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Departamento de Ingeniería Química
EXTRACCIÓN Y PURIFICACIÓN DE COMPUESTOS FENÓLICOS A
PARTIR DE SUBPRODUCTOS DE DESTILERÍA DE VINO
Mª Luisa Soto Álvarez
Ourense, 2015
TESIS DOCTORAL
PRESENTADA POR:
EXTRACCIÓN Y PURIFICACIÓN DE COMPUESTOS
FENÓLICOS A PARTIR DE SUBPRODUCTOS DE
DESTILERÍA DE VINO
Mª Luisa Soto Álvarez
Junio de 2015
para optar al grado de Doctor por la
Universidad de Vigo
. . , . . . , . universidad,Vigo Caiill,iis de Ourense Tel. 988 38 700 .. . , .~.
32004 Oiirciisc Fax 988 387 001 .. . . 5~ Espafia fcoii.iivigo.es
sdefco@uvi~o.es
Da Herminia Domínguez González, Catedrática de Universidad, y D. Andrés Moure Varela, Profesor
Contratado Doctor, del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Vigo, con destino
en la Facultad de Ciencias de Ourense y Da. María José Núñez García, Catedrática de Universidad
del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Santiago de Compostela,
INFORMAN:
Que la memoria titulada "Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de
subproductos de destilería de vino" que, para optar al grado de Doctor por la Universidade de Vigo,
presenta Da. María Luisa Soto Álvarez, ha sido realizada en el laboratorio de Ingeniería Química de
la Facultad de Ciencias de Ourense bajo nuestra dirección, y considerando que constituye trabajo de
Tesis Doctoral, autorizamos su presentación en la Universidade de Vigo.
Ourense, Junio de 2015.
Fdo. H ez González Fdo. Andrés Moure Varela Fdo. M
AGRADECIMIENTOS
Todo toca a su fin y después de todos estos años, deseo expresar mi más sincero
agradecimiento:
A Herminia, por su amistad incondicional y por creer siempre en
mí, que sin su constancia y perseverancia nunca me hubiera
puesto a empezar ni a terminar.
A Andrés, el amigo, artífice de gran parte de este documento, por
su gran trabajo y por soportarme todo este tiempo.
A Elena, la amiga, que con su forma de ser y de hacer, y su
constante apoyo en esta última etapa, siempre hizo que viera la
botella medio llena.
A los tres, por sus valías profesionales ¡qué son incuestionables!
y de las cuales tengo el gran placer de disfrutar.
A las chicas/os del laboratorio, por un trabajo bien hecho y a todo
el grupo EQ2 por lo bien que siempre me trataron.
A todos mis amigos y compañeros.
Y por supuesto a mi familia, sobre todo a mis padres, sin los
cuales “esto” nunca podría haber sido.
¡Muchas GRACIAS!
Índice
Indice general
IX
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1
1.1. RESIDUOS DE LA INDUSTRIA VINÍCOLA .......................................................... 3
1.1.1. Residuos agroindustriales ................................................................................... 3
1.1.2. Residuos de la industria vinícola ......................................................................... 5
1.1.2.1. Bagazo y residuos prensados...................................................................... 7
1.1.2.2. Raspones de uva......................................................................................... 8
1.1.2.3. Hojas de vid ................................................................................................. 9
1.1.2.4. Lías de vinificación ...................................................................................... 9
1.2. COMPUESTOS FENÓLICOS COMO ANTIOXIDANTES NATURALES ............... 9
1.2.1. Generalidades..................................................................................................... 9
1.2.2. Compuestos fenólicos de la uva y subproductos ............................................... 13
1.2.2.1. Ácidos fenólicos ........................................................................................ 14
1.2.2.2. Flavonoides ............................................................................................... 15
1.2.3. Actividad biológica de los compuestos polifenólicos de las uvas ....................... 18
1.3. EXTRACCIÓN Y RECUPERACIÓN DE ANTIOXIDANTES NATURALES .......... 20
1.3.1. Extracción con disolventes líquidos ................................................................... 20
1.3.2. Autohidrólisis .................................................................................................... 21
1.3.2.1. Tratamiento hidrolítico de los materiales lignocelulósicos .......................... 21
1.3.2.2. Fundamento de los procesos de autohidrólisis .......................................... 23
1.3.3. Adsorción ......................................................................................................... 24
1.3.3.1. Mecanismo general de la adsorción .......................................................... 26
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
X
1.3.3.2. Factores que influyen en la adsorción ........................................................ 27
1.4. INTERÉS DE LOS ANTIOXIDANTES NATURALES DE UVA Y VINO EN
COSMÉTICA ....................................................................................................... 31
2. OBJETIVOS Y PLAN DE TRABAJO ........................................................... 39
2.1. OBJETIVOS .............................................................................................. 39
2.2. PLAN DE TRABAJO ................................................................................. 40
2.2.1. Producción de lotes homogéneos ...................................................................... 40
2.2.1.1. Producción de lotes de licores de prensado de bagazos de alcoholera...... 40
2.2.1.2. Producción de lotes de licores de autohidrólisis del bagazo destilado ........ 41
2.2.2. Selección de adsorbentes comerciales .............................................................. 41
2.2.2.1. Selección de carbones activos comerciales ............................................... 41
2.2.2.2. Selección de resinas poliméricas no iónicas comerciales........................... 41
2.2.2.3. Evaluación de las condiciones de operación con los adsorbentes
seleccionados ........................................................................................... 42
2.2.3. Evaluación de las propiedades antioxidantes y sensoriales de los extractos ..... 42
2.2.3.1. Determinación de la protección de productos cosméticos frente a la
oxidación ................................................................................................... 42
2.2.3.2. Evaluación sensorial y aceptación por parte de los consumidores de
productos cosméticos................................................................................ 42
3. MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................ 45
3.1. MATERIALES ...................................................................................................... 45
3.1.1. Materias primas empleadas ............................................................................... 45
3.1.1.1. Bagazos de destilería ................................................................................. 45
Indice general
XI
3.1.1.2. Astillas de madera de Pinus pinaster ......................................................... 45
3.1.1.3. Flores de Acacia dealbata ......................................................................... 45
3.1.1.4. Shiitake (Lentinus edodes) ........................................................................ 45
3.1.2. Licores y extractos ............................................................................................ 46
3.1.2.1. Licores ....................................................................................................... 46
3.1.2.2. Extractos ................................................................................................... 46
3.1.3. Adsorbentes ...................................................................................................... 48
3.1.3.1. Carbón activo ............................................................................................ 48
3.1.3.2. Resinas poliméricas no iónicas .................................................................. 48
3.1.4. Formulación de cosméticos............................................................................... 49
3.1.4.1. Cosméticos para evaluación de la estabilidad oxidativa ............................ 49
3.1.4.2. Cosméticos para la evaluación sensorial ................................................... 51
3.2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ..................................................................... 53
3.2.1. Prensado y lavado de los bagazos .................................................................... 53
3.2.2. Solubilización y recuperación de compuestos fenólicos .................................... 53
3.2.2.1. Tratamiento hidrotérmico no isotermo (Autohidrólisis) ............................... 53
3.2.2.2. Proceso de adsorción en resinas y carbones activos ................................ 55
3.2.2.3. Desorción .................................................................................................. 61
3.3. TÉCNICAS ANALÍTICAS .................................................................................... 63
3.3.1. Determinación de humedad .............................................................................. 63
3.3.2. Contenido en sólidos o peso seco..................................................................... 63
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
XII
3.3.3. Determinación del rendimiento de extracción en Soxhlet ................................... 64
3.3.4. Determinación del contenido en cenizas ........................................................... 64
3.3.5. Determinación de compuestos fenólicos. Método de Folin-Ciocalteu ................ 65
3.3.6. Determinación de los azúcares totales. Método de la Antrona. .......................... 66
3.3.7. Determinación de polifenoles mediante Cromatografía Líquida de Alta
Eficacia (CLAE, HPLC) ...................................................................................... 67
3.3.8. Determinación de volátiles mediante Cromatografía de Gases-MS ................... 68
3.3.9. Grado de polimerización de procianidinas ......................................................... 68
3.3.10. Determinación de actividad antioxidante.......................................................... 69
3.3.10.1. Captación del radical DFPH ..................................................................... 69
3.3.10.2. Determinación de la actividad antioxidante, TEAC (Trolox Equivalent
Antioxidant Capacity, Actividad Antioxidante Equivalente a Trolox) ........ 70
3.3.10.3. Poder antioxidante de reducción del hierro o FRAP (Ferric
Reducing Antioxidant Power) .................................................................. 71
3.3.10.4. Poder reductor ......................................................................................... 72
3.3.11. Protección frente a la oxidación ....................................................................... 73
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................. 77
I. RECUPERACIÓN Y CONCENTRACIÓN DE ANTIOXIDANTES DE
RESIDUOS DE LA INDUSTRIA VINÍCOLA ....................................................... 77
4.1. EMPLEO DE CARBÓN ACTIVO ..................................................................... 77
4.1.1. Resumen ...................................................................................................... 77
4.1.2. Introducción .................................................................................................. 77
4.1.3. Materiales y métodos .................................................................................... 79
Indice general
XIII
4.1.3.1. Materiales ........................................................................................... 79
4.1.3.2. Absorción ........................................................................................... 80
4.1.3.3. Experimentos en columna .................................................................. 81
4.1.3.4. Métodos de análisis ............................................................................ 81
4.1.4. Resultados y discusión ................................................................................. 82
4.1.4.1. Cinética de adsorción de LPBD .......................................................... 82
4.1.4.2. Isotermas de equilibrio del proceso de adsorción ............................... 86
4.1.4.3. Experimentos de adsorción-desorción en columna ............................. 93
4.1.5. Conclusiones. ............................................................................................... 96
4.2. EMPLEO DE RESINAS POLIMÉRICAS NO IÓNICAS. ....................................... 97
4.2.1. Introducción .................................................................................................. 97
4.2.2. Selección de resinas y operación en discontinuo ......................................... 99
4.2.2.1. Resumen ............................................................................................ 99
4.2.2.2. Objetivos .......................................................................................... 100
4.2.2.3. Materiales y métodos ........................................................................ 101
4.2.2.3.1. Materiales ............................................................................... 101
4.2.2.3.2. Métodos analíticos .................................................................. 101
4.2.2.4. Resultados y discusión ..................................................................... 102
4.2.2.4.1. Adsorción de antioxidantes en resinas poliméricas
no iónicas ............................................................................... 102
4.2.2.4.2. Optimización del proceso de desorción de antioxidantes ........ 107
4.2.2.4.3. Composición fenólica y grado de polimerización ..................... 115
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
XIV
4.2.2.4.4. Conclusiones ........................................................................... 117
4.2.3. Estudios dinámicos en columnas de lecho fijo ............................................ 118
4.2.3.1. Adsorción en columnas de lecho fijo ................................................. 118
4.2.3.1.1. Resumen ............................................................................ 118
4.2.3.1.2. Objetivos ............................................................................. 118
4.2.3.1.3. Materiales y métodos .......................................................... 119
4.2.3.1.3.1. Materiales ................................................................. 119
4.2.3.1.3.2. Metodología experimental ......................................... 119
4.2.3.1.4. Resultados y discusión ....................................................... 121
4.2.3.1.5. Conclusiones ...................................................................... 138
4.2.3.2. Desorción en columnas de lecho fijo ............................................ 139
4.2.3.2.1. Resumen ............................................................................ 139
4.2.3.2.2. Objetivos ............................................................................. 139
4.2.3.2.3. Materiales y métodos .......................................................... 139
4.2.3.2.3.1. Materiales ................................................................. 139
4.2.3.2.3.2. Métodos analíticos .................................................... 140
4.2.3.2.4. Resultados y discusión ....................................................... 142
4.2.3.2.5. Conclusiones ...................................................................... 154
II. APLICACIONES COSMÉTICAS ........................................................................... 155
4.3. PROTECCIÓN DE LA OXIDACIÓN ACELERADA EN COSMÉTICOS ............. 155
4.3.1. Resumen .................................................................................................... 155
Indice general
XV
4.3.2. Introducción ................................................................................................ 155
4.3.3. Materiales y métodos ................................................................................. 156
4.3.4. Resultados y discusión ............................................................................... 157
4.3.4.1. Ensayos químicos para determinación in vitro de
actividad antioxidante .................................................................. 158
4.3.4.2. Actividad antioxidante en sistemas celulares ............................... 158
4.3.4.3. Pruebas de irritabilidad dérmica ................................................... 159
4.3.4.4. Actividad antioxidante en emulsiones y aceites ............................ 160
4.3.5. Conclusiones .................................................................................................. 167
4.4. EVALUACIÓN SENSORIAL DE COSMÉTICOS ............................................... 169
4.4.1. Resumen ...................................................................................................... 169
4.4.2. Introducción .................................................................................................. 169
4.4.3. Materiales y métodos .................................................................................... 171
4.4.4. Resultados y discusión ................................................................................. 173
4.4.4.1. Propiedades químicas, físicas y antioxidantesde los extractos .............. 173
4.4.4.2. Evaluación sensorial ............................................................................. 174
4.4.5. Conclusiones ................................................................................................ 183
5. CONCLUSIONES ...................................................................................... 187
6. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 191
APÉNDICE ..................................................................................................... 219
Indice figuras
XVII
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1.1. Estructuras de ácidos fenólicos ............................................................................. 14
FIGURA 1.2. Estructuras principales de los flavonoides ............................................................ 15
FIGURA 1.3. Estructura química de los estilbenos ..................................................................... 17
FIGURA 1.4. Diagrama de flujo de un proceso de fraccionamiento de MLC ............................. 22
FIGURA 2.1. Esquema general del plan de trabajo establecido en esta tesis. .......................... 40
FIGURA 3.1. Reactor a presión (Parr Instrument Co., Moline, IL). ............................................ 54
FIGURA 3.2. Perfil de calentamiento y enfriamiento del reactor a presión Parr ........................ 55
FIGURA 3.3. Equipo (Biologic DuoFlowTM
) empleado en sistemas dinámicos de
adsorción-desorción, formado por la estación de bombeo, el detector
Quadtec y el colector Biofrac controlados por el software Biologic Duo de
Bio Rad y detalle de la columna rellena con carbón activo. ................................... 58
FIGURA 3.4. Diseño de Box-Behnken para tres factores. ......................................................... 61
FIGURA 3.5. Recta de calibrado para la determinación de fenoles totales por el método
de Folin Ciocalteau ................................................................................................. 65
FIGURA 3.6. Recta de calibrado para la determinación de azúcares por el método de la
Antrona ................................................................................................................... 66
FIGURA 3.7. Cálculo de la CE50 a partir de los valores del Porcentaje de Inhibición del
radical DPPH para diferentes concentraciones de extracto líquido de lavado
disuelto en metanol. ................................................................................................ 70
FIGURA 3.8. Recta de calibrado para la captación del radical ABTS, expresada como
valor de TEAC ......................................................................................................... 71
FIGURA 3.9. Recta de calibrado para la determinación del poder antioxidante de
reducción del hierro (FRAP) ................................................................................... 72
FIGURA 3.10. Recta de calibrado para el poder reductor .......................................................... 73
FIGURA 4.1. Curvas de adsorción de compuestos fenólicos (mg EAG/g CA) .......................... 83
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
XVIII
FIGURA 4.2. Linealización para: (a) un modelo cinético de Lagergren, (b) un modelo de
pseudo segundo orden y (c) un modelo de difusión), para muestras de
LPBD empleando carbón activo pulverizado (CAPu), granular (CAG) y
peletizado (CAPe) ................................................................................................... 85
FIGURA 4.3. Isotermas de adsorción de los compuestos fenólicos de LPBD (a) y LABD
(b) sobre carbones comerciales .............................................................................. 87
FIGURA 4.4. Linealización de la ecuación de Langmuir para la adsorción de compuestos
fenólicos de (a) LPBD y (b) LABD .......................................................................... 90
FIGURA 4.5. Linealización de la ecuación de Freundlich para la adsorción de
compuestos fenólicos de (a) LPBD y (b) LABD ...................................................... 91
FIGURA 4.6. Isotermas de adsorción de los compuestos activos como captadores de
radicales ABTS, expesados como TEAC ............................................................... 92
FIGURA 4.7. Representacion esquemática y curva de rotura características de un
proceso de adsorción en columnas de lecho fijo .................................................... 93
FIGURA 4.8. Efecto del ciclo de desorción en la recuperación de compuestos fenólicos
presentes en LPBD y en LABD operando en un lecho de CA granular. La
elución se lleva a cabo con etanol al 96 % a 20 °C y 1 mL/min. Desorción,
alcanzada en el pico principal y en el área total, se expresa como porcentaje
de los compuestos fenólicos adsorbidos ................................................................ 95
FIGURA 4.9. Capacidad de adsorción de compuestos fenólicos de las resinas ensayadas
(a) Sepabeads y (b) Amberlite .............................................................................. 103
FIGURA 4.10. Capacidad de adsorción de resinas comerciales de compuestos con
actividad antioxidante determinada como equivalentes en Trolox desde
efluentes de desechos de bodega sobre diferentes resinas comerciales ............ 104
FIGURA 4.11. Linealización de los datos cinéticos experimentales con los modelos
cinéticos de (a) pseudo primer orden y (b) de pseudo segundo orden
empleando diferentes resinas comerciales .......................................................... 105
FIGURA 4.12. Superficie de respuesta de las funciones objetivo estudiadas para
optimizar la etapa de desorción de (a) compuestos fenólicos, (b) azúcares y
(c) captadores de radicales desde las resinas XAD-16HP, SP207 y HP20 ......... 114
Indice figuras
XIX
FIGURA 4.13. Variación del contenido de (a) compuestos fenólicos y (b) azúcares totales
en las muestras desorbidas desde las resinas XAD-16HP, SP207 y HP20 ........ 115
FIGURA 4.14. Representación de los ajustes realizados a los datos experimentales con
los modelos cinéticos de (a) pseudo-primer y (b) pseudo segundo orden ........... 124
FIGURA 4.15. Curvas de rotura experimentales para eliminación de compuestos
fenólicos en Sepabeads SP207. Efecto de la concentración del efluente ........... 127
FIGURA 4.16. Curvas de rotura experimentales para la eliminación de compuestos
fenólicos en Sepabeads SP207. Efecto de la concentración y del caudal del
efluente ................................................................................................................. 128
FIGURA 4.17. Curvas de rotura experimentales para la eliminación de compuestos
fenólicos en Sepabeads SP207. Efecto de la longitud del lecho ......................... 129
FIGURA 4.18. Comparación de las curvas experimentales y las curvas de rotura
calculadas por el modelo de Bohart-Adams para el efecto del caudal de
influente (a, b, c), de la concentración (a, b) y de la longitud de la columna
(a, c) ...................................................................................................................... 131
FIGURA 4.19. Comparación de las curvas experimentales y las curvas de rotura
calculadas por el modelo de Yoon-Nelson para el efecto del caudal de
influente (a, b, c), de la concentración (a, b) y de la longitud de la columna
(a, c) ...................................................................................................................... 133
FIGURA 4.20. Linealización de los datos experimentales de acuerdo al modelo
experimental de Yoon-Nelson. ............................................................................. 134
