UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TESIS
PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:
RAFAEL GARCIA, PEDRO GONZALO VILCA TORRES, MARCOS CRHISTIAN
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
PORTADA
HUANCAYO – PERÚ 2021
OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS DE EXTRACCIÓN EN EL RENDIMIENTO DE ANTOCIANINAS DE FLORES ROJAS DE
MASTUERZO ASISTIDA POR ULTRASONIDO
ASESOR
DRA. CLARA ESPINOZA SILVA
DEDICATORIA
Esta tesis está dedicada a nuestros padres por sus enseñanzas y amor para concluir nuestros sueños y a Dios que siempre está con nosotros.
AGRADECIMIENTOS
A nuestros profesores de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias de la Universidad Nacional del Centro del Perú por sus sabias enseñanzas y lecciones de
calidad, que nos sirvieron para nuestro desarrollo profesional.
A la Dra. Clara Espinoza Silva, por su asesoramiento y eficiencia que permitió lograr culminar la investigación.
ÍNDICE GENERAL
PORTADA ... i
ASESOR ... ii
DEDICATORIA ... iii
ÍNDICE GENERAL ... v
ÍNDICE DE TABLAS ... viii
ÍNDICE DE FIGURAS ... ix
I. INTRODUCCIÓN ... 11
II. MARCO TEÓRICO ... 14
2.1. Antecedentes ... 14
2.1.1 Extracción de antocianinas de repollo rojo mediante métodos ultrasónicos y convencionales: optimización y evaluación ... 14
2.1.2 Optimización de la extracción ultrasónica de compuestos fenólicos de las cáscaras de semillas de Eurylale ferox utilizando metodologías de superficie de respuesta ... 14
2.1.3 Extracción asistida por ultrasonido de compuestos bioactivos de la cáscara de fruta de Nephelium lappaceum L. utilizando una superficie respuesta ... 15
2.2. Fundamentos de ultrasonido ... 16
2.2.1 Factores que influencian en la cavitación ... 19
2.2.2 Tensión superficial del solvente ... 19
2.2.3 Frecuencia ... 20
2.2.4 Tipo de reactor y diseño... 20
2.3. Extracción asistida por ultrasonido ... 21
2.4. Antocianinas ... 23
2.4.1 Estructura química ... 24
2.4.2 Propiedades biológicas ... 27
2.5. Radicales libres... 27
2.5.1 Producción de radicales libres de oxígeno ... 28
2.5.2 Reactividad de los radicales libres y estrés oxidativo ... 28
2.6. Antioxidantes ... 29
2.6.1 Niveles de la acción antioxidante ... 30
2.7. Optimización de procesos ... 30
III. MATERIALES Y MÉTODOS ... 32
3.1. Lugar de ejecución ... 32
3.2. Tipo de investigación ... 32
3.3. Nivel de investigación ... 32
3.4. Materiales ... 32
3.4.1 Materia prima ... 32
3.4.2 Equipos e instrumentos para el análisis ... 32
3.4.3 Materiales ... 33
3.4.5 Reactivos ... 33
3.5. Métodos ... 34
3.5.1 Optimización de la extracción por ultrasonido asistido ... 34
3.6. Análisis ... 36
3.6.1 Determinación de antocianinas monoméricas ... 36
3.6.2 Determinación capacidad antioxidante ... 36
4.2. Granulometria de pétalos de flores rojas molidas ... 40
4.3. Estudio de la extracción de antocianinas por ultrasonido ... 42
4.4. Caracterización del extracto ... 54
V. CONCLUSIONES ... 57
VI. RECOMENDACIONES ... 58
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA ... 60
ANEXOS ... 64
Anexo 1. Lectura de absorbancias y cantidad de antocianinas en los 18 tratamientos 65 Anexo 2. Capacidad antioxidante del extracto con mayor cantidad de antocianina obtenida con el mejor tratamiento ... 66
Anexo 3. Panel fotográfico recolección de flores rojas de mastuerzo (tropaeolum majus L.) ... 66
Anexo 4. Selección de pétalos de flores rojas de mastuerzo (tropaeolum majus L.) ... 66
Anexo 5. Tratamiento con ultrasonido y filtrado del extracto de antocianinas de flores rojas de mastuerzo (tropaeolum majus L.) ... 67
Anexo 6. Lectura de absorbancias utilizando el espectrofotómetro Genesis 10 S ... 67
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Variables y niveles de estudio ... 35
Tabla 2 Tratamientos realizados... 35
Tabla 3 Humedad de pétalos de flores rojas de mastuerzo liofilizada ... 39
Tabla 4 Valores de color L, a y b de pétalos de flores de mastuerzo ... 39
Tabla 5 Determinación del módulo de finura de flores rojas de mastuerzo secadas por liofilización y molidas ... 41
Tabla 6 Contenido de antocianinas en los tratamientos realizados para la extracción asistida por ultrasonido ... 43
Tabla 7 Análisis de los diseños central compuesto (DCC) – superficie respuesta – para el contenido de antocianinas extraídas de flores rojas de mastuerzo asistido por ultrasonido ... 47
Tabla 8 Análisis de varianza del rendimiento en contenido de antocianinas de flores rojas, extracción asistida por ultrasonido, teniendo como variables tiempo, temperatura y concentración de etanol. ... 47
Tabla 9 Características del extracto obtenido ... 54
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Principio de cavitación acústica ... 16
Figura 2 Representación gráfica del fenómeno de cavitación, colapso y liberación del material vegetal ... 17
Figura 3 Representación de un equipo de ultrasonido acopado a una sonda ... 18
Figura 4 Comportamiento de la cavitación en una célula vegetal ... 21
Figura 5 Estructura común de la antocianidina glucosilada ... 25
Figura 6 Estructura y sustituyentes de las antocianidinas ... 25
Figura 7 Gráfico de las corridas experimentales del tiempo respecto al contenido de antocianinas de flores rojas de mastuerzo. ... 44
Figura 8 Gráfico de las corridas experimentales de la temperatura respecto al contenido de antocianinas de flores de mastuerzo rojas ... 45
Figura 9 Gráfico de las corridas experimentales del porcentaje de etanol respecto al contenido de antocianinas de flores de mastuerzo rojas ... 46
Figura 10 Gráfico de superficie respuesta del contenido de antocianinas respecto al tiempo y temperatura en la extracción asistida por ultrasonido ... 50
Figura 11 Gráfico de superficie respuesta del contenido de antocianinas respecto al tiempo y % de etanol en la extracción asistida por ultrasonido ... 50
Figura 12 Gráfico de superficie respuesta del contenido de antocianinas respecto al % de etanol y temperatura en la extracción asistida por ultrasonido ... 51
Figura 13 Gráfico de contornos del contenido de antocianinas respecto al tiempo y temperatura en la extracción asistida por ultrasonido ... 52
Figura 14 Gráfico de contornos del contenido de antocianinas respecto al tiempo y % de etanol en la extracción asistida por ultrasonido. ... 52
Figura 15 Gráfico de contornos del contenido de antocianinas respecto al % de etanol y temperatura en la extracción asistida por ultrasonido ... 53
RESUMEN
Las flores de mastuerzo rojo (Tropaeolum majus L) contienen altas cantidades de antocianinas en su composición, que son las responsables de su coloración, lo que las convierte en una buena fuente de extracción. Las condiciones de extracción afectan la estabilidad de las antocianinas, así como la concentración en la extracción de antocianinas. Uno de los métodos actuales es la extracción asistida por ultrasonidos.
