, 2008). Por lo tanto, se estableció los valores de las condiciones codificadas tabla 3 como punto mínimo (-1), como punto central (0) y punto alto (+1) sobre el proceso de extracción.
Tabla 3
Parámetros de extracción de saponinas de quinua.
Factores Saponinas escarificado de quinua Valores
Reales
Valores codificados Presión
(bar)
𝑋1 280 -1
300 0
320 +1
Temperatura
°C
𝑋2 45 -1
50 0
55 +1
Co-solvente (ml/min)
𝑋3 0.8 -1
0.9 0
1 +1
Numerosas variables pueden afectar la respuesta de un sistema que se está estudiando. Por lo tanto, se deben realizar diseños de exploración para determinar cuál de las variables experimentales y sus interacciones representan efectos más significativos. Para el diseño y análisis se utilizó el software estadístico Design
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Expert 12 versión trial, en donde se aprecia la aleatoriedad y combinaciones de los datos que se ejecutaron en este estudio.
Ya definido el modelo, se tiene que comprobar estadísticamente si representa correctamente la relación entre las variables. Para lo cual, se utiliza el análisis de varianza (ANOVA) que evalúa la precisión del modelo predictivo a través del coeficiente de determinación (R2). A partir de esta comparación, es posible evaluar la significación de la regresión utilizada para prever la respuesta tomando en cuenta las fuentes de varianza. Además, también se utilizan otras técnicas, como el test de falta de ajuste, la desviación media absoluta y el análisis residual.
En el diseño compuesto central ortogonal se estableció la ecuación polinómica de segundo grado, ello nos permite establecer un modelo empírico que nos permite correlacionar la variable respuesta con las variables independientes de investigación.
2.4. Población y muestra 2.4.1. Población
La población en este estudio son residuos del escarificado de quinua (Chenopodium quinoa W.) de la empresa Agroindustrial Foods Perú Andinos S.R.L procedente de la provincia de Hualhuas – Huancayo, colectada de la campaña agrícola 2019.
2.4.2. Muestra
Se tomó una muestra aleatoria representativa de los sacos almacenados (500 gramos) de escarificado de quinua que fueron llevados en bolsas herméticas y trasladadas de inmediato al laboratorio para su análisis.
2.4.3. Muestreo
El presente estudio tiene un muestreo probabilístico aleatorio simple, ya que, cada elemento de la población y cada muestra tiene la misma probabilidad de ser seleccionado.
2.4.4. Unidad experimental
Para la extracción de las saponinas totales del escarificado de quinua se utilizó 25 gramos de la muestra tamizada con una malla número 40 que fue determinada en pruebas preliminares y a la vez esto se utilizó para todos los análisis.
36 2.5. Técnicas de recopilación de datos 2.5.1. Técnicas de recopilación
Las técnicas empleadas en la presente investigación fueron tomadas por observación indirecta debido a que no está en contacto con el fenómeno, pero se puede observar por medio de otros elementos y experimentación que supone una alteración controlada de las condiciones normales. Además, las técnicas son los procedimientos y actividades que nos permite obtener los datos necesarios para cumplir con nuestros objetivos (Hernández et al., 2016).
2.5.2. Preparación de la materia prima:
Para este estudio se utilizó los residuos obtenidos del proceso de escarificado en seco de los granos de quinua, estas fueron proveídas por la empresa Agroindustrial (Foods Perú Andinos S.R.L), figura 8, que fueron colectadas en bolsas de polietileno, selladas y etiquetadas y llevadas al laboratorio de manera inmediata.
Las muestras se secaron a una temperatura promedio de 35 °C durante 48 horas, según lo propuesto por (Shu et al., 2004), que utilizo FSC para extraer sapogeninas de Smilax china.
Para el diámetro de partícula se realizaron pruebas preliminares con diferentes tamaños de muestra (0,1 – 0,4 mm) y muestra sin tamizar, de los cuales el tamaño de partícula que más se ajustó al equipo de extracción SFE fue el de 0.4 mm aproximadamente, que fue reportado de manera similar al estudio de (Sun et al., 2010), en la optimización de extracción por FSC en saikosaponins de Bupleurum falcatum.
Figura 8
Escarificado homogéneo de quinua.