FIGURA 4.21. Comparación de las curvas experimentales y las curvas de rotura
calculadas por el modelo de Thomas para: (a) diferentes longitudes de
columna y caudal de influente, (b y c) diferentes concentraciones y caudales.... 137
FIGURA 4.22. Relación entre la concentración de compuestos fenólicos en la solución
alcoholica eluida y la actividad antioxidante como captadora de radicales
ABTS ..................................................................................................................... 144
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
XX
FIGURA 4.23. Superficie de respuesta para la desorción de compuestos fenólicos
adsorbidos en Sepabeads SP207 en función de la variación de caudal y
temperatura para: (a) una concentración de etanol fijada en 85 %, (b) la
variación de caudal y concentración de etanol para una temperatura fijada
en 40 °C y (c) en función de la temperatura y de la concentración de etanol
para un caudal fijado en 2,5 mL/min ..................................................................... 150
FIGURA 4.24. Superficie de respuesta para el contenido en compuestos fenólicos del
extracto desorbido de Sepabeads SP207 en función de: (a) la variación de
caudal y temperatura para una concentración de etanol fijada en 85 %, (b) la
variación de caudal y concentracion de etanol para una temperatura fijada
en 40 °C y (c) en función de la temperatura y de la concentracion de etanol
para un caudal fijado en 2,5 mL/min ..................................................................... 152
FIGURA 4.25. Superficie de respuesta para la actividad antioxidante de los extractos
desorbidos de Sepabeads SP207 en función de: (a) la variación de flujo y
temperatura para una concentración de etanol fijada en 85 %, (b) la
variación de flujo y concentracion de etanol para una temperatura fijada en
40 °C y (c) en función de la temperatura y de la concentracion de etanol
para un caudal fijado en 2,5 mL/min ..................................................................... 153
FIGURA 4.26. Valor de (a) peróxidos (expresado en mM de hidróxido de cumeno) y (b)
TOTOX durante la oxidación acelerada de crema de aguacate a 50 ºC ............. 162
FIGURA 4.27. Valor de peróxidos en formulaciones de crema solar durante la oxidación
acelerada a 50 ºC ................................................................................................. 162
FIGURA 4.28. Turbidez en formulaciones de crema solar durante la oxidación acelerada
a 50 °C () sin antioxidante añadido, y con (●) tocoferol, () ET, () SBC y
() VE ................................................................................................................... 163
FIGURA 4.29. Valores de (a) peróxidos, (b) p-anisidina y (c) TOTOX durante la oxidación
acelerada de aceite de masaje a 50 °C ................................................................ 164
FIGURA 4.30. Valores de (a) peróxidos, (b) p-anisidina y (c) TOTOX durante la oxidación
acelerada de aceite de ducha a 50 °C .................................................................. 165
FIGURA 4.31. Comparación de la contribución del valor de peróxidos y de p-anisidina al
valor de TOTOX en la oxidación acelerada de: (a) crema de aguacate (CG)
y (b) aceite de masaje (AM) .................................................................................. 166
FIGURA 4.32. Ficha para la evaluación sensorial de los productos cosméticos ..................... 172
Indice figuras
XXI
FIGURA 4.33. Puntuaciones globales y desglosadas por sexo de los distintos extractos
empleados en los productos cosméticos: a) Aceite corporal, b) Bálsamo de
manos, c) Champú, d )Exfoliante, e) Mascarilla de arcilla, f) Tónico
limpiador ............................................................................................................... 177
FIGURA 4.34. Puntuaciones máximas y mínimas otorgadas, en función del extracto
adicionado y de cada sexo, a los productos cosméticos: Aceite corporal
(AC), Bálsamo de manos (BM), Champú (CH), Exfoliante corporal (EC),
Mascarilla de arcilla (MA), Tónico limpiador (TL) ................................................. 179
FIGURA 4.35.a. Puntuaciones de los productos cosméticos en función del extracto
adicionado y de los intervalos de edad ................................................................. 181
FIGURA 4.35.b. Puntuaciones de los productos cosméticos en función del extracto
adicionado y de los intervalos de edad................................................................. 182
FIGURA 4.36. Diagrama de árbol de los extractos adicionados a los productos
cosméticos en función de las puntuaciones globales ........................................... 184
Indice tablas
XXIII
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1.1. Actividad antioxidante de extractos naturales. ....................................................... 12
TABLA 1.2. Ejemplos de actividades biológicas de compuestos de la uva ............................... 19
TABLA 3.1. Características físico-químicas de las resinas comerciales utilizadas para la
recuperación de compuestos fenólicos a partir de subproductos de destilería ........ 49
TABLA 3.2. Matriz de experimentos para el diseño factorial de 23 de Box-Behnken ................ 62
TABLA 3.3. Longitudes de onda de la ecuación de absorción máxima, tiempo de
retención y la regresión de la curva de calibración para los compuestos
estándar identificados en los extractos ..................................................................... 67
TABLA 4.1. Parámetros obtenidos en el ajuste de los datos de LPBD a un modelo de
pseudo primer (Ec. [4.2] y pseudo segundo orden (Ec. [4.3]) .................................. 86
TABLA 4.2. Factor de separación (RL) y constantes de Langmuir y Freundlich para las
isotermas de adsorción de fenólicos totales, expresados como equivalentes
de ácido gálico, en carbón activo .............................................................................. 91
TABLA 4.3. Parámetros cinéticos y coeficientes de regresión para los modelos cinéticos
ensayados aplicados a la adsorción de (a) fenólicos totales y (b) capacidad
captadora de radicales ABTS .................................................................................. 106
TABLA 4.4. Variables independientes reales y codificadas del diseño central compuesto
para dos factores. .................................................................................................... 109
TABLA 4.5. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo durante la
operación con Diaion HP20 ..................................................................................... 110
TABLA 4.6. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo durante la
desorción desde la resina Sepabeads SP207 ........................................................ 110
TABLA 4.7. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo durante la
desorción en resina Amberlite XAD16HP ............................................................... 111
TABLA 4.8. Coeficientes de regresión y parámetros estadísticos de ajuste de los
modelos calculados para las funciones objetivo ..................................................... 112
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
XXIV
TABLA 4.9. Comparación entre los valores experimentales y calculados de las funciones
objetivo en las condiciones óptimas ........................................................................ 113
TABLA 4.10. Composición de las fracciones solubles en DCM de la fase líquida
separada de desechos de bogega diluidas (A) y del producto desorbido de
Sepabeads SP207 con etanol 96 % a 50 °C (B), analizado por GC-MS. ............... 116
TABLA 4.11. Efecto de la concentración del eluyente, longitud de la columna y del
caudal de alimentación en la capacidad de adsorción de compuestos
fenólicos de las resinas Sepabeads SP207 y Amberlite XAD16HP ....................... 125
TABLA 4.12. Efecto de la concentración del eluyente, longitud de la columna y del
caudal de alimentación en la capacidad de adsorción de azúcares totales de
las resinas Sepabeads SP207 y Amberlite XAD16HP ............................................ 126
TABLA 4.13. Parámetros del modelo de Bohart-Adams para las diferentes condiciones
experimentales ensayadas ...................................................................................... 132
TABLA 4.14. Parámetros del modelo de Yoon-Nelson para las diferentes condiciones
experimentales ensayadas. ..................................................................................... 134
TABLA 4.15. Parámetros del modelo de Thomas para las diferentes condiciones
experimentales ensayadas ...................................................................................... 136
TABLA 4.16. Mátriz de experimentos y codificación de variables............................................ 141
TABLA 4.17. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo durante la
desorción en resina Sepabeads SP207. ................................................................. 143
TABLA 4.18. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo Y4 e Y6............. 145
TABLA 4.19. Coeficientes de regresión y probabilidad ............................................................ 147
TABLA 4.20. Pruebas de ajuste de modelo ............................................................................. 149
TABLA 4.21. Caracterización de los extractos obtenidos a partir de fuentes renovables
subutilizadas: subproductos de bodega concentrados (SBC), extracto de
autohidrólisis de erizo de castaño (EAEC) .............................................................. 158
TABLA 4.22. Viabilidad celular y concentración de interleuquina-1 (IL-1) liberada durante
los estudios in vitro con los extractos disponibles empleando epidermis
humana reconstituida .............................................................................................. 160
Indice tablas
XXV
TABLA 4.23. Caracterización de los extractos obtenidos a partir de fuentes renovables
infrautilizadas: extracto de bagazo de uva o suproducto de bodega
concentrado (SBC), extracto de madera de pino (EMP), extracto de flores de
acacia (EFA), extracto de shiitake (ES) .................................................................. 174
TABLA 4.24. Puntuaciones globales de las formulaciones cosméticas en función del
extracto adicionado ................................................................................................. 180
1. Introducción
Introducción
3
1. INTRODUCCIÓN
1.1. RESIDUOS DE LA INDUSTRIA VINÍCOLA
1.1.1. Residuos agroindustriales
La agroindustria es una actividad económica que combina el proceso productivo
agrícola con el industrial para generar alimentos o materias primas semi-
elaboradas destinadas al mercado. También se dice que constituye una parte del
sector industrial que se dedica a producir y/o transformar, almacenar y
comercializar productos provenientes del campo. Entre los productos que se
industrializan están: frutas, verduras, raíces, semillas, hojas, tubérculos y vainas;
algunos se comercializan en fresco y otros son transformados en néctares, jugos,
mermeladas, ensaladas, harinas, aceites, vinos, concentrados en polvo y
conservas. La tendencia mundial es el notable crecimiento en la generación de
residuos, derivado del incremento en la generación de productos comercializables
(Baiano, 2014; Quek y Balasubramanian, 2014).
Desde hace varias décadas los residuos agroindustriales han sido un foco de
atención para investigadores a nivel mundial. En la década de los años 70, una
parte importante de los biotecnólogos de todo el mundo enfocaron sus
investigaciones hacia la utilización y aprovechamiento de los residuos
agroindustriales para la producción de compuestos útiles como insumos de otros
procesos industriales. A partir del presente siglo la prioridad se enfoca a la
producción de bioenergéticos y a la elaboración de nuevas formulaciones de
alimentos para animales (Ajila y col., 2012; Liguori y col., 2013; Rogers y col.,
2015). Desde este marco de referencia, se puede plantear que los residuos
industriales y agrícolas, como materiales en estado sólido o líquido que se
generan a partir del consumo directo de productos primarios o de su
industrialización, y que ya no son de utilidad para el proceso que los generó, son
susceptibles de aprovechamiento o transformación para generar otro producto
con valor económico, de interés comercial y/o social (Saval, 2012).
Los subproductos procedentes de la agricultura y la silvicultura son una
abundante fuente de biomasa vegetal renovable y barata, también lo son los
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
4
residuos agroindustriales obtenidos a partir de recursos biorrenovables como
materiales minerales y lignocelulósicos que se podrían revalorizar
(Ahmaruzzaman, 2008; Lin y Juang, 2009).
Un enfoque práctico para un modelo de desarrollo sostenible en la fabricación de
una variedad de compuestos comerciales es el fraccionamiento de la biomasa de
residuos lignocelulósicos y su separación en componentes de diferente naturaleza
química. A partir de estos materiales se puede aprovechar la fracción de
sacáridos (hemicelulosas y celulosa) para productos químicos y biofueles
(Carvalho y col., 2013; Kobayashi y Fukuoka, 2013; Nissilä y col., 2014; Mondala,
2015; Sánchez Nogué y Karhumaa, 2015). La lignina puede emplearse para usos
energéticos, como dispersante de pesticidas, emulsificante, como copolímero
para incorporarse en resinas o para la adsorción selectiva de compuestos
fenólicos (Barrera-Garci y col., 2008). Para este último objetivo puede emplearse
la fracción de lignina (Suhas y Ribeiro, 2007), la fracción obtenida tras hidrólisis
ácida (Dizhbite y col., 1999; Allen y col., 2005), las obtenidas tras distintos
tratamientos (Vázquez y col., 2006) o incluso el material lignocelulósico de partida
sin transformar (Ahmaruzzaman, 2008; Ye y col, 2009).
La hidrólisis de materiales lignocelulósicos en condiciones suaves usando agua o
vapor (eventualmente complementadas con la adición externa de ácidos
minerales, SO2 u oxígeno) se traduce en la ruptura selectiva de hemicelulosas,
que conduce a la producción de azúcares o de oligómeros de azúcar (Garrote y
col., 2004). Los licores también contienen productos de degradación de los
azúcares, ácidos orgánicos, extractos y compuestos fenólicos. Por esta razón, si
se desea utilizar la fracción de azúcares es necesaria la purificación o refinado de
estos licores. La extracción con acetato de etilo se ha aplicado con éxito para la
purificación, permaneciendo los compuestos sacáridos en la fase acuosa,
mientras que los compuestos no sacáridos (parte de ellos, de naturaleza fenólica)
se transfirieren a la fase orgánica (Parajó y col., 2008).
Los residuos agroindustriales también contienen otras fracciones, incluyendo la de
extractos, proteína, o minerales. El aprovechamiento de los mismos requiere de
etapas iniciales de extracción y posterior concentración y/o purificación.
Introducción
5
1.1.2. Residuos de la industria vinícola
España se ha convertido por primera vez en 2013 en el primer productor de vino
del mundo al lograr una producción de 50,5 millones de hectolitros, un 41 % más
que en la campaña anterior, según datos del Ministerio de Agricultura recogidos
por el Observatorio Español del Mercado del Vino (Núñez, 2014). Una tercera
parte de los establecimientos agroindustriales existentes en Galicia son bodegas
de vino, así lo asegura la Xunta de Galicia, explicando que la facturación del
sector vitivinícola representa más de 4 % del total de la industria agroalimentaria
gallega, superando en un año y medio los 130 millones de euros. El sector cuenta
en la comunidad gallega con 650 bodegas que dan empleo directo a un millar de
personas (Europa Press, 2009).
El proceso de vinificación está basado en un procedimiento ancestral pudiéndose
considerar más un arte que una ciencia de manera que el proceso de vinificación
ha quedado muy ligado a técnicas o prácticas artesanales limitando los avances
tecnológicos a aquellas aplicaciones dirigidas a la minimización de residuos.
Estas industrias producen millones de toneladas de residuos después de la
fermentación y tratamientos de los caldos de fermentación.
Las características y composición de estos residuos producidos están muy
relacionadas con las técnicas de vinificación empleadas, que va a determinar el
tipo de valorización a que se puede someter estos residuos.
Los principales residuos de esta actividad son, por orden de importancia, residuos
orgánicos (bagazos, semillas, pulpa, pieles, raspones y hojas), aguas residuales,
emisión de gases de efecto invernadero (CO2, compuestos orgánicos volátiles,
etc.) y residuos inorgánicos (tierras de diatomeas, perlita, arcillas, bentonita)
(Teixeira y col., 2014).
Dentro de toda esta amplia posibilidad de residuos, es interesante desde un punto
de vista de reutilización o valorización, el bagazo. Esta fracción contiene
principalmente pieles, pulpa y semillas, aunque dependiendo del sistema de
vinificación puede llegar a contener, además de lo anteriormente expuesto,
raspones y hojas. El bagazo presenta en su composición altos niveles de
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
6
polifenoles con propiedades antioxidantes interesantes para su utilización en
alimentos y/o en diferentes sistemas biológicos. Se considera al bagazo
fermentado y destilado como una fuente valiosa de fitoquímicos que pueden
recuperarse como compuestos funcionales para la industria alimentaria,
farmacéutica y cosmética (Fontana y col., 2013; Teixeira y col., 2014).
Uno de los componentes, tanto del bagazo como de sus distintas fracciones, es la
lignina insoluble en ácido o lignina de Klason encontrándose en mayor cantidad
en las semillas; en las pieles y la mezcla de las distintas fracciones se halla en
igual proporción. La celulosa y la lignina de Klason son los componentes
mayoritarios en tallos, siendo aproximadamente el doble que en las pieles y en el
conjunto del material. Debido al bajo contenido en hemicelulosas respecto a la
celulosa, el azúcar mayoritario es la glucosa, presentando un bajo contenido en
xilosa y arabinosa, excepto en las semillas (Cruz y col., 2004).
Una de las fuentes residuales de antioxidantes más estudiadas es el bagazo. Se
han propuesto varios métodos para la obtención de estos antioxidantes: su
utilización directa (Saura-Calixto, 1998), la extracción con disolventes
convencionales (Lafka y col, 2007; Makris y col, 2008), extracción con CO2
supercrítico o con ambos tipos de disolventes (Louli y col, 2004; Pinelo y col.,
2007; De Campos y col., 2008).
En algunas industrias del vino, el bagazo se destila, dando lugar a la aparición de
un nuevo residuo sólido conocido como orujo de uva destilado. Los compuestos
fenólicos contenidos en este bagazo son más activos que aquellos presente en
las vinazas o licores de orujo prensado (Pinelo y col., 2005 a y b); este aumento
de la actividad se atribuye al tratamiento térmico, que favorece la polimerización
de fenoles (Pinelo y col., 2005 a y b).
Se han propuesto varias alternativas para la extracción de antioxidantes del
bagazo de uva destilado (Cruz y col., 2004; Díaz-Reinoso y col., 2009). El bagazo
de uva destilado contiene una variedad de compuestos fenólicos, incluyendo
procianidinas, flavan-3-oles monoméricos (catequina, epicatequina, epigalo-
catequina, quercetina y quercetina- 3-glucósido), ácido gálico, ésteres de las
catequinas (galato de epigalocatequina, EGCG), y ácidos benzoicos (ácido gálico
Introducción
7
y elágico). Estos compuestos hacen que el poder antioxidante asociado a los
licores que empapan el bagazo o que se obtienen por un escurrido y lavado con
agua del bagazo destilado sea más activo que el de compuestos comerciales
(Cruz y col., 2004).
Para concentrar y fraccionar compuestos fenólicos extraídos a partir de productos
naturales se ha propuesto con éxito la utilización de membranas. Las aplicaciones
en este campo incluyen el procesamiento de extractos etanólicos de semillas de
uva (Nawaz y col., 2006), así como el fraccionamiento de compuestos fenólicos
(Galanakis y col., 2013), proantocianidinas (Santamaría y col., 2002) y
antocianinas (Kalbasi y Cisneros-Zevallos, 2007). Díaz-Reinoso y col. (2009)
emplearon con éxito las membranas de ultra- y nanofiltración para concentrar la
corriente residual acuosa obtenida tras la extracción del bagazo de destilado, una
vez sometido a una etapa de prensado para retirar el líquido que lo empapa.
1.1.2.1. Bagazo y residuos prensados
El bagazo de uva se genera durante la producción del mosto mediante el
prensado de la uva. Las últimas referencias estiman que a nivel mundial se
producen 9 millones de toneladas de bagazo por año lo que supone un
20 % (p/p) de la cantidad de uva usada para vinificación (Torres y col., 2002;
Laufenberg y col., 2003; Panouillé y col., 2007; Boussetta y col., 2009).
Los bagazos se caracterizan por un contenido en humedad entre el 50 y 72 %
dependiendo de la variedad de uva y del estado de madurez en el momento de su
cosecha. El contenido en lignina oscila entre el 16,8 % y el 24,2 % y el contenido
en proteína suele ser inferior al 4 % (Teixeira y col., 2014).
En general, los constituyentes mayoritarios en este tipo de residuo, son
sustancias pécticas con una concentración que oscila entre el 37 y 54 %,
seguidos de celulosa con concentraciones que van desde el 27 % hasta el
37 % (González-Centeno y col., 2010). Este alto contenido en polisacáridos no
digeribles dificulta su valorización como complemento alimenticio en piensos
siendo necesario un proceso fermentativo para evitar los efectos perniciosos de
estos polisacáridos.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
8
El bagazo es, a su vez, una buena fuente para obtener aceite de pepita de uva y
también de polifenoles de manera directa, o bien, fuente de productos como ácido
cítrico, metanol, etanol o xantano mediante procesos fermentativos. Si bien un
uso más extendido es su aplicación para la obtención de bebidas alcohólicas
mediante fermentaciones cortas y destilación del bagazo (Sánchez y col., 2009;
Deng y col., 2011; Brahim y col., 2014).
El bagazo puede ser una fuente importante de antioxidantes naturales debido a su
alto contenido en compuestos polifenólicos lo que favorece su aplicación tanto en
industrias alimentarias como cosméticas o farmacológicas (Bousseta y col., 2009;
Rockenbach y col., 2011a y b). Hay que tener en cuenta que durante el proceso
de prensado de la uva solamente se extraen una pequeña proporción del
polifenoles, lo que convierte a este residuo en una fuente interesante de estos
compuestos. Algunos ejemplos de productos en el mercado son los extractos
MegaNatural®-Gold Grape Seed Extract de Polyphenolics y Citricidal® grapefruit
seed extract de Nutribiotic.
1.1.2.2. Raspones de uva
Los racimos o raspones de las uvas constituyen entre un 1,4 y el 7,0 % del
material sometido a vinificación. Este residuo se genera debido a que los
raspones se retiran antes del proceso de vinificación para evitar un exceso de
astringencia en los caldos o el efecto negativo en las características
organolépticas de los vinos. En la actualidad, esta fracción residual del proceso de
vinificación tiene escaso valor comercial debido a que su principal destino es el
empleo en alimentación animal o en la corrección de suelos.
Dependiendo de la variedad de uva, la concentración y tipo de compuestos
fenólicos de los raspones puede oscilar. De manera genérica, los compuestos
fenólicos están presentes en los raspones en una concentración próxima al 6 %
siendo flavan-3-oles, ácidos hidroxicinámicos, flavonoles monoméricos y
flavonoles oligoméricos, y estilbenos los compuestos predominantes (Kataliníc y
col., 2010).
Introducción
9
1.1.2.3. Hojas de vid
La información disponible sobre la composición y distribución de compuestos
fenólicos es escasa, pero dada la gran variabilidad asociada a la variedad de la
planta, induce a pensar en la gran viabilidad de este material como fuente de
potenciales compuestos con propiedades nutricionales y bioactivas (Gurbuz y col.,
2007; Fernandes y col., 2013).
1.1.2.4. Lías de vinificación
Se conoce como lías a los residuos que se acumulan en el fondo de los depósitos
de vino después de la fermentación, almacenamiento o después de los
tratamientos realizados al vino, como también al residuo generado después de la
filtración de los caldos. Están compuestas principalmente por levaduras, ácido
tartárico, materia inorgánica y compuestos fenólicos (Pérez-Serradilla y col.,
2011).
1.2. COMPUESTOS FENÓLICOS COMO ANTIOXIDANTES NATURALES
1.2.1. Generalidades
Diversos aspectos tecnológicos favorecen la sustitución de los antioxidantes
sintéticos por otros naturales. Estos últimos ofrecen ventajas en cuanto a la
solubilidad en aceite y agua, una propiedad de especial interés para las
emulsiones del tipo de las frecuentemente encontradas en sistemas alimentarios.
Sin embargo, el origen natural de los antioxidantes no garantiza su seguridad,
siendo necesaria la evaluación de su posible toxicidad.