Además, el tiempo y la temperatura de extracción son factores clave sustitutos para posibles mejoras en los métodos de ultrasonido (Pinelo, Sineiro, Reglero y Nuñez, 2007), en el presente trabajo se evaluó el efecto de la temperatura, el tiempo y la concentración de etanol en la extracción por ultrasonido de pétalos de flores rojas de mastuerzo (Tropaeolum majus L.) utilizando una metodología de superficie de respuesta para el diseño de compuestos centrales. Se evaluó el tiempo de extracción, la temperatura y la concentración de etanol para obtener el mayor contenido de antocianinas, los datos se evaluaron con el software Desing Expert con la ayuda de ultrasonido y se obtuvieron 18 tratamientos. Los niveles de temperatura del tratamiento fueron de 40 a 80 °C, los tiempos de extracción fueron de 5 a 75 minutos y las concentraciones de etanol fueron de 5 a 75%. Se obtuvo una mayor concentración de antocianinas de las hojas de berro a un tiempo de 75 minutos, una temperatura de 40°C y una concentración de etanol del 75%. La capacidad antioxidante del extracto final fue de 68.25, el pH de 2.8 y los sólidos solubles de 3.5%.
I. INTRODUCCIÓN
Las antocianinas son pigmentos rojos que son solubles en agua, especialmente en las plantas. Su estructura química consiste en la molécula de antocianina, que es una aglicona, a la que se une el azúcar a través de un enlace beta- glucosídico.
Las antocianinas son de interés para la industria de los colorantes naturales debido a su capacidad para impartir colores atractivos en función de su pH.
Debido al gran interés por incorporar productos funcionales a la dieta, las antocianinas son una alternativa saludable por sus propiedades funcionales y técnicas.
Numerosos estudios han proporcionado evidencia científica de que las antocianinas podrian mejorar la visión, evidencian actividad antioxidante, elimina radicales libres y también actúa como agente quimioprotector. Asimismo, la evidencia científica demuestra propiedades antidiabéticas, control de lípidos, protección vascular y secreción de insulina.
El método convencional de extracción de antocianinas es la lixiviación con solventes orgánicos, pero los residuos de solventes orgánicos como el metanol y la acetona en estos métodos están relacionados con la seguridad alimentaria, por lo que el uso de solventes orgánicos en alimentos industriales es limitado.
Este método es lento e ineficiente en la extracción de antocianinas, y las temperaturas de extracción más altas pueden provocar la degradación de las antocianinas. Otros factores que pueden afectar la degradación incluyen el pardeamiento enzimático y de Maillard, la degradación catalizada por ácido ascórbico y la polimerización de antocianinas con otros fenoles (Howard, Brownmiller y Prior, 2012). Por lo tanto, la clave es el desarrollo de un nuevo método para la extracción de antocianinas con una velocidad de extracción más
rápida y un mayor rendimiento. Uno de los métodos actuales es la extracción asistida por ultrasonidos.
El ultrasonido es la energía producida por ondas sonoras que vibran 20 000 veces o más por segundo y pueden viajar a través de gases, líquidos y materiales sólidos para ayudar a mejorar el rendimiento. Además, el tiempo y la temperatura de extracción son factores sustitutos clave que pueden mejorar los métodos de ultrasonido (Pinelo, Sineiro, Reglero & Nuñez, 2007).
Las flores de berro rojo (Tropaeolum majus L) contienen altas cantidades de antocianinas en su composición, que son las responsables de su coloración, lo que las convierte en una buena fuente de extracción. Por lo que en el presente trabajo se evaluó el tiempo, la temperatura y la concentración de etanol de la extracción de antocianinas de las flores de mastuerzo. La nueva tecnología de extracción asistida por cavitación permite la extracción de diferentes sustancias biológicamente activas, como las saponinas, sin el uso de disolventes contaminantes o nocivos para la extracción de sustancias biológicamente activas.
(Panda & Manickam, 2019). “La extracción ultrasónica reduce el tiempo de extracción en comparación con los métodos tradicionales” menciona Picó, (2013).
En el presente trabajo de tesis se formularon los siguientes objetivos Objetivo general
Optimizar la temperatura, tiempo y concentración de etanol en la extracción de antocianinas asistida por ultrasonido por el método de superficie respuesta.
Evaluar la temperatura, tiempo y concentración de etanol en la optimización para la extracción de antocianinas asistido por ultrasonido a partir de flores rojas de mastuerzo.
Caracterizar el extracto antociánico de flores rojas de mastuerzo extraídos por ultrasonido.
II. MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes
2.1.1 Extracción de antocianinas de repollo rojo mediante métodos ultrasónicos y convencionales: optimización y evaluación
El objetivo de este estudio fue investigar la optimización de las condiciones de extracción convencional (CE) y extracción ultrasónica (UE) de antocianinas de col roja (Brassica oleracea L. var. Capitata f. Rubra) utilizando la metodología de superficie de respuesta. Los resultados mostraron que el mayor contenido de antocianina de los extractos de antocianina de repollo rojo se obtuvo a 40ºC, con un tiempo de extracción de 75 min y una concentración de etanol del 42,39% en una relación sólida / líquida fija (1: 3 p / v) para CE y UE. Sin embargo, se ha determinado que la aplicación ultrasónica proporciona un 11.92% más de extracción de antocianinas en comparación con CE. Por lo tanto, la degradación de antocianinas que se produce debido a la aplicación a alta temperatura puede prevenirse y la extracción puede llevarse a cabo en una etapa de extracción utilizando menos disolvente. En conclusión, se ha determinado que la aplicación ultrasónica es superior a la aplicación convencional cuando se usa en condiciones moderadas (concentración temperatura-disolvente) para fines de extracción de antocianinas. (Aslihan, Kenan y Kader, 2015)
2.1.2 Optimización de la extracción ultrasónica de compuestos fenólicos de las cáscaras de semillas de Eurylale ferox utilizando metodologías de superficie de respuesta
concentración de etanol (X2) y la relación entre etanol acuoso y materia prima (X3), para lograr un alto rendimiento de extracción de los compuestos fenólicos. Los análisis estadísticos muestran que las variables independientes (X1, X2), el cuadrático los términos (X21, X22 y X23) y las interacciones de X1 con X2 y X3 tienen un efecto significativo sobre el rendimiento (p <0.01). Las condiciones optimizadas son X1 de 21 min, X2 de 52% y X3 de 31 mL / g. Bajo estas condiciones, el rendimiento experimental es de 15.69 ± 0.082% (n = 3), que está bien igualado con el rendimiento predicho de 15.70%. La evaluación de la actividad antioxidante mediante ensayo DPPH indica que los compuestos fenólicos de las cáscaras de E.ferox poseen una cantidad significativa actividad antioxidante. El análisis por HPLC revela que el pirogalol, el ácido gálico, el ácido clorogénico y la rutina son la principal composición en los extractos (Yong, Shoulian y Miaochan, 2013)
2.1.3 Extracción asistida por ultrasonido de compuestos bioactivos de la cáscara de fruta de Nephelium lappaceum L. utilizando una superficie respuesta
En este estudio, se emplearon cuatro factores en el diseño compuesto central de tres niveles para estudiar y optimizar las variables de proceso en la extracción de compuestos bioactivos (contenido total de antocianinas, fenólicos y flavonoides) de la cáscara de fruta de Nephelium lappaceum L. Se observó que el la temperatura de extracción (30–50 C), la potencia del ultrasonido (20–40 W), tiempo de extracción (10–
30 min) y relación sólido-líquido (1: 10–1: 20 g / ml) estudiado y donde se realizó un análisis de regresión múltiple en los datos obtenidos experimentalmente para desarrollar modelos polinomiales de segundo orden con un alto coeficiente de valor de determinación (R2> 0,99). Con base tanto en el individuo como en las combinaciones de las variables del proceso, las condiciones (temperatura de extracción de 50 °C, potencia de ultrasonido de 20 W, tiempo de extracción de 20 min y relación sólido-líquido de 1: 18.6 g / ml) se determinaron por la función deseada de Derringer metodología. En
estas condiciones, se determinaron los valores de antocianina total (10.26 ± 0.39 (mg / 100 g)), fenólicos (552.64 ± 1.57 (mg GAE / 100 g)) y flavonoide (104 ± 1.13 (mg RE / 100 g)) y está estrechamente relacionado con los valores previstos (10,17 mg / 100 g de antocianina total, 546,98 mg GAE / 100 g de fenólicos totales y 100,93 mg RE / 100 g de contenido total de flavonoides) e indicó la idoneidad de los modelos desarrollados.
(Prakash, Manikandan,Vigna, y Dinesh (2013) 2.2. Fundamentos de ultrasonido
El ultrasonido se basa en la propagación de ondas mecánicas que consisten en un conjunto de ciclos, definidos como una combinación de altas y bajas presiones, denominadas compresión y dispersión, respectivamente (Musielak et al. 2016). Las principales características del ultrasonido son (Tippens & Hernández 2007):
Longitud, es la distancia entre dos puntos de compresión o rarefacción. Amplitud que es la altura máxima de una onda. Frecuencia que es el número de ciclos por unidad de tiempo. Velocidad es el producto de la frecuencia por la longitud de onda. Potencia es el cociente entre la energía transportada y el tiempo considerado. Intensidad es el cociente de una unidad de potencia a través de una unidad de área.
“El espectro involucrado en el ultrasonido se denomina ultrasonido y tiene frecuencias por encima del rango audible (>20 kHz) y tambien por debajo de las frecuencias de microondas (hasta 10 MHz)” según (Kadam et al. 2015).
Shirsath et al., 2012 menciona que “La principal fuerza impulsora de la EAU es la cavitación acústica (Figura 1), que es capaz de inducir una serie de compresiones y rarefacciones en las moléculas de solvente presentes, lo que resulta en la formación de burbujas debido a los cambios de temperatura y presión”.
Figura 1
Principio de la cavitación acústica
Fuente: Medina-Torres (2017)
Chemat,et al. 2017 menciona que “En general, se han identificado varios mecanismos involucrados en los EAU, en los que destaca la fragmentación, atribuida a colisiones entre partículas y ultrasonidos, lo que resulta en una reducción del tamaño de las partículas que facilita la transferencia de masa”. “Otro mecanismo involucrado es la erosión, que ayuda a mejorar la accesibilidad del solvente implosionando burbujas de aire en la superficie del sustrato de la planta”.
Por otro lado, Chemat et al. 2017 tambien menciona que “la sonocapilaridad y la sonoporación pueden mejorar la permeabilidad del líquido a través de los canales creados por la implosión de burbujas, provocando cambios en la permeabilidad de las membranas celulares, respectivamente”. Además Chemat et al, (2017) menciona que
“debido a los fenómenos de oscilación, el esfuerzo cortante puede provocar el colapso de las burbujas en el fluido” que se muestra en la figura 2.
Figura 2
Gráfica del fenómeno de cavitación, colapso y liberación de compuestos a partir del material vegetal
Fuente: Medina-Torres (2017)
Picó, 2013, menciona que “La irradiación ultrasónica se puede realizar de dos formas:
por contacto directo con la muestra, o a través de las paredes del recipiente que contiene la muestra (indirectamente), como un sistema de baño ultrasónico” y además que “la principal desventaja de los baños de ultrasonidos es que suelen trabajar a una sola frecuencia (20 o 40 kHz)”. Picó enfatiza que “sin embargo, existen sistemas de extracción más eficientes, como los sistemas de extracción por ultrasonidos acoplados a la sonda (Figura 3), que generan 100 veces más potencia que la que proporciona un baño de ultrasonidos en contacto directo con la muestra”.
Figura 3
Representación gráfica de un equipo de ultrasonido acoplado a una sonda
Fuente: Medina-Torres (2017)
2.2.1 Factores que influencian en la cavitación
Panda y Manikam, 2019 mencionan que “la selección de un solvente apropiado para las propiedades de la muestra utilizada es un paso preliminar en el proceso de extracción” y que “las propiedades del solvente juegan un papel importante en la promoción de la energía de cavitación de la matriz”. Menciona también que “la cavitación se ve afectada por la viscosidad y la tensión superficial, la polaridad y la presión de vapor del medio líquido”. Y “si bien el agua es superior a los solventes orgánicos (etanol, metanol, acetona, isopropanol) y otros solventes inorgánicos, es posible que el agua no sea efectiva”. Panda y Mahikam (2019) indican también que
“los disolventes orgánicos, como alcoholes, acetona y éteres, se utilizan
preferentemente para la extracción de compuestos biológicamente activos, así como compuestos no polares, como hidrocarburos aromáticos; el agua se utiliza para la extracción de componentes polares, como aminoácidos, carbohidratos y glucósidos”.
Además de la solubilidad, también se debe considerar la integridad de la pared celular.
2.1.1.1 Viscosidad del solvente
Luque de Castro & Priego-Capote (2007), reporta que “dado que la presión negativa en el ciclo de expansión o adelgazamiento debe superar las fuerzas
cohesivas naturales que actúan sobre el líquido, cualquier aumento en estas fuerzas elevará el umbral de cavitación, y que una forma de aumentar estas fuerzas es aumentar la viscosidad del líquido”.
2.2.2 Tensión superficial del solvente
Luque de Castro & Priego-Capote, 2007 menciona que “la cavitación requiere la formación de una interfase líquido-gas y que por lo tanto, uno podría esperar que el uso de solventes de baja energía superficial por unidad de área reduzca el umbral de cavitación; aunque este fenómeno no es tan simple como parece, la adición de tensioactivos a las soluciones acuosas definitivamente promueve la cavitación”
2.2.3 Frecuencia
Panda y Manikam, (2019), menciona que “para las frecuencias por debajo de 100 kHz, el grado de daño a las estructuras de la superficie celular es más alto y, el efecto capilar depende de la frecuencia, ya que se requieren frecuencias altas (500 kHz) para estructuras rígidas, mientras que las frecuencias bajas (20-40 kHz) son adecuadas para materiales flexibles (materia vegetal, algas, etc.)”. Además, Panda y Manikam, (2019) assegura que “los ultrasonidos de baja frecuencia producen condiciones de cavitación extremas en comparación con los de alta frecuencia, lo que puede ser beneficioso para un mejor rendimiento de extracción en condiciones óptimas, esto debido a que el ultrasonido de baja frecuencia exhibe efectos físico-acústicos más fuertes en comparación con los de alta frecuencia”.