El reino vegetal ofrece una gran variedad de compuestos de alto y bajo peso
molecular con propiedades antioxidantes (Hagerman y col., 1998). La mayoría de
los compuestos antioxidantes naturales son de origen vegetal, y la mayoría de los
que se han estudiado para su aplicación en la industria alimentaria son
compuestos polifenólicos. Estos compuestos reducen el valor nutricional de los
alimentos debido a su interacción con proteínas vegetales, modificando las
propiedades funcionales y nutritivas de los alimentos, contribuyendo a modificar
las propiedades organolépticas y sensoriales de frutas y vegetales. Los
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
10
compuestos polifenólicos pueden sufrir procesos de autooxidación produciéndose
pérdidas de color en vegetales procesados o modificando los rendimientos de
extracción de proteína como es el caso de taninos.
En general, los vegetales presentan un buen potencial de compuestos con
actividad antioxidante (Li y col., 2014). Desde los últimos años del siglo pasado se
han publicado multitud de estudios analizado el potencial antioxidante de una
amplia variedad de vegetales, incluyendo cereales (Thompson, 1994;
Chandrasekara y Shahidi, 2011; Wang y col., 2011; Dziki y col., 2014; Shao y
Bao, 2015), frutas (Morelló y col., 2005; Hunter y col., 2011; Serrano y col., 2011;
Kähkönen y col., 2012; Azman y col., 2012; Manganaris y col., 2014), semillas
(Esfalan y col., 2010; Ni y col., 2015; Tang y col., 2015), residuos agrícolas e
industriales (Moure y col., 2001; Frankel y col., 2013; da Silva y Jorge, 2014; Li y
col., 2014) y zumos de frutas (Chambers y col., 1996; Wen y col., 1999;
Mphahlele y col., 2014). Los aceites también contienen compuestos con alta
capacidad antioxidante, entre los más estudiados está el aceite de oliva (Blekas y
Boskou, 1998; Cicerale y col., 2012; Ghanbari y col., 2012).
Las plantas aromáticas y medicinales poseen muchos compuestos bioactivos, que
pueden ser de estructura polifenólica, y presentan capacidad antioxidante (Na y
col., 2011; Lizcano y col., 2012; Turan, 2014). Otra fuente potencial de
compuestos antioxidantes son las raíces, tallos y cortezas de distintos árboles así
como sus hojas (Venkatamuru y col., 1983; Yen y Hsieh, 1988; Hernández-Pérez
y col., 1996; Chung y col., 1999). Existe un gran número de grupos de
investigación que estudian la identificación de los compuestos activos de este
grupo de materiales vegetales por su interés para aplicaciones alimentarias,
cosméticas y farmacéuticas.
Los residuos agrícolas e industriales son una fuente atractiva para la obtención de
antioxidantes naturales. Diferentes revisiones (Moure y col., 2001; da Silva
y Jorge, 2014; Li y col., 2014) muestran la posibilidad de empleo de residuos (piel
de patata, orujo de oliva, alpechines, pepitas de uva, bagazo de manzana, bagazo
de vino, pieles de uva, semillas y pieles de cítricos, residuos de pulpa de
zanahoria, hojas viejas de té, subproductos del coco) como fuente de compuestos
fenólicos bioactivos.
Introducción
11
Además de estos residuos sólidos, existen diversas corrientes líquidas que
pueden emplearse como fuente de compuestos antioxidantes, bien las generadas
durante el procesamiento de los materiales vegetales anteriormente indicados o
bien las resultantes del procesamiento de estos residuos. Estas corrientes
líquidas de procesado contienen, además, azúcares y otros componentes de
interés como extractos y compuestos fenólicos con capacidad antioxidante.
En general se puede afirmar que la valorización de estos residuos
agroindustriales, como el resto de subproductos, y o plantas, depende de la
información existente acerca de sus componentes y de la posible implicación de
los mismos en procesos que promuevan un beneficio saludable para el organismo
(Saura-Calixto, 1998; Shrikhande, 2000; Negro y col., 2003).
En los últimos años se han publicado numerosos estudios acerca de los
beneficios para la salud de la uva y los productos asociados como son el vino y
sus subproductos (Bousseta y col., 2009; Sanchez y col., 2009; Gonzalez-
Centeno y col., 2010; Deng y col., 2011; Poudel y col., 2011; Rockenbach y col.,
2011a y b; Rondeau y col., 2013; Oliveira y col., 2013; Chouchouli y col., 2013).
Los efectos beneficiosos de los compuestos presentes en estos productos
dependen de multitud de factores desde los de tipo genético, las condiciones de
producción (propiedades del suelo, condiciones climáticas, empleo de
fertilizantes, etc.) y los procesos de vinificación, incluido el tiempo transcurrido
desde la generación del residuo hasta su valorización. Todos estos aspectos,
junto con los métodos de recuperación de estos subproductos empleados en el
proceso de valorización, tienen una incidencia directa en la concentración final de
los compuestos fenólicos en los materiales y en su posterior aplicabilidad como
fuentes de compuestos bioactivos.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
12
Tabla 1.1. Actividad antioxidante de extractos naturales.
Ensayo de actividad antioxidante
Extractos naturales Referencia
Captación de radicales Cáscara cacahuete, bagazo uva, cascarilla lentejas, bagazo y semillas de mora, extractos indus-tria azucarera, frutas, verduras, té, café, cacao, arándanos, mijo, aceite de semillas de uva, guava, melón, calabaza y tomate, plantas medicinales
Muanza y col., 1998; Saura-Calixto, 1998; Cefarelli y col., 2006; Chandrasekara y Shahidi, 2011; Gülçin, 2012; Kähkönen y col., 2012; da Silva y Jorge, 2014; Turan, 2014
Decoloración del
-caroteno
Cáscara de frutos secos, residuos destilería de vino, maderas de eucalipto, erizos de castaña, zuros de maíz
Moure y col., 1999; Díaz-Reinoso y col., 2010; Conde y col., 2011a y b
Poder reductor Cáscaras de frutos secos, residuos destilería de vino, maderas de eucalipto, erizos de castaña, zuros de maíz, frutas, verduras, té, café, cacao, girasol
Moure y col. 1999; Díaz-Reinoso y col., 2010; Conde y col., 2011a y b; Gülçin, 2012; Karasakal, 2013
Oxidación de aceites Bagazo de oliva, piel patata, escaramujos, vainas de judías, avena, bagazo prensado de uva, corteza de fresno, soja, aceite de oliva refinado, avellana, hojas de té, aceites esenciales de naranja
Sheabar y Neeman, 1988; Onyeneho y Hettiarachchy, 1992; Marinovay col.,1994; Rodríguez de Sotillo y col. 1994b; Duh y col., 1997; Xing y White, 1997; Vargas-Arispuro y col., 1998; Bonilla y col., 1999; Moure y col., 1999; Zandi y Gordon, 1999
Oxidación de acido linoleico
Bagazo de mora coreana , bagazo de uva, semillas mora, piel de limón, piel de naranja, cáscara de cacahuete, semilla de tamarindo, plantas medicinales
Tsuda y col., 1994; Yen y Duh, 1995; Saura-Calixto, 1998; Kuo y col., 1999; Turan, 2014
Oxidación de citronelal Piel de limón, semillas de mandarina, piel de naranjas agrias, naranjas dulces
Bocco y col., 1998
Oxidación de LDL Humana
Semillas de uva, bagazo de uva, alpechines, hierbas medicinales chinas, curcumina, genjibre, gira-sol, arándanos, hidrolizados de salvado de trigo
Meyer y col., 1998b; Visioli y col., 1999; Wang y col., 2011; Kähkönen y col., 2012; Karasakal, 2013; Gunathilake y Rupasinghe, 2014; Rosa y col., 2014; Lin y col., 2015
Oxidación del linoleato de metilo
Salvado de trigo, arándanos, oliva, vinos
Watanabe y col., 1997; Morelló y col., 2005; Cefarelli y col., 2006; Roginski y col., 2006; Kähkönen y col., 2012.
Oxidación del plasma de rata
Pepitas de uva, pulpa de tama-rindo
Koga y col., 1999; Azman y col., 2012
Oxidación en liposomas Pepitas de uva, escaramujos, curcumina
Gabrielska y col., 1997; Rosa y col., 2014
Oxidación lipídica en microsomas
Fragmentos hemicelulósicos de salvado de maíz, hidrolizados de salvado de trigo, plantas medici-nales, hojas
Ohta y col.,1994; Ramful y col., 2011; Wang y col., 2011; Lizcano y col., 2012
Propiedades quelantantes
Okara, cáscara de cacao, hojas Oluwaseun y Ganiyu, 2008; Singh y col., 2011; Tan y col., 2015
Introducción
13
1.2.2. Compuestos fenólicos de la uva y subproductos
La uva es un tipo de baya que está ampliamente reconocida por sus propiedades
biológicas y sus cualidades nutricionales. Dada su composición, las uvas son una
buena fuente de agua (82 %), carbohidratos (12-18 %), proteínas (0,5-0,6 %) y
grasas (0,3-0,4 %).
Hablando de productos de la uva de forma genérica se pueden englobar como
metabolitos secundarios los ácidos fenólicos, los flavanoles, flavonoles,
antocianos y estilbenos. Todos estos compuestos presentes en los distintos
residuos o subproductos de la uva presentan diferentes solubilidades y por tanto
rendimientos de recuperación lo que convierte la tarea de extracción y/o
recuperación desde los diferentes materiales en un proceso complicado.
Desde el punto de vista de la importancia que estos componentes tienen, tanto en
la uva como en los productos de vinificación, se puede destacar su papel en
aspectos sensoriales como color, aroma, olor, amargor y astringencia, sin dejar de
lado la importancia que poseen dentro de sus propias matrices, comportándose
como componentes de defensa de las mismas.
El contenido en compuestos polifenólicos de estos residuos varía en función de
las condiciones indicadas con anterioridad; de este modo, para el bagazo de uva
se encuentran valores de compuestos fenólicos, determinados empleando
métodos colorimétricos, que oscilan entre 88 y 668 mg equivalentes de ácido
gálico (EAG)/g (Nilgün y col., 2004; Berrin y col., 2008). Para los hollejos (pieles)
de las uvas se ha encontrado que la concentración de compuestos fenólicos en
ellas no es dependiente del tipo de variedad (Yilmaz y Toledo, 2006) y que los
hollejos y los raspones contienen menor cantidad de este tipo de compuestos (de
27 a 36 mg EAG/g), viéndose afectados por las condiciones agroclimáticas o las
formas de cultivo.
A continuación se hace una pequeña mención de los principales componentes
bioactivos encontrados en la uva y productos derivados del vino.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
14
1.2.2.1. Ácidos fenólicos
Dentro de esta clasificación se incluyen aquellos compuestos derivados de los
ácidos benzoico y cinámico, que junto con los compuestos derivados del ácido
hidroxicinámico, son las familias de compuestos más abundantes en los
subproductos de la industria vinícola. Las principales estructuras se muestran en
la Figura 1.1.
A. Ácidos hidroxibenzoicos
Los principales ácidos hidroxibenzoicos presentes en uva y subproductos de
vinificación son: ácido p-hidroxibenzoico, ácido protocatéquico, ácido tánico, ácido
vaníllico, derivados del ácido gálico y ácido siríngico.
Ácidos hidroxibenzoicos
Ácido gálico
Ácido protocatéquico
Ácido siríngico
Ácidos hidroxicinámicos
Ácido cafeico
Ácido ferúlico
Ácido sinápico
Figura 1.1. Estructuras de ácidos fenólicos.
Se ha encontrado que el ácido gálico es el ácido hidroxibenzoico más abundante
en hollejos, raspones, pieles y semillas seguido de ácido siríngico en raspones y
ácido protocatequico en semillas y pieles (Anastasiadi y col., 2012; Apostolou y
col., 2013; Di Lecce y col., 2014).
Introducción
15
B. Ácidos hidroxicinámicos
Los ácidos hidroxicinámicos se encuentran repartidos por todas las partes de la
uva, siendo las pieles las que contienen la mayor concentración de estos
compuestos. La concentración de estos es dependiente del estado de maduración
de la baya, de tal modo que su concentración disminuye con la madurez de la
baya aunque la cantidad total se incrementa de manera proporcional al aumento
de tamaño de la baya.
Los principales ácidos encontrados en bayas y vinos son el ácido caftárico, ácido
p-coutárico y ácido fertárico, mientras que en las pieles se evidencian diferencias
en función de la variedad. Así en uva blanca se encuentra como componente
mayoritario el ácido cis-coutárico y en las pieles de uva tinta el más representativo
sería el ácido clorogénico, si bien las concentraciones son inferiores a las
encontradas en las uvas blancas.
1.2.2.2. Flavonoides
Flavonoles
Flavonas
Flavanonas
Isoflavonas
Antocianidinas
Flavanol monómeros, dímeros,…
Figura 1.2. Estructuras principales de los flavonoides.
La presencia de flavonoides en sus diferentes grados de oxidación (flavanoles o
flavan-3-ol, proantocianiodinas, flavonas o antocianos) está ampliamente
documentada en los residuos de la industria vinícola (Garrido y Borges, 2013). La
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
16
Figura 1.2 muestra las principales estructuras de las diferentes familias de
flavonoides.
a. Flavonoles
Los flavonoles son flavonoides definidos por la presencia de un doble enlace entre
los átomos de carbono C2-C3 y un grupo hidroxilo en el C3. Generalmente se
encuentran unidos a diferentes azúcares formando glicósidos, glucorónidos,
galactósidos y diglicósidos.
Las recopilaciones de estudios acerca de estos compuestos muestran cómo la
variedad de la uva (blanca o tinta) afecta a la presencia de estos compuestos. Los
principales flavonoles encontrados en raspones de uva tinta son derivados de la
quercetina, al igual que en los bagazos de uva tinta.
b. Flavanoles
Los flavanoles, conocidos también como flavan-3-oles, son un tipo de flavonoides
caracterizados por tener un grupo hidroxilo en el carbono C3 y un grupo diferente
al carbonilo en posición C4. Desde un punto de vista fisiológico estos flavonoides
juegan un papel importante en las plantas pues son los responsable de atraer a
individuos polinizantes, ser responsables del color y de las propiedades
organolépticas de las plantas. En los vinos, los flavanoles son los responsables de
la astringencia, amargor y estructura (Burdock, 2005; Montealegre y col., 2006).
El principal flavanol encontrado en los residuos de la industria vinícola es la
catequina, siendo la concentración encontrada en raspones mayor que en pieles y
semillas.
La unión de unidades flavan-3-oles da lugar a unas moléculas conocidas como
taninos condensados o proantocidininas. Se sabe que estos compuestos
presentan diferencias en la proporción en la que se encuentran en los residuos de
vinificación en función de que el tipo de uva sea blanca o tinta.
Introducción
17
c. Flavonas
Las flavonas se caracterizan por tener un doble enlace entre los carbonos C2 y C3
diferenciándose de los flavonoles por la ausencia del grupo hidroxilo en el
carbono C3. La luteolina es la flavona encontrada en cantidades significativas
tanto en uvas como en residuos de la industria vinícola.
d. Antocianinas
Las antocianinas son los flavonoides responsables del color en vino y uvas tintas.
Estas características dependen de la estructura química, así a pH bajos son
estables las formas que aportan color rojo. Sin embargo estos compuestos son
muy inestables y fácilmente oxidables dado que son muy sensibles a cambios de
pH, temperatura y radiación UV (De Pascual-Teresa y col., 2010). Las
antocianinas se concentran en los hollejos o pieles de las uvas y desde ahí
migran, en los procesos de vinificación, a los vinos. El malvidin-3-O-glucósido y el
peonidin-3-O-glucósido son los principales antocianos encontrados en pieles y
bagazo de uva tinta (Amico y col., 2004 y 2008).
e. Estilbenos
Estructura general de los estilbenos Estructura química del resveratrol
Figura 1.3. Estructura química de los estilbenos.
Los estilbenos son compuestos fenólicos formados por dos anillos aromáticos
unidos mediante una molécula de etileno (ver Figura 1.3). Se encuentran
distribuidos tanto en subproductos del vino como los hollejos, los raspones y
semillas. El contenido y tipo de estilbenos difieren en función de que la uva sea
tinta o blanca y del tipo de residuo (pellejo, raspones, bagazos, hojas…). Los
datos de composición indican que, en uvas tintas, se encuentran los mayores
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
18
contenidos de trans-resveratrol y de ε-viniferina en tallos (hasta 124,10 y 49,10
mg/g, respectivamente).
1.2.3. Actividad biológica de los compuestos polifenólicos de las uvas
Numerosos estudios han avalado las propiedades biológicas de los polifenoles
(Bravo, 1998; Middleton y col., 2000; Schroeter y col., 2006; Potenza y col., 2007;
Perez Vizcaíno y col., 2009). Estos efectos son fundamentalmente consecuencia
de sus propiedades antioxidantes, que pueden usualmente justificar sus acciones
vasodilatadoras y vasoprotectoras, así como sus acciones antitrombóticas,
antilipémicas, antiateroscleróticas, antiinflamatorias y antiapoptóticas.
Estos efectos beneficiosos descritos para los polifenoles son consecuencia de su
acción antioxidante (Ruf, 1999; Dell’Agli y col., 2004; Williams y col., 2004).
Además de las propiedades vasodilatadoras que favorecen el control del tono
arterial, se han descrito otras propiedades de los flavonoides como sus efectos
cardioprotectores.
El vino tiene una elevada concentración en polifenoles antioxidantes,
principalmente ácidos fenólicos, resveratrol, flavonoles, flavanoles, procianidinas y
antocianinas (Quiñones y col., 2013). Dentro de los distintos compuestos
presentes, el resveratrol es uno de los más activos.
El contenido y composición en compuestos fenólicos de las uvas está en función
de la variedad de uva y del tipo de producto o subproducto a evaluar. Así por
ejemplo en los zumos de uva tinta se encuentran como mayoritarios los flavan-3-
oles, los antocianinos y los hidroxicinamatos, mientras que en los zumos de uva
blanca, los principales compuestos encontrados son los hidroxicinamatos.
Las principales actividades biológicas encontradas en la literatura especializada
para los polifenoles constituyentes de las uvas son: antioxidante,
anticarcinogénica, inmunomoduladora, antidiabetes, antiaterogénico, neuropro-
tector, antiobesidad, antienvejecimiento; que se han recopilado en diversos
trabajos (Flamini y col., 2013; Teixeira y col., 2014; Artero y col., 2015). En la
Tabla 1.2 se muestran algunas de las actividades biológicas más relevantes y los
compuestos responsables de ellas.
Introducción
19
Tabla 1.2. Ejemplos de actividades biológicas de compuestos de la uva.
Actividad Compuestos Referencias
Ansiolítica Ácido sinápico Yoon y col., 2007
Antiangiogénica Vanillina, procianidinas, resveratrol, ácido gálico kim y col., 2008; Kaur y col., 2009; Uchiyama y col., 2010; Zheng y col., 2015.
Anticarcinogénica Antocianinos, flavonoides conjugados, resveratrol, ácido clorogénico, 3,4-dihidroxibenzaldehido, ácido gálico, epigalocatequingalato
Stewart y col., 2003; Feng y col., 2005; Orallo, 2006; Landis-Piwowar y col., 2007; Lee y col., 2008; Giftson y col., 2010; Davalli y col, 2012.
Antidiabética Flavonoides conjugados, proantocianidinas, cianidina, delfinidina
Gharib y col., 2013
Antihemolítica Catequina, ácido elágico, ácido gálico. Tabart y col., 2009
Antihipertensivo Procianidinas Quiñones y col., 2013
Antiinflamatoria Vainillina, ácido ferúlico, ácido siríngico, ácido vaníllico, proantocianidinas, resveratrol
Feng y col., 2005; Orallo, 2006; Kim y col, 2008; Itoh y col., 2009; Nichols y Katiyar, 2010; Wang y col., 2011
Antimicrobiana Ácido cafeico, coniferaldehido, alcohol coniferílico, p-cumaraldehído, ácido p-cumarílico, eugenol, ácido ferúlico, sinapaldehido, ácido sinápico, alcohol sinapílico
Barber y col., 2000
Antioxidante Antocianinas, ácido gálico, catequina, epicatequina, flavonoides conjugados, melanina, proantocianidinas, resveratrol
Roginski y col., 2005; Kataliníc y col., 2010; Nichols y Katiyar, 2010; Pérez-Serradilla y Luque de Castro, 2011; Fernandes y col., 2013; Ignat y col., 2013
Antiproliferativa Ácido cafeico, 3,4-dihidroxi-fenilacético, ácido gálico, ácido ferúlico, ácido protocatéquico, ácido sinápico, ácido siríngico
Kampa y col, 2004; Kaur y col., 2009
Antiulcerosa Ácido cafeico, ácido cinámico, ácido p-cumárico, ácido ferúlico
Barros y col., 2008.
Apoptótica Ácido cafeico, 3,4-dihidroxi-fenilacético, ácido gálico, ácido ferúlico, ácido protocatéquico, ácido sinápico, ácido siríngico, proantocianidinas
Kampa y col., 2004; Mantena y col., 2006; Kaur y col., 2009; Yin y col., 2009
Cardioprotectiva Proantocianidinas, resveratrol Li y col., 2014; Nabavi y col., 2014.