2.2.4 Tipo de reactor y diseño
Panda y Manikam, (2019), manifiesta que “la extracción asistida por ultrasonidos se puede realizar con dispositivos tipo baño o sonda, siendo los dispositivos tipo baño los más utilizados, y que la falta de homogeneidad de la distribución de energía de ultrasonido limita la repetibilidad del proceso de extracción asistida por ultrasonido en baño, mientras que el ultrasonido basado en sonda puede ser ventajoso debido a su cavitación más intensa y puede enfocarse en regiones de tejido específicas, y se toman cuando se extraen materiales sensibles al calor, ya que la sonicación tipo sonda puede hacer que los compuestos se degraden después de una intensa cavitación durante este proceso.”
2.3. Extracción asistida por ultrasonido
Luque de Castro & Priego-Capote (2007) afirma que “la extracción asistida por ultrasonidos es una tecnología que puede acelerar la transferencia de calor y masa, y se ha aplicado al campo de extracción uno tras otro, y que cuando el ultrasonido interactúa con el material vegetal, cambia sus propiedades físicas y químicas”. Menciona además que “a través del diseño experimental, el proceso de sonicación se puede optimizar según las condiciones de operación (concentración de solvente, temperatura de extracción y tiempo de extracción)”.
Este autor menciona que “la cavitación puede conducir al microtransporte, que puede mejorar la transferencia de calor y masa, este fenómeno, crea puntos calientes que pueden acelerar significativamente las reacciones químicas en el medio y que cuando estas burbujas estallan en la superficie del material sólido, la alta presión y la alta temperatura liberadas crean microchorros dirigidos hacia la superficie sólida”. El autor referido además menciona que “otra aplicación de la microfluídica en la industria alimentaria es la extracción de compuestos vegetales, ya que permite una mayor penetración del disolvente en la planta y además puede romper las paredes celulares”.
Figura 4
Comportamiento de la cavitación en una célula vegetal
Fuente: Picó, 2013
Como se muestraen la figura , se pueden generar burbujas de cavitación (a) cerca de la superficie del material vegetal, que luego colapsan (b) durante el ciclo de compresión y generan microchorros (b y c) dirigidos hacia el sustrato de la planta. La alta presión y la alta temperatura involucradas en este proceso destruyen las paredes celulares del sustrato vegetal y su contenido puede liberarse al medio (d). Picó (2013), menciona que el ultrasonido es “una herramienta muy interesante para la extracción de componentes de productos naturales, y el ultrasonido es tan efectivo como cualquier otro proceso de extracción a alta temperatura a largo plazo ya que puede reducir mucho el tiempo de extracción”.
Chemat et al., (2017), menciona que “el ultrasonido de alta potencia puede utilizar dos tipos de equipos, un baño ultrasónico o un dispositivo de ultrasonido tipo sonda y que ambos sistemas se basan en transductores como fuentes de energía de ultrasonidos”, menciona además que “los transductores piezoeléctricos son el tipo más utilizado en casi la mayoría de los reactores ultrasónicos y que un baño ultrasónico es el tipo más común de equipo ultrasónico y generalmente consta de un tanque de acero inoxidable con uno o más transductores ultrasónicos”. Además menciona que “las sondas ultrasónicas de alta potencia suelen ser la primera opción para las aplicaciones de extracción, en comparación con un baño ultrasónico, el sistema de sonda es más potente porque la intensidad ultrasónica se transmite a través de un área de superficie más pequeña (solo la punta de la sonda).” Por lo general, operan a alrededor de 20 kHz y usan un transductor que está conectado a una sonda sumergida en el reactor, que envía ultrasonido directamente al medio de extracción perdiendo una mínima cantidad de energía de ultrasonido.
2.4. Antocianinas
Wagner (1982) menciona que “las antocianinas representan el grupo más importante de pigmentos solubles en agua detectables en la región visible del ojo humano, y que estos pigmentos son responsables del rango de color rojo a azul en varias frutas, verduras y granos y se acumulan en las vacuolas”. El referido autor también mencina que “las antocianinas tienen diferentes funciones en las plantas, como atraer polinizadores para la posterior dispersión de semillas, proteger las plantas de la radiación UV y la contaminación por virus y microorganismos; por o que el interés por los pigmentos de antocianina y su investigación científica ha aumentado en los últimos años, no solo porque dan color a los productos que los contienen, sino también por su posible papel en la reducción de enfermedades coronarias, cáncer, diabetes, sus propiedades antiinflamatorias y mejoran la inflamación. la visión y el comportamiento cognitivo”.
Cevallos-Casals y Cisneros Zeballos, (2004) “además menciona que aparte de su papel funcional como colorantes, las antocianinas son agentes potenciales para la obtención de productos de valor añadido para el consumo humano, y que a pesar de las ventajas de las antocianinas como posibles sustitutos de los colorantes artificiales, factores como su baja estabilidad y la falta de material vegetal limitan su aplicación comercial.”
2.4.1 Estructura química
La estructura de las antocianidinas químicamente son derivados del catión 2- fenilbenzopirilio, y que por ser poco soluble en el agua, es la causa que no se encuentran de manera libre , sino mas bien en su forma glicosilada; dentro de todas
Figura 5
Estructura común de la antocianidina glucosilada
Lock (1997) menciona que “las antocianinas son glicósidos de antocianidinas, pertenecientes a la familia de los flavonoides, están compuestos por dos anillos aromáticos A y B, y un anillo heterocíclico que se caracteriza por la presencia de un ión oxonio”.
De la variación estructural del anillo B van a resultar seis antocianidinas conocidas:
Figura 6
Estructura y sustituyentes de las antocianidinas
Aglicona R1 R2
Petunidina OH OCH3
Malvidina OCH3 OCH3
Perlargonidina H H
Delfinina OH OH
Cianidina OH H
Peonidina OCH3 H
El color de las antocianinas esta definido por el número y la orientación de los grupos hidroxilo y metoxi en la molécula. Un aumento en la hidroxilación produce un cambio a un tono azul, mientras que un aumento en la metoxilación produce un color rojizo Remesy (2006). En la naturaleza, las antocianinas siempre tienen sustituciones glucosídicas en las posiciones 3 y/o 5, donde los monosacáridos, disacáridos o trisacáridos aumentan su solubilidad. Entre los azúcares glicosilados, D-glucosa, D- galactosa, D-xilosa, L-ramnosa, D-arabinosa, rutosa, soforosa, sanbiosa y gentisosa.
Otro posible cambio estructural es la acilación de los residuos de azúcar de la molécula con ácidos orgánicos. El ácido orgánico puede ser alifático, como: ácido malónico, acético, málico, succínico u oxálico, o aromático: ácido p-cumárico, cafeico, ferúlico, sináptico, gálico o p-hidroxibenzoico. Se ha demostrado que el tipo de sustitución glucosídica y acilación tiene un efecto sobre el tono de la antocianina; es así como la sustitución glucosídica en la posición 5 y la acilación aromática producen un cambio a la tonalidad púrpura. (Fredders, 2009)
2.4.2 Propiedades biológicas
Estudios epidemiológicos realizados en varios países han demostrado que el consumo de frutas y verduras puede reducir la enfermedad coronaria además de reducir el riesgo de cáncer. Se ha descrito que algunos compuestos fenólicos de origen vegetal tienen actividad antioxidante en las células, reduciendo la concentración de radicales libres y, en algunos casos, logran establecer grupos quelantes con iones metálicos.
Los mecanismos involucrados en los antioxidantes establecen 21 que donan electrones o átomos de hidrógeno a los radicales libres. Los antioxidantes presentes en los alimentos pueden reducir la trombosis, activar los macrófagos e inhibir las tendencias peroxidativas. Los compuestos dignos de tales investigaciones incluyen las antocianinas, moléculas con alta capacidad antioxidante debido a la presencia de sustituyentes hidroxilo (Repo y Encina, 2008)
2.5 Radicales libres
Un radical libre es una molécula o fragmento molecular que posee uno o más electrones desapareados en el orbital externo. Pueden ser también los radicales libres aquellos iones metálicos y también el átomo de hidrogeno. Su vida es muy corta (milisegundos o tal vez menos), la gran ventaja es que los núcleos asimétricos contribuyen a la formación de radicales con una vida mas larga (Organización Panamericana de salud, 1997).
2.5.1 Producción de radicales libres de oxígeno
Se forman de manera infinita durante el metabolismo celular normal, por lo tanto que entre las fuentes endógenas de radicales de oxígeno podemos mencionar cadenas de transporte de electrones mitocondriales y microsomales, estas reacciones son catalizadas por oxidasas y oxigenasas, respuesta de autooxidación de metales, actividad fagocítica. Transporte de oxígeno en granulocitos, macrófagos, células endoteliales) y hemoglobina (Ferramola, 2006).
2.5.2 Reactividad de los radicales libres y estrés oxidativo
Ferrer, Martinez & Leroy, (2009) menciona que “la reactividad de los radicales libres es muy diferente y algunos son estables, pero la mayoría de los radicales libres biológicamente significativos son extremadamente reactivos e inestables y, por lo tanto, tienen vidas medias muy cortas, y que los radicales hidroxilo son los más reactivos de los radicales oxidativos, y debido a su corta vida media (unos microsegundos), su radio de acción efectivo en las baterías es de unos 30Aº; además menciona que los radicales libres pueden actuar como agentes oxidantes o reductores, y cuando reaccionan con compuestos, se forman otros radicales libres, es decir, se producen 22 reacciones en cadena como la peroxidación lipídica; mientras que el radical libre primario solo causa efectos localizados, los radicales libres secundarios derivados de él y los productos de degradación resultantes pueden tener efectos biológicos lejos del sitio donde se generó el primer radical libre, además cuando dos radicales libres interactúan, se puede formar una molécula estable, finalizando así la reacción en cadena”. Menciona además que “el radical superóxido (O2*) no es particularmente reactivo, pero es potencialmente tóxico, y que puede afectar directamente a la homeostasis local, por ejemplo, al oxidar las catecolaminas y, lo que es más importante, puede convertirse en radicales hidroxilo (OH*) muy peligrosos”. El H2O2 no es particularmente tóxico para las células, pero puede atravesar las membranas celulares, lo cual es importante porque los mediadores extracelulares tienen pocos mecanismos de defensa antioxidantes. En presencia de trazas de iones de metales de transición, se forman radicales hidroxilo a partir del peróxido de hidrógeno (reacción de Fenton) y la interacción entre los radicales superóxido y el H2O2 (reacción de Haber-Weiss)
2.5. Antioxidantes
Venero (2002) menciona que “los antioxidantes son sustancias que neutralizan los radicales libres o sus efectos, y que la naturaleza dota a cada célula de mecanismos de protección adecuados contra los efectos dañinos de los radicales libres: la superóxido dismutasa (SOD), la glutatión peroxidasa, la tiorredoxina, los tioles y los enlaces disulfuro son el sistema amortiguador de las células”, además menciona que “el alfa- tocoferol (vitamina E) es un nutriente esencial que actúa como un antioxidante que rompe cadenas, evitando la propagación de reacciones de radicales libres en todas las membranas celulares y el ácido ascórbico (vitamina C) también forma parte del mecanismo de protección normal. Otros antioxidantes no enzimáticos incluyen carotenoides, flavonoides y polifenoles relacionados, ácido lipoico, glutatión, etc.”
2.6.1 Niveles de la acción antioxidante
Los antioxidantes que neutralizan los radicales libres o sus efectos funcionan en diferentes etapas. Desempeñan un papel en la prevención, interceptación y reparación. Las precauciones están dirigidas a evitar la formación de radicales libres (ROS). Estos incluyen SOD, que cataliza la desproporción de O2* a H2O2, y catalasa, que lo convierte en agua. La intercepción de los radicales libres depende principalmente de la eliminación de radicales libres, y los radicales libres peroxi son los principales influyentes en esta etapa. Los efectores incluyen varios antioxidantes como las vitaminas A y E, glutatión, otros compuestos a base de tiol, carotenoides, flavonoides y más. A nivel de reparación y recombinación intervienen principalmente sistemas enzimáticos (Gutiérrez, Ledesma, García y Grajales, 2007).
una interacción entre las variables y los productos de esta interacción se reflejan en los extractos de potencial biológico obtenidos. Los efectos simultáneos de las variables se pueden analizar implementando el Método de superficie de respuesta (RSM), una herramienta matemática y estadística ampliamente utilizada para optimizar las condiciones experimentales de un proceso (Chen et al. 2015).
Entre los diferentes enfoques, el diseño de Box-Behnken es el más comúnmente reportado, seguido del diseño compuesto central y el diseño experimental cúbico. El análisis de regresión de los resultados obtenidos de la implementación de estos modelos genera ecuaciones polinómicas (utilizando los valores significativos estimados de los coeficientes de regresión) a partir de las cuales se determinan las condiciones óptimas para el proceso.
La principal ventaja de MSR es la pequeña cantidad de pruebas experimentales requeridas para evaluar los efectos de múltiples parámetros y sus interacciones (Aybastıer et al., 2013), y es por esta razón que en el proceso de obtención de sustancias biológicamente activas a través de EAU, esta herramienta se utiliza para maximizar el rendimiento de extracción y la actividad biológica del extracto.
III. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Lugar de ejecución
El trabajo se realizó en la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias, en el Centro de Investigación de productos Naturales de la ubicada en la estación experimental el Mantaro de la Universidad Nacional del centro del Perú
3.2. Tipo de investigación
Explicativa (Hernández - Sampieri et al, 2014).
3.3. Nivel de investigación Experimental (Arias, 2006) 3.4. Materiales
3.4.1 Materia prima
Las flores rojas de mastuerzo (Tropaeolum majus L.) fueron recolectadas de la Estación Experimental El Mantaro, ubicada en el Distrito de El Mantaro, provincia de Jauja, Junín.
3.4.2 Equipos e instrumentos para el análisis
• Procesador ultrasónico UP100H, Marca: Hielscher
• Balanza analítica AR3130, Marca: Ohaus
• Vortex : Velp scientifica
• Potenciómetro: marca H.W.Kassel S.A.C.
• Estufa: marca: Memmert
3.4.3 Materiales
Micro pipetas varias
Pipetas graduadas varias
Gradillas
Tubos de ensayo
Vasos de precipitación varias medidas
Pizetas
Espátulas
Papel Whatman N° 40
3.4.5 Reactivos
Agua destilada
2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) (ALDRICH)
Ácido fosfórico p.a
Etanol 96 %
Acido 6-hidroxi-2,5,7,8- tetramethychroman-2- arboxílico (TROLOX)
Tampón Cloruro de potasio 0,025 M, pH 1
Tampón Acetato de sodio 0,4 M, pH 4,5
Nitrógeno gaseoso
3.5. Métodos
3.5.1 Optimización de la extracción por ultrasonido asistido
La extracción se realizó con etanol acidificado con ácido fosfórico (1%) asistido por ultrasonido utilizando un sonicador UP 100 H marca Hielsher de procedencia alemana con sonda a una frecuencia de 35 KHz y una potencia de 100 W.