Fotoprotectora Ácido ferúlico, ácido cafeico, ácido gálico, proantocianidinas, resveratrol
Saija y col., 2000; Kim, 2007; Prasad y col., 2007; Nichols y Katiyar, 2010
Inhibición de la oxidación LDL
Ácido cafeico, ácido clorogénico, ácido p-cumárico, ácido ferúlico, ácido sinápico catequina
Cheng y col., 2007; De Camargo y col., 2014
Inhibidor de la xantina oxidasa
Ácido ferúlico, resveratrol Orallo, 2006; Itagaki y col., 2009
LDL: Low density lipoprotein, Lipoproteínas de baja densidad
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
20
1.3. EXTRACCIÓN Y RECUPERACIÓN DE ANTIOXIDANTES NATURALES
Para la obtención de componentes naturales es preciso lograr su separación
desde la matriz vegetal en la que se encuentran y la recuperación posterior a
partir del medio en el que se hayan solubilizado. Puede considerarse: i) la
extracción directa de compuestos que se disuelven en el agente extractor o ii) la
realización de una etapa adicional que logre la ruptura o separación de los
compuestos objetivo de los polímeros en los que se encuentre enlazado en la
pared celular. Los procesos de extracción con disolvente pueden aplicarse a
corrientes sólidas o a corrientes líquidas. Existen diversos procedimientos de
hidrólisis de la pared celular para facilitar la separación de los compuestos de
interés que estén enlazados químicamente con otros no extraíbles, de mayor
tamaño o cuya extracción no sea de interés. Puede realizarse por medios
químicos, con ácido o bases, o por medios enzimáticos. Por sus ventajas de tipo
ambiental y operacional se considera el proceso de autohidrólisis, una reacción
autocatalizada, principalmente por los grupos ácidos liberados por la rotura de las
hemicelulosas.
Una vez se dispone de una fase líquida en la que se encuentran disueltos los
solutos de interés, conviene realizar etapas físico-químicas para lograr la
concentración de estos componentes. Esto permitirá producir extractos más puros
y concentrados en los compuestos activos, permitiendo mayor variedad de
aplicaciones y mayor eficacia para los usos propuestos.
1.3.1. Extracción con disolventes líquidos
De modo general se consideran, entonces, dos tecnologías diferentes para la
extracción de compuestos antioxidantes a partir de residuos de las actividades
agrícolas e industriales, dependiendo de la naturaleza de la corriente residual:
- Extracción sólido-líquido o lixiviación a partir de residuos sólidos. El procedimiento
de separación de los compuestos antioxidantes a partir de estos materiales
requiere la extracción sólido-líquido con disolventes convencionales y la posterior
eliminación del disolvente para obtener un extracto concentrado. Los disolventes
más habituales son agua acidificada, etanol y metanol.
Introducción
21
- Extracción líquido-líquido cuando se desea separar compuestos con poder
antioxidante a partir de una corriente líquida i) producida durante el procesamiento
de residuos agrícolas, industriales… incluyendo los licores escurridos de los
sólidos residuales, o ii) de las corrientes de procesamiento hidrolítico de
materiales lignocelulósicos. Los disolventes seleccionados deben de presentar
baja miscibilidad con la corriente acuosa en la que inicialmente se encuentran los
compuestos de interés. Los más empleados son acetato de etilo y éter dietílico.
Una vez obtenido el extracto a partir del material residual es necesario realizar
etapas de purificación de tipo físico o químico (fraccionamiento en disolventes,
separación por membranas, en carbón activo…).
1.3.2. Autohidrólisis
1.3.2.1. Tratamiento hidrolítico de los materiales lignocelulósicos
Existe una gran variedad de tecnologías disponibles para el tratamiento ácido de
materiales lignocelulósicos, realizadas con la finalidad de solubilizar la fracción de
hemicelulosas y dejar en la fase sólida la celulosa y la lignina insoluble en ácido.
La tecnología más sencilla y menos contaminante es la de autohidrólisis, en la
que el material se pone en contacto con agua o vapor. Otros procesos
relacionados incluyen el empleo de reactivos como ácidos minerales
(prehidrólisis), SO2 u oxígeno (oxidación húmeda) (Garrote y col., 1999).
El procesamiento acuoso en condiciones suaves (por lo general llevado a cabo a
temperaturas en el intervalo de 160 a 250 ºC) es una tecnología respetuosa con el
medio ambiente y útil para el fraccionamiento de la biomasa (Garrote y col.,
1999). Las especies catalíticas (iones hidronio) proceden de la autoionización del
agua y de los ácidos orgánicos generados in situ por la degradación hidrolítica de
las hemicelulosas. Esta hidrólisis conduce a licores que contienen una mezcla de
oligómeros de azúcar, monosacáridos, productos de descomposición del azúcar
(tales como furfural o hidroximetilfurfural, HMF) y ácido acético (de la hidrólisis del
grupo acetilo). Como la reacción no es selectiva, otros compuestos también están
presentes en los licores (incluyendo aquellos derivados de la extracción y de la
lignina soluble en ácido). La fase sólida de los tratamientos está enriquecida en
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
22
celulosa, que casi no se ve alterada durante la autohidrólisis, lo que permite su
posterior utilización para diversos propósitos (Garrote y col. 2007).
La Figura 1.4 muestra un diagrama de flujo muy simplificado de un proceso
basado en el fraccionamiento por autohidrólisis de materiales lignocelulósicos y el
aprovechamiento posterior de los diversos componentes en productos de interés
(Parajó y col., 2008).
Figura 1.4. Diagrama de flujo de un proceso de fraccionamiento de MLC.
Introducción
23
1.3.2.2. Fundamento de los procesos de autohidrólisis
Al someter a los materiales lignocelulósicos (MLC) en disolución acuosa a
temperaturas entre 150-250 ºC, los protones generados por la autoionización del
agua actúan como catalizador de la hidrólisis de las hemicelulosas, atacando,
entre otros, a los grupos acetilo presentes en los heteropolímeros hemicelulósicos
en forma de ésteres. Estos se liberan en forma de ácido acético, en un proceso
que tiene especial importancia a partir de 150 ºC. La disociación del agua es un
equilibrio endotérmico y la concentración de protones aumenta con la
temperatura, mientras que el equilibrio de disociación del ácido acético en medio
acuoso es exotérmico y la concentración de protones generados por el ácido
acético disminuye con la temperatura. El valor del pKa del ácido acético es de 4,8;
de modo que, en el intervalo de temperaturas entre 100-300 ºC, la contribución
del ácido acético a la generación de protones es de 1700 a 106 veces mayor que
la del agua.
Este proceso guarda evidentes similitudes desde el punto de vista químico con la
prehidrólisis ácida, frente a la que presenta ventajas como:
i) ausencia de reactivos químicos distintos del agua y los MLC, lo que rebaja el
impacto ambiental del proceso,
ii) las hemicelulosas pueden convertirse en azúcares hemicelulósicos con buenos
rendimientos y con poca generación de subproductos,
iii) no hay problemas especiales de corrosión debido al pH relativamente suave al
que se opera,
iv) no son necesarias etapas de manipulación de lodos resultantes de la
neutralización del ácido, lo que simplifica la estructura del proceso, y
v) si al final del proceso el sistema se somete a una descompresión súbita (proceso
denominado explosión con vapor) se causa una desagregación en la matriz
lignocelulósica.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
24
Los principales productos solubilizados (azúcares oligoméricos y monoméricos)
presentan interés comercial: los xilooligosacáridos pueden emplearse como
prebióticos (Vázquez y col., 2001) y los monoméricos son útiles como fuente de
carbono en procesos de fermentación a etanol (Ando y col., 1986; Boussaid y col.,
2001; Martín y col., 2002) o xilitol (Rivas y col., 2002).
La presencia de compuestos distintos de los azúcares en los hidrolizados no es
deseable para los fines indicados, pues reducen la pureza de los
xilooligosacáridos e inhiben el metabolismo microbiano durante la bioconversión
de los azúcares. Para ello se ha propuesto la purificación de los licores por
extracción con acetato de etilo (Frazer y McCaskey, 1989; Cruz y col., 1999). Los
compuestos solubles en acetato de etilo contienen compuestos fenólicos con
capacidad antioxidante y antimicrobiana y su empleo podría ser de interés
económico al permitir el aprovechamiento de esta corriente residual.
1.3.3. Adsorción
La adsorción es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se
concentra sobre la superficie de otra fase (generalmente sólida, carbón activo o
resinas poliméricas). Por ello se considera como un fenómeno subsuperficial. La
sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama "adsorbato" y la
fase sólida que lo retiene se llama "adsorbente". Por el contrario, la absorción es
un proceso en el cual las moléculas o átomos de una fase interpenetran casi
uniformemente en los de otra fase constituyéndose una "disolución" con esta
segunda.
El término sorción incluye la adsorción y la absorción conjuntamente, siendo una
expresión general para un proceso en el cual un componente se mueve desde
una fase para acumularse en otra, principalmente en los casos en que la segunda
fase es sólida. Existen diferentes procesos de sorción (Appelo y Postma, 1993).
El proceso de cambio iónico supone un intercambio de una sustancia o ión por
otra sobre la superficie del sólido. La principal distinción entre sorción (adsorción y
absorción) y cambio iónico es que las ecuaciones que describen la sorción
consideran solamente una especie química, de manera que la distribución del
Introducción
25
soluto entre la disolución y el sólido responde a una relación simple, lineal o no.
Las ecuaciones para el cambio iónico tienen en cuenta todos los iones que
compiten por los lugares de intercambio.
En general, la adsorción desde una disolución a un sólido ocurre como
consecuencia del carácter liofóbico (no afinidad) del soluto respecto al disolvente
particular, o debido a una afinidad elevada del soluto por el sólido o por una
acción combinada de estas dos fuerzas.
El grado de solubilidad de una sustancia disuelta es el factor más importante para
determinar la intensidad de la primera de las fuerzas impulsoras. Cuanta mayor
sea la atracción de una sustancia por el disolvente, menos posibilidad tiene de
trasladarse a la interfase para ser adsorbida.
Cabe distinguir tres tipos de adsorción según que la atracción entre el soluto y el
adsorbente sea: i) de tipo eléctrico, ii) de van der Waals o iii) de naturaleza
química. La adsorción del primer tipo cae de lleno dentro del intercambio iónico y
a menudo se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso mediante el
cual los iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado
de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie. Para dos
adsorbatos iónicos posibles, a igualdad de otros factores, la carga del ión es el
factor determinante en la adsorción de intercambio. Para iones de igual carga, el
tamaño molecular (radio de solvatación) determina el orden de preferencia para la
adsorción. Este tipo de adsorción se comenta con detalle más adelante.
La adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de van del Waals se llama
generalmente adsorción física. En estos casos, la molécula adsorbida no está fija
en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse
dentro de la interfase. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas
bajas. La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en el agua con
carbón activado se considera de naturaleza física.
Si el adsorbato sufre una interacción química con el adsorbente, el fenómeno se
llama adsorción química, adsorción activa o quimiosorción. Las energías de
adsorción son elevadas, del orden de las de un enlace químico, debido a que el
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
26
adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del
adsorbente. Esta adsorción suele estar favorecida a temperatura elevada.
La mayor parte de los fenómenos de adsorción son combinaciones de las tres
formas de adsorción y, de hecho, no es fácil distinguir entre adsorción física y
química.
1.3.3.1. Mecanismo general de la adsorción
La adsorción corresponde a la transferencia de una molécula de la fase líquida
hacia la fase sólida. Este fenómeno obedece a las leyes de equilibrio entre la
concentración en fase líquida y la concentración en fase sólida, sobre la superficie
del material adsorbente. La adsorción de un soluto se efectúa según una sucesión
de cuatro etapas cinéticas:
a. Transferencia del soluto desde el seno de la fase líquida hacia la película
líquida que rodea el adsorbente. Esta transferencia se hace por difusión y
convección.
b. Transferencia del soluto a través de la película líquida hacia la superficie del
adsorbente. Se caracteriza por el coeficiente de transferencia externa de materia
global (kf), parámetro inversamente proporcional a la resistencia ejercida por la
película externa a la transferencia de masa. El espesor de esta película externa,
δ, y Kf dependen de la turbulencia existente en el seno de la fase líquida.
c. Difusión del soluto en el grano de adsorbente debido al gradiente de
concentración. Esta difusión puede hacerse: en estado libre, en el líquido
intraparticular (el coeficiente de difusión porosa, Dp, caracteriza esta migración), o
en estado combinado, de un sitio de adsorción a otro adyacente (el coeficiente
superficial, Ds, es específico de esta etapa). Algunos autores (Noll y Crowder,
1992) no establecen una diferencia entre estos coeficientes y los agrupan en un
único coeficiente de difusión efectiva, Defc.
d. Adsorción propiamente dicha. Este fenómeno corresponde al sistema de más
baja energía y se caracteriza por las interacciones soluto–soporte, que pueden
ser de dos tipos: la adsorción física (fisiosorción) que se basa en las fuerzas
Introducción
27
intermoleculares débiles (van der Waals o electrostática), cuyos efectos son
reversibles, y la adsorción química (quimiosorción) que se basa en las fuerzas de
naturaleza covalente, cuyos efectos son casi siempre irreversibles. La existencia
de tales enlaces supone la presencia de sitios reactivos. Siempre intervienen
simultáneamente los dos fenómenos, pero la fisiosorción parece ser el
mecanismo preponderante.
Estas etapas se efectúan en serie, siendo la más lenta la que impone la cinética.
Para la mayoría de los autores, las etapas a y d son rápidas; por lo tanto, es la
transferencia de masa a través de la película y de difusión en el interior del grano
(superficial y porosa) las que controlan la cinética de adsorción.
1.3.3.2. Factores que influyen en la adsorción
La adsorción depende de la naturaleza y la estructura del adsorbente, de las
propiedades físico–químicas del adsorbato y del medio en el cual la adsorción
debe efectuarse. El medio puede intervenir modificando las propiedades físico–
químicas del adsorbente (solubilidad, carga superficial, carácter hidrófobo /
hidrófilo, etc.), modificando la accesibilidad a los sitios de adsorción por
recubrimiento de la superficie externa del adsorbente o introduciendo compuestos
susceptibles de entrar en competición con la molécula cuya eliminación se busca.
Es el caso de las aguas naturales, que contienen numerosas sustancias
orgánicas o minerales que pueden modificar la adsorción de una molécula
específica, son numerosos los compuestos susceptibles de adsorberse en un
adsorbente comúnmente empleado como el carbón activo. Así, durante la
adsorción de microcontaminantes puede producirse una competición con estas
otras sustancias presentes e interacción con el soluto que se desea retener (Soto
y col., 2011).
Las condiciones operacionales que afectan a la adsorción y desorción deben de
estudiarse con el fin de lograr altas tasas de recuperación y producción
económica. Los principios teórico-prácticos de adsorción-desorción están bien
establecidos (Suzuki, 1990; Thomas y Crittenden, 1998; Duong, 1998; Toth, 2002;
Ruthven, 2005). Los efectos de las variables más influyentes han sido tratados y
revisado para carbón activo (Dabrowski y col., 2005) y para adsorbentes de bajo
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
28
costo (Ahmaruzzaman, 2008). La adsorción física depende de la influencia de
distintas variables: la superficie, funcionalidad, porosidad, irregularidades,
impurezas, estructura porosa interna y tamaño de partícula. Las moléculas de
fenol pueden formar vínculos con los grupos funcionales de la superficie y el anillo
aromático determina la magnitud de las interacciones hidrofóbicas (Bercic y col.,
1996).
Cuando se emplean resinas, el rendimiento de la resina se ve fuertemente
afectado por la estructura química y la funcionalidad de la superficie. La unión de
polifenoles a las resinas de intercambio iónico está influenciada por las
interacciones entre grupos funcionales, por interacciones hidrofóbicas y por
enlaces de hidrógeno (Kammerer y col., 2010a). Las interacciones de solutos con
un anión de base fuerte a un intercambiador puede seguir diferentes mecanismos
a diferentes pH: ambos adsorción e intercambio iónico fueron importantes en
condiciones alcalinas, mientras que la desorción del fenol fue predominante a pH
ácido (Carmona y col., 2006; Caetano y col., 2009).
La fuerza iónica y pH son factores clave que influyen en la adsorción de
compuestos fenólicos. A pH ácido, la adsorción de los compuestos fenólicos por
diferentes adsorbentes se mejora porque los fenoles no se disocian y predominan
las interacciones de dispersión (Grant y King, 1990; Dargaville y col., 1996;
Mohan y Karthikeyan, 1997; García-Araya y col., 2003; Dabrowski y col., 2005;
Mohanty y col., 2005; Ugurlu y col., 2005; Caqueret y col., 2008). El hidrógeno
puede desempeñar un papel importante (Chanda y col., 1983; Grohmann y col.,
1999; Ku y Lee, 2000; Ku y col., 2004; Kammerer y col., 2007; Navarro y col.,
2008a; Saleh y col., 2008; Kammerer y col., 2010; Pompeu y col., 2010). Durante
una etapa de adsorción en condiciones alcalinas, el pH disminuye desde la
disociación de grupos hidroxilo y se producen grupos carboxilo (Yoon y col., 1997;
Fu y col., 2005). No se ha visto influencia del pH (manteniendo en el intervalo
ácido) sobre la adsorción en algunas resinas fenólicas (Scordino y col., 2003,
2004; Silva y col., 2007).
La temperatura de adsorción influye de dos maneras: i) aumentando la tasa de
transporte a través de la capa límite externa y dentro de los poros debido a la
disminución de la viscosidad de la solución, y ii) en el cambio de la capacidad del
Introducción
29
adsorbente. Sin embargo, las altas temperaturas pueden promover interacciones
irreversibles (Qiu y col., 2007). Ambos efectos pueden ser positivos (Carabasa y
col., 1998; Gökmen y Serpen, 2002; García-Araya y col., 2003) o negativos
(Juang y Shiau, 1999; Ku y Lee, 2000; Ugurlu y col., 2005) sobre carbón activo,
minerales y resinas. En algunas aplicaciones, las temperaturas más altas
favorecen la adsorción, pero esta influencia no se apreció en resinas acrílicas; un
comportamiento atribuido a los efectos sobre la tensión superficial y la
transferencia de solutos a través de la capa límite (Scordino y col., 2003). En otros
casos la temperatura no afecta significativamente a la adsorción ni a la desorción
(Kammerer y col., 2005).
La presencia de oxígeno molecular en disoluciones acuosas que contienen
compuestos fenólicos aumentó la capacidad del carbón activo debido a
oligomerización o polimerización (Grant y King, 1990; Vidic y Suidan, 1991; Vidic y
col., 1993; de Jonge y col., 1996a; Abuzaid y Nakhla, 1996; Leng y Pinto, 1997;
Dabrowski y col., 2005). La adsorción en compuestos aromáticos de los grupos
superficiales que contienen oxígeno implica adsorción de agua, interacciones
dispersivas/repulsivas, enlaces de hidrógeno e interacciones donante-aceptor
(Franz y col., 2000). El efecto del oxígeno sobre la adsorción de los polifenoles en
resinas se ha estudiado menos (Saleh y col., 2008). La adsorción también se ve
influida por las características de adsorbato (Dargaville y col., 1996; Brune y col.,
1999; Pan y col., 2005; Cheng y col., 2006; Navarro y col., 2008a; Geng y col.,
2009; Li y col., 2009).
La adsorción a partir de una mezcla multicomponente es un problema complejo
(Kammerer y col., 2007; Silva y col., 2007; Kammerer y col., 2010a; Kammerer y
col., 2010b). Las interacciones entre los adsorbatos pueden mejorar la capacidad
de adsorción de algunos compuestos respecto a las mezclas binarias y en
sistemas ternarios, pero la desorción parcial también puede ser inducida en altas
concentraciones (García-Araya y col., 2003).
Las resinas poliméricas se han utilizado para la separación y la purificación de los
compuestos fenólicos (antocianinas, flavonoides y hidroxicinamatos) a partir de
productos naturales (Llorach y col., 2004; Scordino y col., 2005; Saleh y col.,
2008). Se obtuvieron productos concentrados de antocianinas a partir de bagazos
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
30
a escala de laboratorio y de planta piloto por adsorción en una resina de estireno-
divinilbenceno (S-DB), y se eluyeron con disoluciones alcohólicas (Kammerer y
col., 2005), los polifenoles de jugo de manzana se eluyeron con agua, etanol o
metanol (Saleh y col., 2008). También se ha propuesto un acoplamiento de
procesamiento de membrana y de adsorción para recuperar o para separar
compuestos fenólicos a partir de disoluciones de té (Li y col., 2005) o
concentrados de proteína de la alfalfa (D' Alvise y col., 2000).
Se han propuesto varias alternativas para la extracción de antioxidantes del
destilado de bagazo (Cruz y col., 2004; Díaz Reinoso y col., 2009), pues los
compuestos fenólicos que contienen confieren a estos licores más capacidad
antioxidante que la de algunos compuestos comerciales (Cruz y col., 2004).