Los pétalos de flores se secaron por liofilización, luego fueron sometidos a una molienda.
Se tomará 5 g de pétalos de flores secas y molidas y se diluirá en etanol acidificado con ácido fosfórico al 1%. se tomarán los tiempos y temperatura propuesto en el diseño para determinar el contenido de antocianinas.
Para la extracción se utilizó la optimización del proceso por ultrasonido asistido se tomó en cuenta tres variables, X1: Temperatura de extracción (40 - 80 °C), X2:
Tiempo de extracción (5 – 75 min) X3: Concentración de solvente (5 – 75%), como se muestra en la Tabla 1. Se utilizó el (DCC) diseño compuesto central ortogonal de 4 puntos centrales. Se aplicaron para la extracción los tratamientos propuestos por el programa Desing Expert 11.
Tabla 1
Variables y niveles de estudio
Los tratamientos se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2
Tratamientos realizados
Corrida Tiempo (min) Temperatura (°C)
Etanol-Agua (concentración %)
1 40 60 40
2 40 60 75
3 5 40 75
4 75 40 75
5 40 60 40
6 40 60 5
7 75 60 40
8 40 60 40
9 5 80 5
10 40 80 40
11 40 60 40
12 5 60 40
13 75 40 5
14 40 40 40
15 75 80 75
16 75 80 5
17 5 40 5
18 5 80 75
Variables independientes
Nivel de las variables
-1 0 + 1
X1: Temperatura de extracción 40 60 80
X2: Tiempo de extracción 5 40 75
X3: Concentración de solvente 5 40 75
3.6. Análisis
3.6.1 Determinación de antocianinas monoméricas
Se utilizó la metodología descrita por Giusti y Wrolstad (2001), para determinar la cantidad de antocianinas monoméricas totales (AT) utilizando el pH diferencial, para su cuantificación.
3.6.2 Determinación capacidad antioxidante
La capacidad antioxidante de los extractos se determinó con el método DPPH•
propuesto por Brand-Williams et al. (1995) reportado por Kim et al. (2002), el cual se detalla a continuación:
3.7. Análisis estadístico
La metodología de superficie de respuesta que aplicara un sistema factorial de 2n se utilizara para determinar la influencia de las tres variables independientes que influirán en el proceso de extracción de antocianinas de flores de mastuerzo. Estas variables independientes son:
𝑋1:Temperatura de extracción 𝑋2:Tiempo de extracción X3: Concentración de etanol
Las variables de respuesta serán:
R: Rendimiento de antocianina
La relación entre las variables independientes y las variables respuesta se
Donde:
𝑌: Variables respuesta.
𝛽0: Constante.
𝛽𝑗: Coeficiente lineal.
𝛽𝑗𝑗: Coeficiente cuadrado
𝛽𝑖𝑗: Coeficiente del producto cruzado.
𝑘: Numero de los factores.
IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. Determinación de humedad y color de pétalos de flores de mastuerzo color rojo
Se determinó la humedad y color de los pétalos de flores rojas de mastuerzo que se muestra en las tablas 3 y 4.
Tabla 3
Humedad de pétalos de flores rojas de mastuerzo liofilizada
Tabla 4
Valores de color L, a y b de pétalos de flores de mastuerzo
Pétalos de flores rojas de mastuerzo
R1 R2 R3 Promedio
L 12,68 12,16 12,97 12,60±0,33
A 32,25 33,05 32,56 32,60±0,32
B 6,28 6,39 6,96 6,42±0,130
La humedad de los pétalos de flores rojas liofilizadas fue de 5,30±0,09. La humedad de las materias primas en los procesos de extracción por cualquiera que sea la tecnología a utilizar es de vital importancia pues es una variable a partir del cual se determina el rendimiento de las extracciones.
Fue de importancia determinar la humedad pues, Azuola y Vargas (2007) mencionan que los principales factores que pueden afectar el fenómeno de cavitación durante la extracción por ultrasonido depende del solvente y de sus propiedades físicas,
Pétalos de flores rojas de mastuerzo
R1 R2 R3 Promedio
Humedad 5,22 5,41 5,28 5,30±0,09
la frecuencia, temperatura, potencia del ultrasonido, presión hidrostática, tensión superficial y la potencia de irradiación, así como las propiedades nativas de los materiales orgánicos, como la humedad, el grado de molienda, el tamaño de partículas y el tipo de disolvente, es importante tener en cuenta para lograr una extracción de calidad a través de esta tecnología.
Del mismo modo al realizar el secado de los pétalos de flores rojas de mastuerzo por liofilización nos permitió tener disponibilidad de materia prima para el trabajo sin alterar sus condiciones de conservabilidad.
El color atributo subjetivo que, al expresarlo en valores de L, a y b pasan a ser objetivos, más aún si en el caso de las flores de mastuerzo lo encontramos en diferentes matices de rojo, anaranjado y amarillo; los valores de L = 12,60±0,33, a = 32,60±0,32 y b = 6,42±0,130 nos indican un color rojo con un tenue color amarillo.
La predominancia de color rojo indica la presencia de antocianinas.
4.2. Granulometria de pétalos de flores rojas molidas
La granulometría de las materias a tratar es muy importante para la extracción en este caso de las antocianinas para su extracción. Parámetro del cual dependerá el rendimiento y se detalla en la tabla 5.
Tabla 5
Determinación del módulo de finura de flores rojas de mastuerzo secadas por liofilización y molidas
Módulo de finura 3,66
3,66 fue el valor obtendo para el módulo de finura, siendo este valor menor a 4 y se encuentra en la clasificado como tamaño de grano medio, y se encuentra normado por INDECOPI, y tomado como referencia lo reportado por Espinoza y Quispe (2017)
El tamaño de las partículas en un proceso de extracción es de suma importancia ya que la forma en que el soluto está contenido en el sólido inerte puede encontrarse de diversas formas. Se puede dar el caso de que el sólido disperso en el material insoluble o que se encuentre recubriendo su superficie. O que el líquido esté adherido o retenido en el sólido, o también puede que esté contenido en su estructura molecular (Ibarz y Barbosa – Cánovas, 2005). Puede ocurrir que las antocianinas se encuentran localizadas en las vacuolas de las células de frutas, vegetales o cereales (Leguizamón et al., 2005).
Ahluwalia (2013), “enfatiza que el rendimiento de extracción aumenta cuando el tamaño de partícula disminuye, debido a que la molienda antes de la extracción no sólo incrementa el área interfacial, sino que también libera solutos destruyendo las estructuras internas de las partículas, por lo que se obtiene una tasa de extracción más alta”.
TAMIZ
ABERTURA DE MALLA
(mm)
MATERIAL
RETENIDO FACTOR SUB
TOTAL
30 0,595 42,3
5 211,5
50 0,297 17
4 68
70 0,210 22
3 66
80 0,177 6,8
2 13,6
100 0,149 7,1
1 7,1
PLATO 4,8
0 0
100 366,2
Con frecuencia los compuestos bioactivos en este caso las antocianinas (compuestos de interés) se pueden encontrar dentro de la célula, o en la pared celular, en el citoplasma o también en los organelos, por lo que lograr su extracción de con solventes no es fácil y también la eficiencia es mucho menor, sin embargo con la utilización de la tecnología de ultrasonido se puede superar estas dificultades debido a la acción del ultrasonido rompe los poros en la pared celular y porque minimiza el tamaño de los solutos, el uso de ultrasonido implica fenómenos físicos como la difusión a través de la pared celular y el lavado del contenido de la célula después de romper las paredes.
Azuola y Vargas (2007) mencionan que “en la industria de los alimentos se realizan las extracciones sobre materiales bien sean líquidos o solidos las cuales vibran por la acción de la onda ultrasónica, como resultado se logra que el soluto de interés, pase de la fase solida al solvente, de esta manera se favorece entonces la difusión del soluto hacia el solvente al existir una mayor área de contacto y porque se favorecen los gradientes de transferencia de masa por los fenómenos de cavitación ultrasónica”, y es donde radica la importancia de la molienda en este trabajo.
4.3. Estudio de la extracción de antocianinas por ultrasonido
El resultado de las corridas realizadas para los 18 tratamientos se muestra en la tabla 6.
Tabla 6
Contenido de antocianinas en los tratamientos realizados para la extracción asistida por ultrasonido
Corrida Tiempo (min)
Temperatura (°C)
Etanol- Agua
(%)
ANTOCIANINAS mg de cianidina 3-
glucosido/L
1 40 60 40 140,27
2 40 60 75 150,29
3 5 40 75 180,35
4 75 40 75 185,36
5 40 60 40 140,27
6 40 60 5 130,25
7 75 60 40 135,26
8 40 60 40 140,27
9 5 80 5 120,23
10 40 80 40 125,24
11 40 60 40 140,27
12 5 60 40 135,26
13 75 40 5 150,29
14 40 40 40 175,34
15 75 80 75 110,21
16 75 80 5 110,21
17 5 40 5 140,27
18 5 80 75 110,21
En las figuras 5, 6 y 7 se muestran los valores de corridas experimentales de las variables estudiadas respecto al rendimiento en el contenido de antocianinas en la extracción de antocianinas asistida por ultrasonido.
Figura 7
Gráfico de las corridas experimentales del tiempo respecto al contenido de antocianinas de flores rojas de mastuerzo.
De la figura 7 se observa que a un tiempo de 75 min se obtiene una mayor cantidad de antocianinas de 185.358 mg de Cianidina 3-glucosido/L. Por otro lado, se puede observar que mientras transcurre el tiempo existe aumento y disminución en la cantidad de antocianinas, esto puede ser debido al efecto de las variables temperatura y concentración de etanol.
Design-Expert® Softw are Correlation: 0.017 Color points by Run
18 1
A:Tiempo
Antocianinas
2 2 4
4 4 4
5.00 22.50 40.00 57.50 75.00
110.213 128.999 147.785 166.571 185.358
Figura 8
Gráfico de las corridas experimentales de la temperatura respecto al contenido de antocianinas de flores de mastuerzo rojas
De la figura 8. Se observa que a una temperatura de 40 °C se encontró una mayor cantidad de antocianinas de 185.36 mg de Cianidina 3-glucosido/L y a medida que incrementa la temperatura se nota una reducción en la cantidad de antocianinas.
Similar efecto es advertido por Howard, Brownmiller y Prior, (2012), quienes mencionan que las temperaturas de extracción más altas provocan la degradación de las antocianinas.
Design-Expert® Softw are Correlation: -0.873 Color points by Run
18 1
B:Temperatura
Antocianinas
3 3 3 2
2 4 4 4 4
40.00 50.00 60.00 70.00 80.00
110.213 128.999 147.785 166.571 185.358
Figura 9
Gráfico de las corridas experimentales del porcentaje de etanol respecto al contenido de antocianinas de flores de mastuerzo rojas
De la figura 9 se observa que a una concentración de etanol de 75 % se obtiene una mayor cantidad de antocianina de 185.36 mg de Cianidina 3-glucosido/L.
Los valores de correlación arrojado por el software, muestra que la correlación es de 0.017, -0.83 y 0,291, para la relación tiempo- contenido de antocianinas, temperatura- contenido de antocianinas y etanol – contenido de antocianinas respectivamente. Estos valores de correlación nos muestran que existe baja correlación con el tiempo, negativa para la temperatura e incrementándose para la concentración de etanol.
Estos resultados están respaldados por Garzón (2008) quien manifiesta que
“incrementos de temperatura dan como resultado la pérdida del azúcar glicosilante en
Design-Expert® Softw are Correlation: 0.291 Color points by Run
18 1
C:Etanol %
Antocianinas
2 2 2
2 4 4 4 4
5.00 22.50 40.00 57.50 75.00
110.213 128.999 147.785 166.571 185.358
Del mismo modo la concentración de etanol juega un papel muy importante para la lixiviación, y de la concentración dependerá la polaridad para la extracción.
Para determinar el modelo adecuado para la optimización de los parámetros en el caso del rendimiento se hace un análisis del diseño central compuesto para el rendimiento con el valor del coeficiente de determinación.
Tabla 7
Análisis de los diseños central compuesto (DCC) – superficie respuesta – para el contenido de antocianinas extraídas de flores rojas de mastuerzo asistido por ultrasonido
El elevado valor del coeficiente de determinación (R2) del modelo seleccionado para predecir el rendimiento expresado en contenido de antocianinas es el cuadráticos con un valor de 0,9938, que es el más cercano a 1.
Modelos de análisis de DCC
Lineal Cuadrático Cúbico Promedio
R2 0,8479 0,9938 0,9905 0,00
Falta de ajuste 118,28 10,64 18,32 0,00
FUENTE SUMA DE
CUADRADOS df CUADRADO
MEDIO VALOR F VALOR-P
Prob > F
Modelo 8503.39 9 944.82 142.05 < 0.0001 Signif.
A-Tiempo 2.51 1 2.51 0.38 0.5561
B-Temperatura 6527.66 1 6527.66 981.4 < 0.0001
C-Etanol % 725.3 1 725.3 109.04 < 0.0001
AB 78.43 1 78.43 11.79 0.0089
AC 3.14 1 3.14 0.47 0.5116
BC 906.62 1 906.62 136.31 < 0.0001
A^2 157.91 1 157.91 23.74 0.0012
B^2 148.19 1 148.19 22.28 0.0015
C^2 18.66 1 18.66 2.81 0.1325
Residual 53.21 8 6.65
Tabla 8
Análisis de varianza del rendimiento en contenido de antocianinas de flores rojas, extracción asistida por ultrasonido, teniendo como variables tiempo, temperatura y concentración de etanol.
Se observa en el análisis de varianza que el modelo cuadrático es significativo con un valor de p menor a 0,0001.
De igual modo una falta de ajuste de 10,64 por lo que no es significativo, corroborándose el uso de este modelo para la optimización de la extracción de antocianinas de flores rojas de mastuerzo asistido por ultrasonido.