Las membranas de ultra- y nanofiltración se emplearon para concentrar la
corriente residual acuosa obtenida tras la extracción del bagazo destilado de uva
blanca una vez prensado. El contenido en compuestos fenólicos y la capacidad de
captación de radicales ABTS de los retenidos fue de 3 a 6,6 veces mayores que
los de la alimentación (Díaz- Reinoso y col., 2009). Cuando los licores obtenidos
por prensado del bagazo de uva destilado se procesaron por membranas de
nano- y ultrafiltración, se ensayó el empleo de resinas poliméricas no iónicas para
retener los compuestos remanentes en el permeado. Una vez eluidos con
disoluciones acuosas de etanol mostraron capacidad de captación del radical
ABTS muy superior al Trolox (Díaz-Reinoso y col., 2010).
Introducción
31
1.4. INTERÉS DE LOS ANTIOXIDANTES NATURALES DE UVA Y VINO EN
COSMÉTICA
Desde sus orígenes, el hombre utilizó las plantas con fines estéticos y curativos,
desarrollando con el tiempo toda una gama de recetarios en los que se llegaba a
detallar la parte de la planta a utilizar y los procesos que debían seguirse en su
empleo. Pronto surgieron problemas, como por ejemplo la conservación de las
plantas o la escasez de actividad de los compuestos activos. Para solucionar el
primer problema se recurrió a la desecación, precisamente de esta técnica surgió
la palabra droga, que deriva del neerlandés “droghe” = seco (Gibello y col., 2007).
El posterior desarrollo de otras ciencias, como la Química, supuso un gran
impulso al permitir separar y analizar los componentes activos de la planta y
comprobar su efectividad.
En la actualidad, los principios activos vegetales ocupan un lugar preponderante
en la cosmética, después de un periodo de relativo olvido en el que se impusieron
los productos sintéticos o de origen animal. La actual tendencia “ecológica” o
naturalista ha hecho que el público demande productos naturales y los
formuladores ponen sus puntos de mira en el inmenso arsenal de los principios
vegetales.
Las plantas proveen de todo tipo de productos utilizables en cosmética (Martini,
2005): extractos empleados como principios activos, emulsionantes, espesantes,
antioxidantes, perfumes, bases grasas, etc.
Asimismo, los organismos marinos son un grupo muy heterogéneo en los
océanos y son excelentes reservorios para la identificación y extracción de
sustancias biológicamente activas con un potencial para actuar como productos
farmacéuticos, suplementos nutricionales, cosméticos, cosmecéuticos, enzimas y
productos de química fina (Carbajo y col., 2007). Los cosmecéuticos contienen
ingredientes activos como las vitaminas, fitoquímicos, enzimas, antioxidantes y los
aceites esenciales, y se puede aplicar a productos tales como cremas, lociones y
ungüentos. Por lo tanto, los cosmecéuticos han atraído recientemente la atención,
cada vez mayor, debido a sus efectos beneficiosos sobre la salud humana (Kim y
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
32
col., 2008). Aunque existen muchas sustancias que se utilizan en cosmética son
las algas las que más extensamente se han empleado. Casas cosméticas como
Alain Ganancia S.L., Bio Mer y Crisderma utilizan los extractos de algas en sus
diferentes formulaciones.
La Dermofarmacia es la cosmetología activa que ha experimentado en los últimos
años, un importante progreso en los principios activos, las formas y los métodos,
sometidos al mismo tiempo a una reglamentación rigurosa que garantiza la
seguridad del consumidor. No limita su papel a mantener una protección activa,
sino que permite una activación de los medios naturales que preservan el
metabolismo cutáneo, sometido a diversas agresiones que impiden su correcto
funcionamiento (Martini, 2005).
Esta concepción de la Dermofarmacia es:
- Científica, porque se basa en hechos y metodología objetiva para poner de
manifiesto la eficacia.
- Razonable y transparente, no de falsas promesas ni de mitos.
- Dinámica, porque procede de la investigación y de la innovación.
Todo cosmético se compone de principios activos, excipientes vehículos,
correctores y aditivos, dentro de estos se encuentran los conservantes, cuya
finalidad es evitar la proliferación de microorganismos y las posibles alteraciones
que pueda sufrir el cosmético, permitiendo que mantenga sus cualidades por un
tiempo prolongado y evitando riesgos para la salud del usuario. Además de los
conservantes como aditivos, también están los perfumes que se añaden para
conferir un olor agradable al cosmético.
Los polifenoles presentes en los residuos agroindustriales pueden ser
aprovechados para esas funciones porque, en general, son buenos antioxidantes,
captando radicales libres que, asimismo, les hacen provechosos para su inclusión
en cosméticos de antienvejecimiento. En el hollejo y la semilla de la uva, como
antioxidantes, destacan principalmente las proantocianidinas oligoméricas y el
resveratrol (Carbajo, 2007), con gran capacidad de captación de radicales libres,
responsables de la aparición de signos de propios del envejecimiento como
Introducción
33
manchas, arrugas o flacidez, que se producen al actuar directamente sobre las
células de la piel. La neutralización de los radicales libres repercutirá en el retraso
de la aparición de estas señales.
Los materiales vegetales con propiedades antioxidantes contra el envejecimiento
de la piel han sido ampliamente utilizados en productos cosméticos desde hace
años. Entre ellos la Camellia sinensis (L.) (té verde), que es un extracto conocido
por sus actividades biológicas y farmacológicas atribuidas principalmente a las
catequinas del té verde, que son compuestos polifenólicos presentes en las hojas
no fermentadas secas. El contenido total de polifenoles en las hojas de té varía,
aproximadamente, de 20 a 40%, dependiendo de la subespecie de la planta y la
ubicación geográfica (Carbajo, 2007)). Las cuatro principales catequinas
polifenólicas presentes en las hojas de té verde son (2)-epicatequina (EC),
epigalocatequina EGC), (2)-epicatequina-3-galato y epigalocatequina-3-galato
(EGCG). EGCG es el polifenol más abundante y activo en el té verde (Hsu, 2005;
Chow y Hakim, 2011; Ozkan y col., 2011).
La vid y el vino ofrecen subproductos con elementos activos de gran interés.
Algunos de ellos son: los polifenoles que se extraen de los sarmientos de la vid,
que además de antioxidante parece ser que estimula la producción de colágeno y
elastina, aunque su característica principal es la activad inhibidora de la síntesis
de melanina, con lo cual corrige manchas (por lo cual es útil para tratamientos de
antienvejecimiento); los hollejos son ricos en proantocianidinas oligoméricas, que
se pueden secar y pulverizar para uso cosmético; los precipitados (posos) tras la
fermentación del mosto tienen buenas propiedades filmógenas, que derivan en
una buena hidratación del estrato córneo de la piel al evitar la pérdida de agua por
transpiración; y, entre otros, compuestos extraídos de la levadura del vino, de la
que pueden extraerse compuestos que refuerzan las defensas de la piel y,
además, poseen propiedades calmantes. Diferentes partes de la uva y productos
derivados se emplean en cosmética: extractos de tallos, hojas, hollejos, semillas,
vino… Algunos productos cosméticos que se fabrican y se emplean en la
vinoterapia son los aceites de semilla de uva, exfoliantes, cremas reafirmantes,
despigmentantes, productos para la higiene oral, anticaspa, antimicrobianos,
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
34
saborizantes, estabilizantes, protectores solares… (Carbajo, 2007; Fiume y col.,
2014).
Otra aplicación es en Aromaterapia, que se define como “la utilización de aceites
esenciales con fines curativos y/o cosméticos”. Los aceites esenciales son
sustancias aromáticas que se encuentran en pequeñas glándulas situadas en
diferentes lugares de una gran variedad de plantas: pueden encontrarse en la
superficie de las hojas, en las raíces, en las flores, tallos… (Aparicio Rivero,
2000). Para que sean de buena calidad es imprescindible que el cultivo y
recolección de las plantas que los producen, así como los métodos de extracción,
hayan sido cuidados rigurosamente. Su composición química es muy variada,
siendo alcoholes, ésteres, cetonas, fenoles y aldehídos los componentes
mayoritarios, aunque contienen una serie de compuestos secundarios, cuya
fórmula es desconocida en muchos casos, y que son sinérgicos con los
anteriores. Una característica muy relacionada con la composición química, y a la
que se deben sus propiedades, es su volatilidad (si es elevada se trata de notas
altas o de salida; si es baja, de notas de fondo o de cola).
Para que un consumidor utilice los productos cosméticos, estos deben ser
atractivos y promover un sentimiento de bienestar en los usuarios; así, el color,
olor y la sensación del producto sobre la piel deben ser agradables para el
consumidor. Además, su eficacia y seguridad deben de estar probados por
métodos adecuados y sus aplicaciones aprobadas por las agencias reguladoras
(Engen, 1991; Faria y Yotsuyanagi, 2002). La adición de un determinado extracto
en las formulaciones podría conferirles un color y en particular un olor, que
pudiera afectar afectar a la aceptación del producto por parte del consumidor. Por
lo tanto, es evidente una verificación de la aceptación por parte de los
consumidores.
El análisis sensorial se utiliza ampliamente en la industria alimentaria y, en los
últimos años, se ha aplicado también en la industria cosmética (Aust y col., 1987;
Backe y col., 1999; Wortel y col., 2000; Lee y col., 2005; Parente y col., 2008;
Almeida y col., 2008; Isaac y col., 2008).
Introducción
35
El análisis sensorial, según el Sensory Evaluation Division of the Institute of Food
Techonologists, puede ser entendido como la disciplina que interpreta, evoca,
evalúa y mide las reacciones a las características de un producto, después de
provocar estímulos en el ser humano en relación a la visión, el tacto, el olfato y el
gusto y cómo estos estímulos son percibidos por los órganos de los sentidos
(Stone y Sidel, 1992).
Los ensayos sensoriales se han incluido como garantía de calidad por ser una
medida multidimensional integrada, poseyendo importantes ventajas, como: ser
capaz de medir cuántos jueces gustan o no gustan de un determinado producto,
identificar la presencia o ausencia de diferencias sensoriales perceptivas, definir
características sensoriales importantes de un producto y ser capaz de detectar
particularidades que no pueden ser detectadas por procedimientos analíticos
(Muñoz y col., 1993).
Las diferencias sensoriales de los productos son debidas al tipo de formulación, a
las materias primas que los componen y al envase que los contienen (Dooley y
col., 2009); aunque influyen, sobre todo, las materias primas, dado que en el
Dictionary of the Cosmetics, Toiletries and Fragrance Association hay listados
más de diez mil productos (Castro, 2006)
La visión es el sentido más usado en la adquisición de un cosmético, pues en
función de ella se tiene la primera impresión del producto, ejerciendo una gran
influencia en la decisión de compra (Tamashiro y col., 2009).
El tacto es el responsable de verificar la sensación en la piel o en el cabello,
durante y después de la aplicación de un determinado producto (Faria y
Yotsuyanagi, 2002).
El gusto es la sensación percibida, en la lengua, por las papilas gustativas, en
respuesta a los estímulos químicos (Faber, 2006).
El olfato es percibido cuando los compuestos volátiles de un determinado
producto sensibilizan el sistema olfativo, al entrar en contacto con la cavidad nasal
(Manfugás, 2007).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
36
Dada la importancia de los sentidos olfativos, táctiles y visuales, una estrecha
relación entre la investigación, la producción y la sensación descrita por el
consumidor es uno de los factores más importantes para el éxito de un producto
para la industria del cuidado personal a través del análisis sensorial (Lee y col.,
2005).
2. Objetivos y plan de trabajo
Conclusiones y plan de trabajo
39
2. OBJETIVOS Y PLAN DE TRABAJO
2.1. OBJETIVOS
El objetivo principal de esta tesis es la purificación mediante procesos de
adsorción-desorción de la fracción fenólica presente en corrientes residuales y
subproductos de la destilería del vino, y la evaluación posterior de los productos
concentrados como aditivos en productos cosméticos.
Para lograr este objetivo global, se han planteado otros objetivos específicos:
Objetivo 1:
Acondicionamiento de distintas corrientes residuales de distintas destilerías como
fuente de antioxidantes fenólicos.
Objetivo 2:
Evaluación de adsorbentes comerciales que según la bibliografía tengan potencial
para retener selectivamente compuestos fenólicos y que sea factible la desorción
posterior con disoluciones etanólicas.
Objetivo 3:
Comparación del potencial de los productos concentrados empleados como
ingredientes y aditivos en productos cosméticos, para proteger frente a la
oxidación y sobre las características sensoriales.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
40
2.2. PLAN DE TRABAJO
Para alcanzar los objetivos propuestos se ha planteado la siguiente secuencia de
tareas principales, que se resume en la Figura 2.1:
Figura 2.1. Esquema general del plan de trabajo establecido en esta tesis.
2.2.1. Producción de lotes homogéneos
2.2.1.1. Producción de lotes de licores de prensado de bagazos (LPBD) o
vinazas de alcoholera. Se emplean bagazos destilados, proporcionados por la
Cooperativa Vitivinícola del Ribeiro (Ribadavia, Ourense) y por una bodega de la
denominación Valdeorras, Destilería De Galicia (O Barco de Valdeorras,
Ourense). Ambas corrientes constituyen un residuo para la bodega que los
genera, una vez se han utilizado para la producción de aguardiente. Se considera
el empleo de los antioxidantes que se encuentran en la fase líquida que empapa
estos bagazos y que se retiran por prensado y por lavado.
Conclusiones y plan de trabajo
41
2.2.1.2. Producción de lotes de licores de autohidrólisis del bagazo de uva
blanca destilada (LABD), que se somete a un proceso en condiciones no
isotermas para solubilizar las hemicelulosa. La fase líquida generada en este
proceso contiene azúcares procedentes de la fracción de hemicelulosas, ácido
acético, productos de descomposición de los azúcares, extractos y fracciones
despolimerizadas de la lignina soluble en ácido. La eliminación de los compuestos
fenólicos de los licores permite obtener disoluciones destoxificadas de azúcares
fermentables, susceptible de emplearse como fuente de carbono en procesos de
bioconversión. Si los compuestos eliminados se concentran, su aplicación como
antioxidantes de origen natural se vería favorecida. La secuencia propuesta de
adsorción-desorción permite la eliminación de los compuestos de la fase líquida
(adsorción) y la posterior concentración en una corriente de menor volumen
(desorción) al eliminar el disolvente (etanol) empleado.
2.2.2. Selección de adsorbentes comerciales
2.2.2.1. Selección de carbones activos comerciales de distinta morfología y
propiedades físicas, en pruebas realizadas en estudios de sistemas estáticos y
dinámicos.
Se determinan las cinéticas y las condiciones de equilibrio durante el proceso de
adsorción y se ajustan a los modelos matemáticos más usuales.
Se determina la capacidad de desorción de los compuestos activos empleando
disoluciones etanólicas.
Se evalúa el potencial del adsorbente para operar en una serie de etapas
sucesivas tras la correspondiente regeneración.
2.2.2.2 Selección de resinas poliméricas no iónicas comerciales de distintas
propiedades físico-químicas.
En pruebas realizadas en estudios en estático.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
42
Se determinan las cinéticas y las condiciones de equilibrio durante el proceso de
adsorción y se emplean modelos matemáticos para el ajuste de los datos
experimentales.
Se determina la capacidad de desorción de los compuestos activos empleando
disoluciones etanólicas, se optimizan las principales condiciones de operación con
la finalidad de maximizar los rendimientos de recuperación y las propiedades
antiradicalarias de los productos eluidos.
2.2.2.3. Evaluación de las condiciones de operación con los adsorbentes
seleccionados, durante la operación en sistemas dinámicos para adsorción y
desorción. En pruebas realizadas en continuo:
Se evalúa el efecto de las condiciones de operación sobre el grado de adsorción
de los compuestos fenólicos con actividad antioxidante.
Se optimiza el proceso de desorción para maximizar los rendimientos de
recuperación y las propiedades antiradicalarias de los productos eluidos.
2.2.3. Evaluación de las propiedades antioxidantes y sensoriales de los
extractos.
Con extractos concentrados obtenidos tras las etapas de adsorción-desorción con
los adsorbentes seleccionados en base a su eficacia se realizan dos tipos de
ensayos.
2.2.3.1. Determinación de la protección de productos cosméticos frente a la
oxidación en condiciones aceleradas y comparación con otros antioxidantes
comerciales de origen sintético o natural.
2.2.3.2. Evaluación sensorial y aceptación por parte de los consumidores de
productos cosméticos formulados con los extractos obtenidos en este trabajo en
relación con otros de naturaleza sintética o natural.
3. Materiales y métodos
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
45
3. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. MATERIALES
3.1.1. Materias primas empleadas
3.1.1.1. Bagazos de destilería
- Bagazo fermentado y destilado de la Denominación de Origen Ribeiro,
proporcionado por la Cooperativa Vitivinícola del Ribeiro (Valdepereira,
Ribadavia, Ourense) en las campañas 2006-2010. El bagazo se prensa y la
fase sólida remanente se mantiene congelada a -18 ºC hasta su uso. A partir
de este bagazo es posible disponer de diferentes tipos de licores.
- Bagazo fermentado y destilado de la Denominación de Origen Valdeorras,
suministrado por Destilerías De Galicia, S.A. (O Barco de Valdeorras,
Ourense) en la campaña 2013. El bagazo se prensa y la fase sólida
remanente se mantiene congelada a -18 ºC hasta su uso. A partir de este
bagazo es posible disponer de diferentes tipos de licores.
3.1.1.2. Astillas de madera de Pinus pinaster proporcionadas por FINSA,
Orember (Ourense), que se secan al aire, se muelen a un tamaño menor de
1 mm y se almacenan en un lugar oscuro y seco.
3.1.1.3. Flores de Acacia dealbata, que se recogen en zonas forestales en los
alrededores de Ourense en el invierno de 2014 y se procesan
inmediatamente.
3.1.1.4. Shiitake (Lentinus edodes), compradas en un mercado local de
Ourense. Las setas se congelan, liofilizan y cortan hasta un tamaño de
partícula de 2 x 2 cm aproximadamente, para finalmente molerlas. El material
molido se guarda en un lugar fresco y seco antes de su empleo.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
46
3.1.2. Licores y extractos
Para los estudios de adsorción y desorción que se plantean en este trabajo se
emplean los licores de prensado, de lavado y los licores de autohidrólisis de los
bagazos de destilería y extractos de las otras materias primas.
3.1.2.1. Licores
- El licor de prensado o vinazas se obtiene tras someter el bagazo a una etapa
de prensado para eliminar el líquido que lo empapa y aprovechar los
componentes fenólicos y antioxidantes que contiene. Estos licores se
centrifugan para eliminar sólidos en suspensión y se mantienen congelados a
-18 ºC hasta el momento de su uso.
- El licor de lavado se obtiene tras someter al bagazo prensado a un lavado con
agua de grifo, con la finalidad de aprovechar los componentes todavía
retenidos en el bagazo y que no se eliminan con la fase líquida retirada en la
etapa de prensado. Estos licores se centrifugan para eliminar sólidos en
suspensión y se mantienen congelados a -18 ºC hasta el momento de su uso.
- Licores de autohidrólisis del bagazo prensado y lavado. Esta otra fase
líquida empleada como fuente de compuestos susceptibles de adsorberse se
produce tras la autohidrólisis del bagazo prensado.
3.1.2.2. Extractos
Extracto de bagazo o subproducto de bodega concentrado (SBC)
El extracto de bagazo prensado del orujo de uva destilada se extrae con agua en
una relación de líquido a sólido 15 (g/g), a 50 ºC en un agitador orbital a 175 rpm
durante la noche. Las fases sólida y líquida se separan por filtración y la fase
líquida se pone en contacto con la resina polimérica no iónica (Sepabeads SP700,
Resindion SRL, Mitsubishi Chemical Corp.). Previo a su uso, las resinas se
enjuagan con agua desionizada en una relación de líquido a sólido de 5 (g/g). La
desorción se lleva a cabo con etanol al 96 % con una relación de disolvente a
resina 3 (mL/g) en un agitador orbital a 175 rpm y 50 ºC durante toda la noche. La
Materiales y métodos
47
resina se regenera en una disolución 1 M de NaOH durante la noche y se lava
con agua desionizada (Soto y col., 2012).
Extracto de madera de pino (EMP)
Las muestras de madera de Pinus pinaster se ponen en contacto con etanol al
96 % en matraces Erlenmeyer sellados a 50 °C en un agitador orbital a 175 rpm
durante la noche. Las fases sólida y líquida se separan por filtración a vacío, esta
última se concentra en rotavapor para eliminar el disolvente y se liofiliza
posteriormente.
Extracto de flores de Acacia dealbata (EFA)
Las muestras de flores se ponen en contacto con etanol al 96 % en matraces
Erlenmeyer sellados a 50 °C en un agitador orbital a 175 rpm durante la noche.
Las fases sólida y líquida se separan por filtración a vacío, esta última se
concentra en rotavapor para eliminar el disolvente y se liofiliza posteriormente.
Extracto de Lentinus edodes (ES)
Las muestras secas de Lentinus edodes o Shiitake, se ponen en contacto con
etanol al 96% en matraces Erlenmeyer sellados a 50 °C en un agitador orbital a
175 rpm durante la noche. Las fases sólida y líquida se separan por filtración a
vacío, esta última se concentra en rotavapor para eliminar el disolvente y se
liofiliza posteriormente.
Extracto de erizos de Castanea sativa (EAEC)
Los erizos de castaña se recolectaron en otoño de 2006 en la Ribeira Sacra
(Ourense), se procesaron por autohidrólisis no isoterma. La fase líquida obtenida
se sometió a extracción con acetato de etilo, lavado con disoluciones etanol:agua,
adsorción en Sepabeads SP700 (Resindion S.R.L., Mitsubishi Chemical Co.) y
elución con etanol. El extracto final se obtuvo después de liofilización (Conde y
col., 2011).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
48
3.1.3. Adsorbentes
3.1.3.1. Carbón activo
Se seleccionan carbones activos comerciales, que en diversos trabajos
consultados en el momento de realización de estos estudios, se emplearon con
éxito para eliminar compuestos fenólicos de corrientes acuosas (Berci y Pintar,
1996; Kilduff y King, 1997; Otero y col., 2004; Álvarez y col., 2005).
Se ensayan tres carbones activos diferentes:
- Carbón pulverizado de alta pureza, Darco G-60, suministrado por Sigma Chem
Co., con un tamaño de partícula de 100-325 mesh, de 600 m2/g de superficie
específica y un volumen de poro de 0,95 mL/g.
- Carbón granular Darco 12-20, suministrado por Sigma Chem Co., con un
tamaño de partícula de 12-20 mesh y de igual superficie y volumen de poro
que el anterior.
- Carbón peletizado, suministrado por Riedel-De Haën, y del que no se dispone
de datos de superficie específica ni volumen de poro.
3.1.3.2. Resinas poliméricas no iónicas
Para todos los procesos de purificación, estudiados en este trabajo, se utilizan
resinas poliméricas no iónicas comerciales de grado alimentario. Se emplea: un
polímero acrílico, Amberlite XAD7HP, dos resinas con matriz de formaldehído-
fenol policondensado, Amberlite XAD761 y Amberlite XAD1180, y tres resinas PS-
DVB (polisulfona-divinilbenceno), Amberlite XAD2, Amberlite XAD4 y Amberlite
XAD16, suministradas por Sigma Chemical Corporation. Se utilizan copolímeros
de PS-DVB con diferente hidrofobicidad, Sepabeads SP700, Sepabeads SP207,
Sepabeads SP825, Sepabeads SP850 y Diaion HP20, una resina con una
estructura de polimetacrilato, Diaion HP2MG y un polímero PS-DVB modificado
químicamente, Sepabeads SP70, que fueron suministrados, amablemente, por
Resindion SRL (Mitsubishi Chemical Co.). Las características físico-químicas de
estas resinas se resumen en la Tabla 3.1.
Materiales y métodos
49
El contenido de humedad de las resinas se determina mediante el secado de las
perlas en un horno a 100 °C hasta peso constante, y los experimentos de
adsorción se llevan a cabo utilizando cantidades conocidas de resinas.
Tabla 3.1. Características físico-químicas de las resinas comerciales utilizadas para la recuperación de compuestos fenólicos a partir de subproductos de destilería.
Nombre
comercial Estructura
Área superf.
(m2/g)
Radio
de
poro
(Å)
Porosidad
(mL/g)
Tamaño de
partícula
(mm)
Densidad
(g/mL)
Amberlite
XAD2 PS-DVB 330 90 0,65 0,25-0,84 1,02
XAD4 PS-DVB 725 40 0,98 0,25-0,84 1,02
XAD7HP Éster acrílico 450 90 1,14 0,25-0,84 1,05
XAD16 PS-DVB 800 100 1,82 0,25-0,84 1,02
XAD761 Fenol-formaldehido 300 600 0,43 0,56-0,76 1,11
XAD1180 Fenol-formaldehido 600 300 1,68 0,35-0,60 1,01
Diaion
HP20 PS-DVB 600 260 1,3 0,25-0,60 1,01
HP2MG Polymethacrylate 470 170 1,2 0,25-0,60 1,09
Sepabeads
SP70 Modificada PS-DVB
(Br-PS-DVB)
800 70 1,6 0,25-0,85 1,01
SP207 PS-DVB 630 120 1,1 0,25-0,60 1,18
SP700 PS-DVB 1200 90 2,3 0,25-0,70 1,01
SP825 PS-DVB 1000 57 1,4 0,30-0,50 1,01
SP850 PS-DVB 1000 38 1,2 0,30-0,80 1,01
3.1.4. Formulación de cosméticos
3.1.4.1. Cosméticos para evaluación de la estabilidad oxidativa
Para los experimentos de evaluación de la estabilidad frente a la oxidación
acelerada se ensayan dos cremas, una crema de aguacate y una crema solar y
dos aceites cosméticos, un aceite de masaje y un aceite de ducha. Los extractos
se añaden como antioxidantes en los preparados cosméticos. No se probaron
todos los extractos en todos los productos cosméticos sino que se seleccionaron
aquellos que permitían obtener mezclas más homogéneas y estables durante el
período de realización de los ensayos.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
50
Crema de aguacate (CG)
Se formula con los siguientes componentes (g): monolaurato de aceite de
aguacate (Guinama, Valencia) (25), sorbitán (Guinama, Valencia) (5), agua (100)
y antioxidante (0,4). Todos los ingredientes se mezclan, homogeneizan con
sonicación y neutralizan con trietanolamina (si la mezcla tiene un pH ácido), para
formar la emulsión. Los extractos ensayados en esta crema son: tocoferol (T),
extracto de erizos de castaño preparado por autohidrólisis (EAEC) y subproductos
bodega concentrados (SBC).
Crema solar (CS)
Se prepara con una fase de aceite que contiene (g): base de crema (O/W) (18),
dimeticona 350 (6), aceite de aguacate (3), protector solar (8), dióxido de titanio
(18), antioxidante (0,75), Fenonip (0,35) y una fase acuosa que contiene propileno
(6), Carbopol Ultrez 10 (1,5), trietanolamina (1,5) y agua desmineralizada (80).
Los ingredientes empleados son de Guimana (Valencia). Los aceites fundidos se
mezclan en un baño de agua a 70 ºC. Cuando la temperatura de la mezcla llega a
40 ºC, se añaden 0,45 mL de aceite de bergamota y 3 mL de ciclometicona,
ambos de Guimana (Valencia). El Carbopol y el propileno se añaden por
separado al agua, se homogeneizan con sonicación y se neutralizan con
trietanolamina para formar un gel. La fase oleosa se mezcla con la fase acuosa
con agitación constante. Los compuestos y extractos probados en esta crema
son: T, extracto de té (ET) (Guinama, Valencia, España), el extracto de vid
comercial (EV) (Guinama, Valencia, España).
Aceite de masaje (AM)
Se compone de los siguientes ingredientes (g): glicerilo tricapril-caprato (42,5),
octildodecanol (25,5), miristato isopropílico (22), aceite de almendras (6), mentol
(1,5), alcanfor (1,5) y antioxidante (0,5). El aceite se prepara añadiendo el alcanfor
y el mentol al aceite de almendras, la mezcla se agita con una espátula y después
de la adición de los otros componentes se somete a ultrasonidos durante
4 minutos. Los extractos probados en este aceite son: T, ET y el extracto de
Fucus (EF) (Guinama, Valencia, España).
Materiales y métodos
51
Aceite de la ducha (AD)
Se formula mezclando y homogeneizando los siguientes componentes (g) en el
orden propuesto: octildodecanol (35), miristato isopropílico (20), antioxidante (0,5),
esencia (0,3), glicerilo de tricapril-caprato (44). Los ingredientes han sido
proporcionados por Guinama (Valencia). Los extractos probados en este aceite
son: T, ET y EF.
Los extractos antioxidantes se añaden al aceite disuelto en etanol. También se
preparan y analizan muestras de control sin extracto añadido.
3.1.4.2. Cosméticos para evaluación sensorial
Para los experimentos de evaluación sensorial, se eligen seis preparados
cosméticos: una crema de manos, un aceite corporal, un champú, un exfoliante,
una mascarilla de arcilla y un tónico limpiador. Los ingredientes empleados son de
Guinama (Valencia). Los extractos se añaden a los preparados cosméticos como
antioxidantes y como aditivos (colorante y perfume).
Los extractos ensayados en todos los preparados cosméticos son: extracto
concentrado de bagazo de destilería y extractos etanólicos de pino, mimosa y
Shiitake. Los extractos antioxidantes se añaden a los preparados disueltos en
etanol. También se formulan y analizan muestras sin extracto añadido para que
sirvan de control.
Crema de manos (CM)
Se formula con los siguientes componentes (g): vaselina líquida (30), lanolina
(30), Kathon CG (0,2) y el extracto correspondiente (5 gotas). Se funde la lanolina
en baño maría a 50 °C y se añade, poco a poco, la vaselina agitando
constantemente hasta obtener una mezcla homogénea. Si la mezcla posee un pH
ácido se neutraliza con trietanolamina. Se deja enfriar y se adicionan 5 gotas del
extracto correspondiente.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
52
Aceite corporal (AC)
Se formula con los siguientes componentes (mL): aceite de almendras (20), aceite
de Glycine soja (20), aceite de Ricinus communis (10). Se mezclan los aceites
con agitación lenta en baño maría a 40 °C. Se deja enfriar y se adicionan 5 gotas
del extracto correspondiente.
Champú (CH)
Se prepara con los siguientes ingredientes (%): lauril sulfato sódico (45),
dietanolamina (3), Kathon CG (0,02), ácido cítrico (0,01), extracto correspondiente
(5 gotas) y agua destilada (c.s.p.1 100). Se mezcla la mitad del agua con el
detergente, y se disuelve la dietanolamina, y el ácido cítrico y el Kathon en la otra
mitad. Se mezclan las dos disoluciones con agitación intensa y se añade el resto
de ingredientes en orden.
Exfoliante corporal con sales (EC)
Se prepara con los siguientes ingredientes (g): cloruro sódico (150), aceite de
almendras (c.s.2) y extracto correspondiente (5 gotas). Se incorpora el aceite en
cantidad suficiente para humedecer toda la sal, se adiciona el extracto y se agita
hasta obtener una mezcla uniforme.
Mascarilla de arcilla (MA)
Se formula con los siguientes componentes (g): lauril sulfato sódico (0,1), caolín
(35), bentonita (5), alcohol cetílico (1-hexadecanol) (2), glicerina (10), Kathon CG
(0,2), extracto correspondiente (5 gotas) y agua destilada (c.s.p. 100). Se incorpo-
ra el volumen necesario de agua de la fórmula a la bentonita y se deja reposar
24 horas para gelificar. Se funde el alcohol cetílico a baño maría. Se añade el
detergente, la glicerina y el antimicrobiano a la mezcla de bentonita y se calienta a
40 °C, temperatura cercana al fundido anterior al cual se adiciona. Manteniendo la
temperatura, se añade el caolín y se agita para evitar la formación de grumos.
Una vez frío se añade el extracto.
1 Nota: c.s.p. 100 = cantidad suficiente para los 100
2 Nota: c.s. = en cantidad suficiente
Materiales y métodos
53
Tónico limpiador (TL)
Se formula con los siguientes ingredientes y proporciones (mL): alcohol cetílico
(10,5), vaselina (30), agua (258), trietanolamina (1,5), Kathon CG (0,6) y el
extracto correspondiente (5 gotas). Se funde el alcohol cetílico con la vaselina en
un baño maría a 70 °C agitando lentamente. Se disuelve la trietanolamina, el
antimicrobiano y el agua destilada y, sin dejar de agitar, se calienta a la misma
temperatura anterior. Al sacar esta mezcla del baño se vierte poco a poco la fase
acuosa sobre la oleosa agitando lentamente hasta su enfriamiento.
Posteriormente, se añade el extracto.
3.2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
3.2.1. Prensado y lavado de los bagazos
Los bagazos procedentes de la destilería se someten a un escurrido en una
prensa “Enerpac RC106” a una presión aproximada de 1,4 MPa durante 5 min.
Una vez eliminada la fase acuosa, retenida en los bagazos de destilería, se
procede a un lavado con agua del grifo. El lavado se realiza en condiciones
consideradas como no limitantes. Se selecciona una relación líquido/sólido
suficientemente elevada, de 25 (p/p), se mantiene con agitación continua durante
1 h a 60 ºC. El contenido fenólico promedio de estos licores es de 0,16 mg
equivalentes de ácido gálico/L.
3.2.2. Solubilización y recuperación de compuestos fenólicos
3.2.2.1. Tratamiento hidrotérmico no isotermo (Autohidrólisis)
Los experimentos de autohidrólisis se llevan a cabo en un reactor discontinuo de
mezcla completa que permite operar en régimen isotermo y en régimen no
isotermo. Se emplea el equipo de marca Parr, modelo 4551, Parr Company
(Illinois, EUA), que se muestra en la Figura 3.1 y tiene las siguientes
características:
- Volumen de trabajo: 3,75 L.
- Presión de trabajo: hasta 200 atm.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
54
- Temperatura de trabajo: hasta 350 ºC.
- Velocidad de agitación: hasta 800 r.p.m.
Figura 3.1. Reactor a presión (Parr Instrument Co., Moline, IL).
La vasija cilíndrica del reactor está construida en acero al carbono para evitar la
corrosión. El reactor está equipado con válvula de ruptura de seguridad, válvula
de toma de muestra, válvula para inyección de catalizadores, manómetro,
termopar interno, serpentín interno de enfriamiento, sistema interno de agitación
de hélices y camisa calefactora externa. El equipo se controla mediante un
módulo digital.
Las variables de operación en autohidrólisis son la temperatura, el tiempo, la
velocidad de agitación, la relación líquido/sólido (RLS, g agua /g MLC en base
seca (b.s.)) y el tamaño de partícula. Las consideradas típicamente más
influyentes son la temperatura y el tiempo, siendo la primera función del segundo,
cuando se opera en condiciones no isotermas.
Para la realización de estos experimentos se seleccionan procesos de
autohidrólisis en condiciones no isotermas. Esta forma de trabajo permite alcanzar
en menos tiempo los mismos resultados que en operación isoterma. Se emplea el
bagazo prensado, una vez lavado y secado a temperatura ambiente, para facilitar
su homogeneización y posterior conservación. La relación líquido/sólido y el
tamaño de partícula se fijan en valores anteriormente empleados durante la
autohidrólisis en condiciones isotermas (Cruz y col., 2004) siendo de 8 g de agua
por cada gramo de bagazo seco. La velocidad de agitación se mantiene a 150
r.p.m. para permitir una buena mezcla de la suspensión. La temperatura máxima
Materiales y métodos
55
evaluada se estudia en el intervalo 190-210 ºC, tardando entre 0,26 y 0,3 h en
alcanzarla, según el perfil de temperaturas de la Figura 3.2.
Figura 3.2. Perfil de calentamiento y enfriamiento del reactor a
presión Parr.
Una vez alcanzada la temperatura se conecta el sistema de refrigeración del
equipo hasta alcanzar los 60 ºC y posteriormente se abre el equipo, se filtra la
suspensión a vacío y se guardan los licores para los estudios posteriores. El
contenido fenólico promedio de estos licores es de 2,6 mg equivalentes de ácido
gálico (EAG)/L.
3.2.2.2. Proceso de adsorción en resinas y carbones activos
A) Activación de los adsorbentes
a) Las resinas se activan por contacto con una cantidad de metanol suficiente
para cubrir el lecho de resina con un nivel de 2,5-5 cm (Sigma-Aldrich, Madrid,
España). Las resinas y el metanol se mezclan suavemente por agitación durante
un minuto y a continuación, la suspensión se agita a 175 rpm y 25 ºC durante
15 min. Antes del uso, las resinas se enjuagan con agua desionizada empleando
una relación líquido:sólido de 5 (g/g).
b) Se utilizaron carbones comerciales sin necesidad de someterlos a tratamientos
previos de activación.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
56
B) Exploración y/o selección de resinas y carbones activos
Las corrientes estudiadas provenientes de los subproductos líquidos de bodega
centrifugados en modo discontinuo o batch se mezclan con cantidades
previamente pesadas de resinas hidratadas en matraces Erlenmeyer sellados a
25 ºC en un agitador orbital a 175 rpm. La concentración de compuestos fenólicos
adsorbidos en el tiempo t en una unidad de masa de resina (qt, mg/g) se mide
como equivalentes de ácido gálico y se calcula por la ecuación:
W
VCCq t0
t
) - ( Ec. [3.1]
donde C0 y Ct son las concentraciones de fenólicos en la solución acuosa (mg/L)
en la etapa inicial y en el momento t, respectivamente, V es el volumen de la
solución añadida en el matraz (L), y W es el peso de la resina húmeda (g). Los
experimentos se realizan por triplicado.
Los ensayos cinéticos se realizan en matraces Erlenmeyer de 25 mL, con 5 mL de
fase líquida y 3 g de adsorbente a un pH inicial de 4,0 a 25 ºC y durante periodos
suficientemente largos para permitir alcanzar el equilibrio.
Los estudios con carbón activo se realizan en condiciones que favorezcan
posteriormente la desorción de los compuestos antioxidantes. Se mantiene una
atmósfera inerte haciendo burbujear nitrógeno en cada Erlenmeyer antes de
comenzar el proceso.
Una vez detenida la adsorción se filtran las muestras inicialmente a vacío, a
través de papel de filtro y a continuación el contenido de cada matraz se filtra a
través de una membrana de 0,45 m. A los filtrados se les determina el contenido
en compuestos fenólicos y la actividad antioxidante.
Materiales y métodos
57
C) Lavado de los adsorbentes
Se utiliza agua destilada para eliminar los compuestos no adsorbidos susceptibles
de reducir la pureza de los extractos desorbidos en las etapas posteriores. El
lavado se realiza en dos etapas con agua destilada en una relación de agua:
resina de 3 (g/g) y en agitador orbital (175 rpm) a 25 ºC durante 20 min.
D) Modos de operación
D.1) Adsorción en estático
La adsorción en discontinuo es necesaria para establecer la cinética del proceso y
para obtener las isotermas de adsorción y poder determinar los parámetros de
equilibrio de adsorción con los distintos adsorbentes empleados en el trabajo.
Para estos estudios se parte de i) licores de prensado o vinazas y ii) licores de
autohidrólisis. Se emplean 15 mL de licores en Erlenmeyers de 25 mL.
D.2) Adsorción en dinámico
Para los estudios de adsorción en continuo se emplea el equipo que se muestra
en la Figura 3.3, que consta de una columna de vidrio encamisada rellena de
adsorbente acoplada al sistema Biologic Duo Flow de Bio Rad, con un detector
Quadtec UV-visible que permite la medida en línea de la absorbancia de la
corriente de salida de la columna a diferentes longitudes de onda, y un colector de
fracciones Biofrac, que permite la separación de las distintas fracciones. Los
licores se almacenan en un tanque de 10 L.
La columna se alimenta con la muestra, con un contenido previamente
caracterizado en compuestos fenólicos, por su parte superior con un caudal
determinado para cada ensayo. Inicialmente se realizan ensayos con columnas
de distintas relaciones longitud/diámetro, se trabaja con una columna de 25 cm de
largo y 1 cm de diámetro con un relleno de carbón activo de 13 cm (Figura 3.3) y
con relleno de resina SP700 y Amberlite XAD 16HP de 10 y 20 cm.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
58
Figura 3.3. Equipo (Biologic DuoFlowTM
) empleado en sistemas dinámicos de adsorción-desorción formado por la estación de bombeo, el detector Quadtec y el colector Biofrac, controlados por el software Biologic Duo Flow de Bio Rad y detalle de la columna rellena con carbón activo.
Se realizan estudios de recuperación de compuestos fenólicos en ambas matrices
empleando diferentes muestras:
Licores de lavado.
Licores de autohidrólisis.
Licores de destilería de bagazo fermentado o vinazas.
Se emplean caudales de operación entre 0,5 y 10 mL/min. Para la puesta a punto
del sistema se emplean disoluciones de ácido gálico (0,1 g/L).
La eficiencia de la adsorción de los compuestos fenólicos presentes en las
muestras a recuperar en columnas de lecho fijo, se determina mediante la
evaluación de las curvas de rotura obtenidas de la representación gráfica de la
relación entre la concentración de la muestra a cada momento respecto la
concentración inicial (Ct/C0) frente al tiempo o volumen de efluente.
El tiempo de rotura se determina cuando la relación Ct/C0 alcanza un valor del
10 % del influente. El tiempo se saturación, también conocido como tiempo de
agotamiento, se establece cuando la relación Ct/C0 alcanza un valor entre el
90-95 % del influente.
Materiales y métodos
59
Modelización de las curvas de rotura
El ajuste y posterior modelización de los datos experimentales obtenidos para la
absorción dinámica de compuestos fenólicos en las matrices de resinas en las
columnas de lecho fijo empleadas se realiza empleando modelos matemáticos
simplificados. En este trabajo se han empleado los modelos de Bohart–Adams,
Thomas y Yoon-Nelson, los cuales se describen a continuación.