El modelo seleccionado para la optimización del rendimiento en función al tiempo, temperatura y concentración de etanol en porcentaje otorgado por el software Design Expert es el siguiente:
Antocianinas = 214.66781+0.76077 * Tiempo -2.70880 * Temperatura +1.30672 * Etanol % -4.47292E-003 * Tiempo * Temperatura +5.11190E-004 * Tiempo * Etanol % -0.015208 * Temperatura * Etanol % -6.23165E-003 * Tiempo2 +0.018488
* Temperatura2 -2.14213E-003 * Etanol %2
El programa arroja los coeficientes de determinación del siguiente modo:
R2 = 0,9938
R2 predicho = 0,9074
El coeficiente de determinación, es la proporción de la varianza total de la variable respuesta por la regresión. El R cuadrado llamado coeficiente de determinación, refleja el ajuste de un modelo a la variable respuesta.
Falta de ajuste 53.21 5 10.64
Error puro 0 3 0
Cor Total 8556.6 17
Figura 10
Gráfico de superficie respuesta del contenido de antocianinas respecto al tiempo y temperatura en la extracción asistida por ultrasonido
De la figura 10 se observa que para una concentración de etanol constante de 40 %, cuanto más se acerca la temperatura a 40 °C y cuando el tiempo se aproxima a 75 min se tiene mayor cantidad de antocianinas.
Figura 11
Gráfico de superficie respuesta del contenido de antocianinas respecto al tiempo y % de etanol en la extracción asistida por ultrasonido
Design-Expert® Sof tw are Antocianinas
185.358 110.213 X1 = A: Tiempo X2 = B: Temperatura Actual Factor C: Etanol % = 40.00
5.00 22.50
40.00 57.50
75.00
40.00 50.00
60.00 70.00
80.00 113 128.75 144.5 160.25 176
Antocianinas
A: Tiempo B: Temperatura
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185.358 110.213 X1 = A: Tiempo X2 = C: Etanol % Actual Factor
B: Temperatura = 60.00
129.25 136.5 143.75 151
tocianinas
De la figura 11 se tiene que para una temperatura constante de 60 °C, cuando el tiempo se prolonga se observa una caida en la cantidad de antocianina, mientras que para un aumento de concentración de etanol se observa un aumento en la cantidad de antocianina.
Figura 12
Gráfico de superficie respuesta del contenido de antocianinas respecto al % de etanol y temperatura en la extracción asistida por ultrasonido
De la figura 12 se observa que para un tiempo constante de 40 min, cuando la temperatura y concentracion de etanol se aproxima mas a 40 °C y 75 % respectivamente se nota un incremento en la cantidad de antocianinas.
Se puede aprecia la curvatura resaltada de color rojo, es la región óptima.
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185.358 110.213
X1 = B: Temperatura X2 = C: Etanol % Actual Factor A: Tiempo = 40.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
5.00 22.50 40.00 57.50 75.00
118 136.5 155 173.5 192
Antocianinas
B: Temperatura C: Etanol %
Figura 13
Gráfico de contornos del contenido de antocianinas respecto al tiempo y temperatura en la extracción asistida por ultrasonido
De la figura 13 se observa que cuando la concentración de etanol se mantiene constante y la temperatura se incrementa en el tiempo, la cantidad de antocianina disminuye.
Figura 14
Gráfico de contornos del contenido de antocianinas respecto al tiempo y % de etanol en la extracción asistida por ultrasonido.
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185.358 110.213 X1 = A: Tiempo X2 = B: Temperatura Actual Factor C: Etanol % = 69.32
5.00 22.50 40.00 57.50 75.00
40.00 50.00 60.00 70.00
80.00 Antocianinas
A: Tiem po
B: Temperatura
123.27
136.476
149.682
162.887
176.093 Prediction 185.85
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185.358 110.213 X1 = A: Tiempo X2 = C: Etanol % Actual Factor B: Temperatura = 40.69
22.50 40.00 57.50
75.00 Antocianinas
C: Etanol %
165.532 173.645
181.759 Prediction 185.85
De la figura 14 se observa que teniendo una temperatura constante de 40.69 °C, la cantidad de antocianinas aumenta cuando la concentración de etanol se aproxima a 75%, mientras que el tiempo en el intervalo de 5 a 75 min tiene poca influencia en la cantidad de antocianinas.
Figura 15
Gráfico de contornos del contenido de antocianinas respecto al % de etanol y temperatura en la extracción asistida por ultrasonido
De la figura 15 se observa que a un tiempo constante de 32.62 min, la cantidad de antocianinas aumenta cuando la concentración de etanol se aproxima a 75%, y cuando la temperatura incrementa se ve que disminuye la cantidad de antocianinas.
Para la optimización del punto con más contenido de antocianinas es de un tiempo 75 minutos, 40 °C de temperatura y 75 % de etanol.
Trabajos similares se han realizado para la extracción de antocianinas de diferentes materias primas, Aslihan et al. (2015) mostro resultados similares a los encontrados en el presente trabajo, pero por un tiempo más prolongado de 75 minutos y concentración de etanol más bajo de 42,39%, las diferencias pueden radicar en la
Design-Expert® Sof tw are Antocianinas
185.358 110.213 X1 = B: Temperatura X2 = C: Etanol % Actual Factor A: Tiempo = 32.62
40.00 50.00 60.00 70.00 80.00
5.00 22.50 40.00 57.50
75.00 Antocianinas
B: Temperatura
C: Etanol %
130.604 142.449
154.294 166.139 177.984
Prediction 185.85
diferente estructura de las materias primas y sobre todo la granulometría que influye en la cavitación para la extracción en este caso de las antocianinas. Del mismo modo Prakash et al. (2013), al extraer compuestos bioactivos de la cáscara de Nephelium Lappaceum L. obtuvieron valores similares. De igual modo Bonat, Ghanem y Su-Ling (2015) optimizaron los parámetros de extracción de Lonicera caerulea L., 80% de etanol, temperatura de 35°C y 20 minutos de extracción.
Así mismo Damitrascu, Enachi, Stanciuc, Aprodu (2019), al optimizar la extracción asistida por ultrasonido de compuestos fenólicos de cerezas mostraron parámetros de extracción de 40 minutos, 30 °C y concentración de etanol de 80%, valores muy similares encontrados en el presente trabajo.
Si comparamos con métodos de extracción tradicionales por inmersión por ejemplo los tiempos de extracción son mucho más prolongados de aproximadamente 24 horas, como lo encontró Zapata, Heredia, Quinteros, Malleret, Clemente, y Cárcel (2011) comparado a minutos optimizados en el presente trabajo.
4.4. Caracterización del extracto
Se determinó las características del extracto final que se muestran en la tabla 9.
Tabla 9
Características del extracto obtenido
Análisis Resultado
Actividad antioxidante (%) 68,25
pH 2,8
Sólidos solubles (°Brix) 3,5
extracción se tuvo que acidificar el medio y 3,5 % de sólidos solubles. Resultados similares obtuvo Zapata et al. (2014).
V. CONCLUSIONES
La humedad inicial de los pétalos de flores de mastuerzo fue de 5,30%, y valores de L de 12,60, valor de a de 32,60, valor de b de 6,42.
El tamaño de partícula para la extracción fue de tamaño mediano, lo cual favoreció para una mejor extracción de las antocianinas.
Los parámetros optimizados para la extracción de antocianinas de pétalos rojos de mastuerzo fue de tiempo 75 minutos, 40 °C de temperatura y 75 % de concentración de etanol.
La temperatura para la extracción de antocianinas de flores rojas de mastuerzo actúa mejor a 40 °C y temperaturas mayores provoca la inestabilidad de las antocianinas.
El extracto final tuvo una capacidad antioxidante de 68,25, pH de 2,8 Y sólidos solubles de 3,5%.