Modelo de Thomas. El modelo de Thomas es uno de los modelos más frecuente-
mente empleado para determinar y/o estimar la capacidad de adsorción de un
adsorbente y predecir su comportamiento describiendo las curvas de rotura
asumiendo que el proceso transcurre de acuerdo con un modelo cinético
reversible de segundo orden y cumpliendo con los mecanismos propuestos en la
isoterma de Langmuir (Han y col., 2008; Ghasemi y col., 2011).
En teoría, este modelo es apropiado para ser empleado en la estimación de los
parámetros cinéticos y capacidades de adsorción del proceso desarrollado
cuando las resistencias de difusión tanto externas como internas son muy
pequeñas (Aksu y Gönen, 2004). En estos casos el modelo de Thomas se puede
expresar como muestra la siguiente ecuación,
tCkwqk
C
CTh
Th
t
000 )1ln(
Ec. [3.2]
En la cual kTh (mL/min·mg) es la constante de Thomas; q0 (mg/g) es la cantidad
de compuestos fenólicos adsorbidos en el equilibrio por g de resina; C0 (mg/L) es
la concentración de compuestos fenólicos en el influente; Ct (mg/L) es la
concentración de compuestos fenólicos, a un tiempo t determinado, en el efluente;
w (g) es la masa de resina y ν (mL/min) el caudal de influente. El valor de Ct/C0 es
la relación entre las concentraciones de compuestos fenólicos en las corrientes de
salida y entrada respectivamente. Mediante la representación líneal del
ln[(C0/Ct)−1] frente al tiempo (t) se calculan los valores de q0 y kTh empleando
para ello los parámetros obtenidos de la regresión matemática, pendiente de la
recta y el intercepto.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
60
Modelo de Bohart-Adams. El modelo de Bohart-Adams se emplea para describir
la parte inicial de la curva de rotura. La expresión matemática, adaptada de Aksu
y Gönen (2004), es la siguiente:
F
ZNktCk
C
CABAB
t00
0
-ln Ec. [3.3]
En la cual, C0 y Ct (mg/L) representan las concentraciones de compuestos
fenólicos en el influente y el efluente; kAB (L/mg·min) es la constante cinética;
F (cm/min) es la velocidad lineal del influente, calculada dividiendo el flujo entre la
sección de la columna; Z (cm) es la longitud del lecho de resina empleado y N0
(mg/L) es la concentración de saturación. Los valores de N0 y kAB se obtienen a
partir del intercepto y de la pendiente de la recta resultante de la representación
de ln(Ct /C0) frente el tiempo (t).
Modelo de Yoon–Nelson. La ventaja del modelo de Yoon–Nelson frente a los
anteriores estriba en que éste no necesita conocer o aportar datos acerca de las
características del adsorbente, tipo de adsorbente y propiedades físicas del lecho.
El modelo responde a un sistema de un único componente mediante la expresión,
adaptada de Aksu y Gönen (2004), que se muestra a continuación:
YNYN
t
t ktkCC
C
0
ln Ec. [3.4]
En la cual kYN es la constante de velocidad (min-1) y (min) es el tiempo necesario
para la saturación del absorbente a su 50 % de capacidad.
Una simplificación de la ecuación anterior permite representar Ct/(C0 - Ct) frente al
tiempo de elución (t), del ajuste matématico de los datos experimentales puede
obtenerse mediante regresión lineal los parámetros de kYN y kYN a partir del valor
del intercepto y de la pendiente de la gráfica.
Materiales y métodos
61
3.2.2.3. Desorción
Para la desorción de los compuestos fenólicos adsorbidos se emplean mezclas de
etanol/agua, que se seleccionan en base a su disponibilidad, adecuación para
usos alimentarios, y la capacidad de limpieza. Las principales variables que
afectan al proceso son la temperatura, la proporción de agua en la disolución
eluyente, el tiempo y el pH.
Diseño de experimentos de Box-Behnken
Para abordar el estudio y optimización de sistemas complejos, afectados por
diferentes variables, en algunos casos interrelacionadas, se emplea la
metodología de aproximación más racional y eficaz, que proporciona el diseño de
experimentos.
Figura 3.4. Diseño de Box-Behnken para tres factores.
El diseño de Box-Behnken es adecuado para explorar superficies de respuesta
cuadráticas y construir modelos polinómicos de segundo orden. En la Figura 3.4
se observa que este diseño está constituido por puntos centrales replicados y el
conjunto de puntos que se encuentra en el centro de cada borde del cubo
multidimensional que define el área de interés (Montgomery, 1991).
Las variables dependientes o funciones objetivo, Y, se generan mediante los
modelos cuadráticos de la ecuación indicada a continuación mediante el análisis
de regresión lineal múltiple.
Y=a0 + a1 X1 + a2 X2 + a3 X3 + a4 X1 X2+a5 X1 X3 + a6 X2 X3 + a7 X12 + a8 X2
2 +a9 X3
2 Ec. [3.5]
-1
-1+1
+1
+1
-1
-1
-1+1
+1
+1
-1
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
62
donde Y es el nivel de la respuesta medida; a0 es el intercepto, y a1 a a9 son los
coeficientes de regresión. X1, X2 y X3 representan los principales efectos; X1X2,
X1X3 y X2X3 representan la interacción entre los principales efectos; X12, X2
2 y X32
son los términos cuadráticos de las variables independientes utilizadas para
simular la curvatura del espacio de muestreo diseñado.
El efecto de las variables independientes en las variables de respuesta objetivo se
visualiza a partir de las superficies de respuesta. Se utiliza el paquete estadístico
Statistica 6.0. y se emplea este diseño para optimizar el proceso de desorción de
compuestos fenólicos adsorbidos en las resinas seleccionadas.
Tabla 3.2. Matriz de experimentos para el diseño factorial de 23 de Box-Behnken.
Experimento X1 X2 X3
1 -1 -1 0
2 -1 0 -1
3 -1 0 +1
4 -1 +1 0
5 0 -1 0
6 0 -1 +1
7 0 0 0
8 0 0 0
9 0 0 0
10 0 +1 -1
11 0 +1 +1
12 +1 -1 -1
13 +1 0 0
14 +1 0 +1
15 +1 +1 0
16 0 +1 0
Materiales y métodos
63
3.3. TÉCNICAS ANALÍTICAS
3.3.1. Determinación de humedad
Se coloca una cantidad conocida de muestra (1 g), en un recipiente de peso
conocido (previamente secado en estufa hasta peso constante, que se alcanza
normalmente en 6 h). Se coloca el recipiente con la muestra en una estufa a
105 ºC hasta peso constante (normalmente 24-48 h). Posteriormente se enfría en
un desecador conteniendo gel de sílice y se pesa.
El contenido de humedad (en gramos de agua por gramo de sólido húmedo) se
calcula con la siguiente ecuación:
PRS) - (PRMH
PRMS) - (PRMH H Ec. [3.6]
donde PRMH es el peso en gramos del recipiente seco con la muestra húmeda
inicial, PRS es el peso en gramos del recipiente seco y PRMS es el peso en
gramos del recipiente con la muestra seca. Esta determinación se realiza por
triplicado. El error obtenido es generalmente menor del 1 % del valor de la
medida.
3.3.2. Contenido en sólidos o peso seco
En un tubo de vidrio, se añade un volumen conocido de la fracción de extracto, se
evapora el disolvente en una estufa a 100 ºC durante 24 h. Se enfría en un
desecador y se pesa. El contenido en sólido (expresado en g de extracto/L) se
calcula utilizando la siguiente ecuación:
100M
PTS-PTES L / seco extracto g Ec. [3.7]
donde PTES es el peso en gramos del tubo con el extracto seco, PTS es el peso
en gramos del tubo seco y M es el volumen en mL de la muestra inicial.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
64
3.3.3. Determinación del rendimiento de extracción en Soxhlet
La muestra cuyo contenido en extracto se desea determinar, se introduce en un
cartucho de cartón que se coloca en el cuerpo superior del extractor Soxhlet y
sobre un balón previamente tarado. Tras la extracción durante 8 horas, se
evapora el disolvente del matraz del extractor Soxhlet en un rotavapor a vacío a
40 ºC. Se introduce en un desecador a vacío a 50 ºC durante 24 h, para terminar
de secar el extracto. Posteriormente se enfría en el desecador conteniendo gel de
sílice y se pesa.
El rendimiento de extracción (expresado en g de extracto soluble en hexano,
tetracloruro de carbono, acetato de etilo, acetona o etanol al 80 % / 100 g de
muestra inicial) se calcula empleando la siguiente ecuación:
100PM
PBS-PBES extracción de oRendimient Ec. [3.8]
donde PBES es el peso en gramos del balón con el extracto soluble seco, PBS es
el peso en gramos del balón seco y PM es el peso en gramos de la muestra
inicial.
3.3.4. Determinación del contenido en cenizas
El contenido en cenizas (en gramos de cenizas / 100 gramos de extracto en base
seca) se calcula emplenado la ecuación:
100H)-PRS)·(1 - (PRMH
PRS-PRC cenizasen Contenido Ec. [3.9]
donde PRC es el peso en gramos del recipiente con cenizas, PRS es el peso en
gramos del recipiente seco, PRMH es el peso en gramos del recipiente seco con
la muestra húmeda inicial y H es la humedad de la muestra.
Materiales y métodos
65
3.3.5. Determinación de compuestos fenólicos. Método de Folin-Ciocalteu
Se determina colorimétricamente usando el reactivo de Folin-Ciocalteu (Sigma-
Aldrich) y se expresa como equivalentes de ácido gálico (Sigma-Aldrich). Todos
los análisis se realizan al menos por triplicado y se presentan en base de materia
seca.
Aunque este método presenta diversas interferencias es el empleado
universalmente para la determinación del contenido total en compuestos
fenólicos. El reactivo de Folin-Ciocalteu se mezcla con agua en proporción 1:1, se
prepara una disolución al 10 % de Na2CO3. En un tubo de ensayo se pone, 0,5
mL de muestra, 3,75 mL de H2O, 0,25 mL del reactivo Folin (preparado
anteriormente) y 0,5 mL de Na2CO3.
Se homogeneiza todo y se deja 1 hora a temperatura ambiente en oscuridad. A
continuación se lee la absorbancia a 765 nm frente a un blanco de agua destilada.
Para que las muestras entren en los intervalos establecidos por la recta patrón, se
diluyen en agua o en etanol. La recta patrón (Figura 3.5) se realiza con diversas
diluciones de una disolución de ácido gálico (Sigma) de 1 g/L, donde EAG/L son
los equivalentes de ácido gálico/L.
Figura 3.5. Recta de calibrado para la determinación de fenoles totales por el método de Folin-Ciocalteau.
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
y = 0,1226x - 0,0011
R2 = 0,9995
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Absorbancia (765 nm)
g á
cid
o g
álic
o /L
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
66
La cantidad de fenoles totales del extracto y de las fracciones se determina con el
reactivo de Folin-Ciocalteu mediante el método descrito por Singleton y Rossi
(1965).
3.3.6. Determinación de los azúcares totales. Método de la Antrona
Para su determinación se utiliza el método de Trevelyan y Harrison (1952). Se
prepara el reactivo con 150 mL de agua desionizada a los que se añaden
lentamente con agitación y en un baño de hielo, 380 mL de ácido sulfúrico al
98 %. A continuación se añade 0,75 g de antrona en el ácido sulfúrico diluido y se
mantiene en agitación.
A 0,2 mL de muestra se añaden 5 mL del reactivo, se agita la mezcla y se hierve
en un baño a 90 ºC durante 17 minutos. Se deja enfriar y se lee la absorbancia a
625 nm frente a un blanco con el disolvente de la muestra que sigue el mismo
procedimiento.
La recta de calibrado (Figura 3.6) se realiza con diversas diluciones de una
disolución de glucosa 0,5 g/L (Panreac).
Figura 3.6. Recta de calibrado para la determinación de azúcares por el método Antrona.
y = 0,6287x + 0,0102
R2= 0,9973
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Absorbancia (625 nm)
g D
-Glu
co
sa
/L
Materiales y métodos
67
3.3.7. Determinación de polifenoles mediante Cromatografía Líquida de Alta
Eficacia (CLAE, HPLC)
La identificación por HPLC se lleva a cabo en un equipo Hewlett-Packard 1100
con un detector de diodos en línea. La separación se realiza en una columna
Supelcosil LC18 de 25 cm de longitud, 4,6 mm de diámetro interno, rellena de
octadecilsilano (C18) con un tamaño de partícula de 5 μm. El volumen de
inyección es de 5 μL, se usa un flujo de 1 mL/min y el tiempo de análisis es de
42 min. Se utiliza un gradiente no lineal de una mezcla de disolventes:
MeOH:H20:CH3COOH (10:89:1, v:v:v) (fase móvil A) y MeOH:H2O:CH3COOH
(90:9:1, v:v:v) (Fase móvil B). Los gradientes se usan como sigue: 0 min, 100 %
A, 0 % B; 30 min, 60 % A, 40 % B; 40 min, 100 % A, 0 % B.
Los compuestos fenólicos se identifican por comparación de sus tiempos de
retención y de sus espectros de absorción con patrones comerciales
suministrados por Sigma (Tabla 3.3).
Tabla 3.3. Longitudes de onda de la ecuación de absorción máxima, tiempo de retención y la regresión de la curva de calibración para los compuestos estándar identificados en los extractos.
Componentes estándar λ (nm)
Tiempo de
retención
(min)
Ecuación de regresión R2
Ácido gálico 270 6,28 y=3·106x – 224,23 0,9966
Hidroximetilfurfural 280 7,78 y=7·106x – 241,97 0,9992
2-Furfuralaldheido 280 9,84 y=8·106x – 126,11 0,9998
Hidroxitirosol 280 9,93 y=1·106x – 24,01 0,9996
3,4-Dihidroxibenzaldehido 280 12,97 y=4·106x – 79,20 0,9998
Tirosol 280 14,40 y=1·106x + 13,61 0,9999
Alcohol homovaníllico 280 16,99 y=8,01·105x + 57,44 0,9967
Ácido vaníllico 254 18,68 y=3·106x – 16,18 0,9999
Ácido siríngico 280 20,74 y=3·106x + 63,28 0,9996
Vainillina 280 20,80 y=4·106x – 85,28 0,9998
Siringaldehido 329 22,70 y=2·106x + 42,25 0,9999
Ácido p-cumárico 280 25,40 y=5·106x – 154,12 0,9995
Oleuropeína 280 36,39 y=4,37·105x – 29,91 0,9992
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
68
3.3.8. Determinación de volátiles mediante Cromatografía de Gases-MS
Para acondicionar las muestras, antes de realizar el análisis por cromatografía de
gases-masas acoplado a espectrometría de masas (GC-MS), se añaden unos
0,25 mL de 3-octanol (10 ppm) como patrón interno en 25 mL de una disolución
de extracto diluido (0,5 g extracto/L). Esta mezcla se extrae con diclorometano
(DCM) y la fase orgánica se transfiere a un tubo de vidrio graduado y se
concentra bajo nitrógeno. El análisis por GC-MS se lleva a cabo en el modo sin
división en un cromatógrafo de gases Hewlett-Packard 5890-II acoplado a un
espectrómetro de masas HP-5970, utilizando He como gas portador. La
separación se realiza usando una columna capilar HP-Innowax de 60 m x
0,25 mm. La temperatura se mantiene a 45 °C durante 1 min, se aumenta hasta
230 °C a 3 °C/min y luego se mantiene durante 30 min. El espectrómetro de
masas se mantiene en modo EI (energía de electrones de 70 eV; temperatura de
la fuente 250 °C) y la adquisición de datos se realiza en modo de exploración de
30 a 300 amu/s y 1,9 espectros/s. Los compuestos se identifican por comparación
del tiempo de retención y de los espectros de masas con datos de la biblioteca de
espectros de masas (Wiley 7n) y de compuestos auténticos. La cuantificación se
realiza por el método de patrón interno (utilizando 3-octanol como estándar).
3.3.9. Grado de polimerización de procianidinas
El grado de polimerización de las procianidinas se estima por análisis de RP-
HPLC de las fracciones despolimerizadas presentes en el medio de reacción
después de la tiolisis a 65 °C del producto desorbido diluido en metanol (Torres y
Selga, 2003). El análisis de RP-HPLC se lleva a cabo en un equipo de
cromatografía (Amersham-Pharmacia Biotech, Uppsala, Suecia) provisto de una
columna C18 Hypersil ODS (Supelco). La elución se lleva a cabo a una velocidad
de flujo de 1 mL/min de disolvente A (ácido trifluoroacético, TFA acuoso al 0,1%) y
disolvente B (0,082 % de TFA en agua/CH3CN (01:04)). El gradiente, expresado
como concentración de B fue el siguiente: 0-30 min de 12 % a 30 %, 30-40 min de
30 % a 100 %, 40-45 min de 100 % a 12 %.
Materiales y métodos
69
3.3.10. Determinación de actividad antioxidante
Se seleccionan tres métodos para la determinación de la actividad antioxidante,
uno basado en la captación del radical DFPH, porque es uno de los ensayos más
universalmente empleados y más sencillos, el ensayo TEAC (Trolox Equivalent
Antioxidant Capacity), basado en la captación del radical catión ABTS y la medida
del poder reductor.
3.3.10.1. Captación del radical DPPH
La actividad antioxidante de captación del radical 1,1-difenil-2-picril-hidrazilo
(DPPH) se determina por el método descrito por von Gadow y col. (1997). A 2 mL
de una disolución en metanol de DPPH de 6·10-5 M, se añaden 0,05 mL de los
extracto, y se registra la caída de absorbancia a 515 nm durante 16 min. La
actividad antioxidante se calcula como el Porcentaje de Inhibición (PI) para
diferentes concentraciones del extracto en metanol:
)(t Abs
)(t Abs - )(t Abs (%) PI
0
160 Ec. [3.10]
Para el cálculo de la CE50 (concentración de extracto que causa una inhibición al
50 % del radical DPPH) se dispone de los valores de Porcentaje de Inhibición (PI)
para diferentes concentraciones del extracto obtenido. En la Figura 3.7 se
muestra la correspondencia lineal entre la concentración de extracto de los licores
de líquido de lavado en metanol y el porcentaje de inhibición del radical DPPH
que proporcionan.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
70
Figura 3.7. Cálculo de la CE50 a partir de los valores del Porcentaje de Inhibición del radical DPPH para diferentes concentraciones de extracto de líquido de lavado disuelto en metanol.
3.3.10.2. Determinación de la actividad antioxidante. TEAC (Trolox
Equivalent Antioxidant Capacity, Actividad Antioxidante Equivalente
a Trolox)
La actividad antioxidante equivalente a Trolox se determina por el método descrito
por Miller y Rice-Evans (1995). El radical catión ABTS (ABTS•+, 2,2'-azinobis (3-
etil-benzotiazolina-6-sulfonato)) se produjo por la reacción de 7 mM de una
disolución madre de ABTS con una disolución de persulfato potásico de 2,45 mM.
Se prepara el tampón salino fosfato (Phosphate buffer saline, PBS, pH=7,4) que
consta de: 8,0 g de NaCl, 0,2 g de KH2PO4, 1,15 g de Na2HPO4, 0,2 g de KCl y
0,2 g de azida sódica en un volumen de agua de 1 L. La disolución de ABTS•+ se
diluye con PBS a una absorbancia de 0,70 a 734 nm y se equilibra a 30 °C,
manteniendo en agitación constante durante 16 h, impidiendo su exposición a la
luz. La determinación de actividad se realiza a 30 °C midiendo la absorbancia a
734 nm a tiempos de 0, 1 y 10 minutos. Para ello se diluye previamente el reactivo
hasta que presente un valor de absorbancia de 0,7 y se añaden 20 µL de muestra
a 2 mL de reactivo diluido, midiendo la cinética a los citados tiempos. Se realiza
siempre un control (con el medio en que está diluida la muestra). El porcentaje se
calcula como una función de la concentración de los extractos y de Trolox, y se
expresa como TEAC (capacidad antioxidante equivalente en Trolox).
y = 122,7x + 0,548
R2 = 0,9997
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Concentración de extracto (g/L)
PI (%
)
Materiales y métodos
71
La recta patrón se prepara con Trolox (Fluka), que es un derivado hidrosoluble de
la vitamina E (Figura 3.8). El valor de TEAC se calcula a partir de la ecuación:
1 Abs - Abs
Abs - AbsC TEAC
reactivo
muestra 10treactivo1
C
Ec. [3.11]
donde: TEAC = mM de Trolox, C1 = concentración de Trolox,
ΔAbs reactivo = Absreactivo a t=0 min – Abs reactivo a t =10 min,
ΔAbs t=10 min, muestra= Abs muestra a t=0 – Abs muestra a t=10 min y
ΔAbs c1 = Abs C1 a t=0 min – Abs C1 a t=10 min
Figura 3.8. Recta de calibrado para la captación del radical ABTS, expresada como valor de TEAC.
3.3.10.3. Poder antioxidante de reducción del hierro o FRAP (Ferric
Reducing Antioxidant Power)
La actividad antioxidante se determina por el método descrito por Benzie y Strain
(1996). El reactivo se prepara con 25 mL de tampón acetato 300 mM (pH 3.6), 2,5
mL de una disolución de TPTZ (2,4,6-tri(2-piridil)-1,3,5-triazina) 10 mM en HCl 40
mM y 2,5 mL de FeCl3·6 H2O a 20 mM en agua destilada. El reactivo se prepara
en el momento del análisis.
y = 5,689x + 0,0519
R2 = 0,9975
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35
Absorbancia (734 nm)
mM
Tro
lox
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
72
A 3 mL del reactivo FRAP se añade 0,1 mL de la muestra. Se determina la
actividad a temperatura ambiente y midiendo la absorbancia a 593 nm a los 6
minutos frente a un blanco con agua destilada.
La recta patrón (Figura 3.9) se realiza con diversas diluciones de una disolución
de ácido ascórbico 1 mM (Merck).
El reactivo, también se utiliza como muestra blanco, se prepara con 25 mL de
tampón de acetato de 300 mmol/L (pH 3,6), 2,5 mL de una disolución de TPTZ de
10 mmol en 40 mmol/L de HCl y 20 mmol/L FeCl3·6 H2O en agua destilada. Las
muestras (0,1 mL) se mezclan con 3 mL del reactivo, y la absorbancia se
monitoriza a 593 nm y se comparan con soluciones acuosas estándar de ácido
ascórbico.
Figura 3.9. Recta de calibrado para la determinación del poder antioxidante de reducción del hierro (FRAP).
3.3.10.4. Poder reductor
El poder reductor se determina por el método descrito por Oyaizu (1986). A 1 mL
de los extractos disueltos en etanol se añaden 2,5 mL de tampón fosfato 0,2 M
(pH 6,6) y 2,5 mL de ferrocianuro potásico al 1 %. La mezcla se incuba a 50 °C
durante 30 minutos. Se adicionan 2,5 mL de ácido tricloroacético (TCA) al 10 % y
la mezcla se centrifuga si presenta precipitado. A 2,5 mL de sobrenadante se
añaden 2,5 mL de agua destilada y 0,5 mL de cloruro férrico al 1 % y se lee la
y = 0,7033x + 0,0004
R2= 0,9995
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Absorbancia (539 nm)
mM
ác
ido
as
có
rbic
o
Materiales y métodos
73
absorbancia a 700 nm frente a un blanco con el disolvente de la muestra, que se
manipula siguiendo el mismo procedimiento. La recta patrón (Figura 3.10) se
realiza con diversas diluciones de una disolución de ácido ascórbico 1 mM
(Merck).
Figura 3.10. Recta de calibrado para el poder reductor.
3.3.11. Protección frente a la oxidación
Las emulsiones y aceites cosméticos se preparan por triplicado, se almacenan en
botes de 25 mL de vidrio con tapa y se exponen a 50 °C en oscuridad durante un
período de varios días. Los botes se sacan periódicamente de la estufa para
tomar muestras a las que se les determinan los valores de peróxido y de
p-anisidina.
El valor de peróxidos (PV) se determina espectrofotométricamente según el
método de Díaz y col. (2003). Las muestras de aceite o de emulsión (0,3 mL) se
añaden a una mezcla de isooctanol/2-propanol (3:2 v/v) (1,5 mL) y se mezclan en
un vortex durante 10 s (tres veces). Tras la centrifugación (2 min a 1000 x g), la
capa superior (0,2 mL) se emplea para la cuantificación de peróxidos empleando
una recta patrón de hidroperóxido de cumeno.
El valor de p-anisidina (PA) se determina espectrofotométricamente (Método
Oficial AOCS no. cd 18-90). El valor de TOTOX se emplea para estimar el
deterioro oxidativo de los lípidos. El valor de TOTOX se define como la suma de
ambos valores (peróxido y p- anisidina); TOTOX = 2 PV + PA.
y = 0,8364x - 0,0304
R2= 0,9932
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
Absorbancia (700 nm)
mM
ác
ido
as
có
rbic
o
4. Resultados y discusión
Resultados y discusión
77
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
I. RECUPERACIÓN Y CONCENTRACIÓN DE ANTIOXIDANTES DE RESIDUOS
DE LA INDUSTRIA VINÍCOLA
4.1. EMPLEO DE CARBÓN ACTIVO.
4.1.1. Resumen
La adsorción en carbón activo de compuestos bioactivos presentes en i) los
licores embebidos recuperados mediante prensado del bagazo de uva blanca
fermentada después de su destilación (LPBD) y ii) en los hidrolizados obtenidos
por autohidrólisis del mismo bagazo de uva blanca destilado prensado y lavado
(LABD) se realizó en condiciones anóxicas empleando carbones activados (CA)
comerciales disponibles en diferentes presentaciones (pulverulento, granulado, y
peletizado). Las cinéticas de adsorción encontradas, se comportaron de acuerdo
a un modelo de pseudo segundo orden, alcanzando el equilibrio en tiempos de
contacto menores de 15 h. Para describir los datos de equilibrio de adsorción se
han utilizado los modelos de Langmuir y de Freundlich. La capacidad máxima de
adsorción fue de 239,4 mgEAG/g CA. Se realizaron ensayos de adsorción
dinámicos empleando un lecho fijo de carbón activado para evaluar la
recuperación de los compuestos activos de los licores empleados, su posterior
desorción y la posibilidad de regenerar el carbón activo. El empleo de etanol al
96 % condujo a máximos en los rendimientos de recuperación de compuestos
adsorbidos proximos al 20 %, sin afectar a la pureza ni a la actividad antioxidante
de las fracciones eluídas. Tampoco se observó pérdida en la capacidad de
adsorción con cinco ciclos sucesivos de adsorción-desorción con LPBD.
4.1.2. Introducción
El carbón activado se emplea en multitud de trabajos para la eliminación de
compuestos orgánicos presentes en disoluciones acuosas. Son ejemplos de esto,
el tratamiento de aguas residuales industriales (Soto y col., 2011; Méndez-Díaz y
col., 2012), y la eliminación de sustancias coloreadas de zumos (Carabasa y col.,
1998; Arslanoğlu y col., 2005a) y vinagre (Achaerandio y col., 2002b). Otra posible
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
78
aplicación de los carbones activados es la concentración y la purificación de
compuestos fenólicos a partir de disoluciones acuosas. Un ejemplo de esta
aplicación la aportan Couteau y Mathaly (1997, 1998) que muestran el proceso de
adsorción de ácido ferúlico en carbón activo para su recuperación y concentración
a partir de una disolución acuosa. También se han utilizado resinas poliméricas
para la separación y purificación de compuestos fenólicos a partir de disoluciones
de compuestos puros (Scordino y col., 2004) o de residuos del procesamiento de
vegetales (Scordino y col., 2003; Aehle y col., 2004; Llorach y col., 2004; Zagklis y
col., 2015). El empleo de carbón activo puede proporcionar eficacias similares a
las de las resinas poliméricas para la adsorción de flavonoides (Aehle y col.,
2004), o superiores para la adsorción de compuestos fenólicos simples, como el
ácido ferúlico (Couteau y Mathaly, 1997, 1998) y el ácido salicílico (Otero y col.,
2004 y 2005). Montané y col. (2006) informan de la adsorción favorable de
compuestos derivados de la lignina presentes en licores de autohidrólisis de
cáscara de almendras. Couteau y Mathaly (1997, 1998) mostraron la adsorción
reversible del acido ferúlico. Del mismo modo Otero y col. (2005) informaban del
mismo comportamiento para el ácido salicílico. Sin embargo Aehle y col. (2004)
encontraron buen comportamiento en el proceso de adsorción, pero bajas
recuperaciones de los flavonoides presentes en las espinacas.
El bagazo es el residuo sólido que queda después de la extracción del jugo de la
uva, y representa el principal desecho de la industria vitivinícola. La fermentación
alcohólica del bagazo produce diversos compuestos orgánicos volátiles que se
recuperan por destilación al vapor para la fabricación de bebidas espirituosas o
destiladas (Silva y Malcata, 1999; Silva y col., 2000). El bagazo destilado sigue
siendo un producto de desecho que puede ser quemado en plantas de
cogeneración para producir energía, puede utilizarse en la alimentación del
ganado, aunque principalmente se utiliza como abono en viñedos.
Los licores extraídos por prensado del bagazo una vez destilado (a continuación
referido por el acrónimo LPBD), y los licores de autohidrólisis del bagazo destilado
(denominado por el acrónimo LABD) contienen compuestos fenólicos con mayor
actividad antioxidante que los compuestos antioxidantes sintéticos (Cruz y col.,
2004); por otra parte la composición de LPBD es similar a la de los efluentes o
Resultados y discusión
79
vinazas de las destilerías de bagazo fermentado. Estos efluentes se eliminan
conjuntamente con los bagazos e incluso una parte de estos efluentes se
encuentran embebidos en los bagazos destilados. Los compuestos fenólicos
identificados en estos efluyentes de las industrias destiladoras de los bagazos
fermentados incluyen catequinas (catequina, epicatequina), flavonoles
(quercetina, quemferol, miricetina), ácidos benzoicos (gálico, protocatéquico, 4-
hidroxibenzoico, siríngico, gentísico) y ácidos cinámicos (p-cumárico), cuya
depuración por métodos biológicos es difícil (Borja y col., 1993; Camarillo y
Rincón, 2009; Ramond y col., 2013). Los compuestos más abundantes en estos
efluentes son: ácido gálico, ácido p-cumárico y ácido gentísico, los cuales poseen
una elevada capacidad antioxidante (Moure y col., 2001; Garrote y col., 2004),
aparte de presentar otro tipo de actividades biológicas de interés, como la
actividad antimutagénica y la anticarcinogénica (Lee y col., 2005). Además, estos
compuestos pueden ser metabolizados (Konishi y col., 2004; Margalef y col.,
2014; Heleno y col., 2015) y son estables a altas temperaturas, ya que
permanecen activos después de la destilación a 120-130 °C (Cruz y col., 2007).
Esta investigación evalúa el empleo de carbones activos comerciales como
adsorbentes para la recuperación y purificación de los compuestos fenólicos con
actividad antioxidante presentes en: (i) los licores de prensado de bagazo
destilado (LPBD), y en (ii) los licores de autohidrólisis de bagazo destilado
(LABD).
Se realizaron estudios de equilibrio de adsorción utilizando tres carbones activos
comerciales con propiedades diferentes y también experimentos de adsorción en
columna y desorción con mezclas de etanol-agua para evaluar la recuperación y
purificación de compuestos con actividad antioxidante.
4.1.3. Materiales y métodos
4.1.3.1. Materiales
El bagazo de uva blanca una vez destilado fue suministrado por la Cooperativa
Vitivinícola do Ribeiro (Ourense, España). El bagazo se prensó para recuperar los
licores embebidos en el mismo y una vez prensado se almacenó en bolsas de
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
80
plástico selladas y se mantuvo a -80 °C. El etanol (96 %) y el butil-hidroxianisol
(BHA) fueron suministrados por Sigma-Aldrich.
El prensado del bagazo destilado se realizó a 1,4 MPa de presión durante 5 min,
manteniendo la presión en todo momento, y se recuperó la fracción líquida que
empapaba los LPBD (Cruz y col., 2004). Los sólidos prensados se lavaron con
agua del grifo, como se mencionó anteriormente (Cruz y col., 2004), y el sólido
resultante se molió y se trató con agua en un reactor Parr® (Moline, Illinois,
EE.UU.) en condiciones no isotérmicas hasta alcanzar los 200 °C utilizando una
relación líquido:sólido de 8:1 g/g (base sólida secada al horno) y con el perfil de
calentamiento más rápido disponible. Una vez que se alcanzó la temperatura
deseada, el reactor se enfrió a 60 °C y se abrió, recuperándose mediante filtración
la fracción líquida, LABD, que se almacenó a 4 °C hasta su uso.
Los tres carbones activados comerciales utilizados en los experimentos fueron:
Darco G-60 (de Sigma Chem Co., Saint Louis, EE.UU.), que es un carbón en
polvo (100-325 de tamaño de malla) al que denominamos CAPu; Darco 12-20 (del
mismo proveedor), en forma granular (12-20 mesh), que nombramos como CAG y
un producto peletizado (de Riedel-de Haën AG, Seelze, Hannover, Alemania) aquí
descrito como CAPe.
4.1.3.2. Adsorción
Para los estudios de equilibrio se prepararon lotes para poner en contacto la
cantidad deseada de adsorbente con LPBD o con LABD en una relación líquido:
sólido de 15:1 en matraces erlenmeyer de 250 mL herméticamente cerrados. Se
introdujeron en un agitador orbital termostatizado a 25 ºC y girando a 100 rpm.
Los carbones activados se vertieron previamente en agua caliente para eliminar el
aire, y se burbujeó nitrógeno en los erlenmeyers antes del proceso de adsorción
para asegurar condiciones anóxicas. Aunque la presencia de oxígeno podría
mejorar la adsorción, también podría inducir la polimerización no deseada y limitar
la recuperación de desorción (Leng y Pinto, 1997; Dąbrowski y col., 2005). Los
experimentos se llevaron a cabo al pH natural de los licores (LPBD eran
ligeramente ácidos y los LABD tenían un pH de 3,5). Se prepararon blancos
usando agua en lugar de LPBD o LABD para evaluar las pérdidas por deterioro de
Resultados y discusión
81
solutos y la adsorción en las paredes del matraz. Después del tiempo de contacto
seleccionado, la suspensión se filtró a través de membranas de nitrato de celulosa
(0,45 μm) y se determinó tanto la concentración de fenólicos totales así como la
actividad antioxidante. La concentración de compuestos fenólicos adsorbidos
sobre CA (denotado por qe, mg/g), se midió como equivalentes de ácido gálico
(EGA) y fue calculada con la ecuación:
A
VCCq ee 0
Ec. [4.1]
donde C0 (mg/L) y Ce (mg/L) son respectivamente las concentraciones de
compuestos fenólicos inicial y de equilibrio, V es el volumen de licores empleado y
A es el peso seco de carbón activo.
Los experimentos se realizaron por triplicado.
4.1.3.3. Experimentos en columna
El CA granular se empapó en agua desionizada y se hirvió para eliminar el aire.
Después de descartar los finos, el sólido se empaquetó en una columna de vidrio
encamisada (diámetro interno 10 mm) a la altura deseada (150-300 mm), y se
pasaron los licores (LPBD o LABD) a través de la columna a una velocidad de
flujo de 1 mL/min utilizando una bomba F10 (Bio-Rad, CA, EE.UU.). Se controló la
temperatura de las disoluciones de alimentación, tanto la de la columna de
adsorción como la de la empleada para la desorción. El efluente de la columna se
recogió a intervalos de tiempo fijos, utilizando un colector de fracciones. A cada
fracción se le determinó la composición y la actividad antioxidante. Una vez
saturada la columna (en funcionamiento con alimentación ascendente) se
procedió a la desorción con etanol con flujo inverso.
4.1.3.4. Métodos de análisis
El contenido en compuestos fenólicos totales se determinó por el método de
Folin-Ciocalteu (Singleton y Rossi, 1965), utilizando como estándar ácido gálico.
La actividad antioxidante se evaluó como la capacidad de eliminación de dos
radicales ampliamente utilizados: DPPH (α,α-difenil-β-picrilhidrazilo) y ABTS (2,2´-
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
82
azinobis (3-etil-benzo-tiazolina-6-sulfonato)); con el objetivo de medir directa-
mente la actividad de las muestras de los experimentos de adsorción y desorción.
El primer método es más adecuado para muestras en medios etanólicos, mientras
que el segundo es más utilizado en muestras acuosas.
Los ensayos se realizaron de acuerdo a la metodología descrita en los epígrafes
3.3.10.1 y 3.3.10.2 del capítulo de Materiales y métodos.
4.1.4. Resultados y discusión
Las concentraciones de fenoles totales en las muestras de LPBD y LABD fueron
1,47 y 2,68 g/L, respectivamente. Estos valores son similares a los del intervalo
de contenido fenólico documentado para aguas residuales industriales
procesadas por CA (200-2000 mg/L). Los LABD contenían precursores de lignina
generados durante la autohidrólisis como resultado de la despolimerización de la
lignina, incluyendo ácidos benzoicos y cinámicos (gálico, protocatéquico, vaníllico,
isovaníllico, siríngico, p-cumárico), mientras que LPBD contenía principalmente
flavonoides.
4.1.4.1. Cinética de adsorción de LPBD
El transcurso de la adsorción de LPBD se determinó experimentalmente, retirando
los compuestos fenólicos de interés del efluente acuoso y estimando el tiempo de
contacto necesario para alcanzar el equilibrio. En la Figura 4.1 se muestra la
dependencia de la cantidad de compuestos fenólicos totales adsorbidos (medidos
como qt, y expresados como mg de equivalentes de ácido gálico/g CA) con el
tiempo, en ensayos llevados a cabo con los diversos tipos de carbones
empleados.
Para cuantificar la capacidad de adsorción de los adsorbentes empleados
respecto a los compuestos fenólicos en disolución, generalmente se mide la
diferencia de concentraciones del adsorbato en la solución antes de entrar en
contacto con el sólido y después de haberse alcanzado el equilibrio. Este
procedimiento se lleva a cabo a una temperatura constante o en un intervalo
estrecho de temperaturas, sobre el cual se considera que la variación es
despreciable.
Resultados y discusión
83
Se han propuesto varios modelos empíricos para describir el mecanismo de
adsorción, quedando clasificados estos modelos en dos grupos: modelos
cinéticos, como los de pseudo primer y los de pseudo segundo orden, y los
modelos difusionales, como el de difusión intrapartícula.
En los modelos cinéticos se asume que la etapa controlante es la velocidad de
adsorción en la superficie del adsorbente.
Figura 4.1. Curvas de adsorción de compuestos fenólicos (mg EAG/g CA).
Los datos experimentales se ajustaron al modelo de pseudo primer orden,
también conocido como de Lagergren, y al modelo de pseudo segundo orden.
El modelo de Lagergren consiste en una ecuación de pseudo primer orden
basada en una reacción superficial, representada en su forma linealizada por:
Ec. [4.2]
donde qt es la capacidad de adsorción (mg/g) a tiempo t.
La ecuación de Lagergren (Ec. [4.2]) dio una pobre interpretación de los
resultados (Figura 4.2.a con R2 en el intervalo de 0,850 a 0,927) y predicciones no
coherentes para datos de equilibrio a t = ∞.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50
qt (m
g E
AG
/ g
CA
)
Tiempo (h)
CAPu
CAG
CAPe
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
84
El modelo de pseudo segundo orden asume que la capacidad de adsorción es
proporcional al número de sitios activos ocupados en el adsorbente, siendo la
quimiosorción la etapa controlante del sistema. Este modelo se representa en su
expresión linealizada con la ecuación:
tqqKq
t
eeads
1
1
2
2
Ec. [4.3]
donde t es el tiempo de contacto, qt y qe son las concentraciones de compuestos
fenólicos adsorbidos (expresado como mg/g) en el momento considerado y en el
equilibrio, respectivamente, kads1 es el coeficiente de pseudo-primer orden y kads2
es el parámetro cinético de pseudo segundo orden.
El modelo de difusión intrapartícula considera que la velocidad global de
adsorción de un compuesto sobre una matriz porosa ocurre mediante un
mecanismo de varias etapas. En un primer momento se produce una
transferencia externa de materia desde el efluente hasta las proximidades de la
superficie externa del adsorbente. A continuación se produce el transporte a
través de la capa superficial del líquido en la superficie del adsorbente, para
seguir con la difusión intrapartícula del adsorbato al interior de los poros de la
matriz adsorbente. Como último paso, se tiene la adsorción del adsorbato en el
centro activo del adsorbente. Las etapas de transporte a través de la capa
superficial y la difusión intraparticula son las que controlan la velocidad del
proceso.
Se ha empleado el modelo propuesto por Weber y Morris (1962), el cual supone
que el paso limitante es la difusión intrapartícula. Al realizar la representación del
soluto adsorbido frente a la raíz cuadrada del tiempo de contacto, debería resultar
una recta que pasa por el origen de coordenadas (Ho y col., 2000), sin embargo,
se ha encontrado que la curva presenta multilinealidad (Figura 4.2.c). Esto indica,
que los mecanismos que controlan el proceso de adsorción pueden ser dos o
más.
Resultados y discusión
85
La Figura 4.2b muestra la dependencia lineal de t/qt frente a t, y en la Tabla 4.1 se
muestran los valores de los parámetros cinéticos y los coeficientes de regresión
para los modelos cinéticos aplicados a LPBD. Muchos sistemas de adsorción
pueden ser representados por la cinética de pseudo primer orden, mientras que la
de pseudo segundo orden es más adecuada para sistemas en los que la
quimiosorción es la etapa controlante del proceso (Reddad y col., 2002).
Figura 4.2. Linealización para: (a) un modelo cinético de Lagergren, (b) un modelo de pseudo segundo orden y (c) un modelo de difusión), para muestras de LPBD empleando carbón activo pulverizado (CAPu), granular (CAG) y peletizado (CAPe).
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Lo
g (
qe
-q
)
Tiempo (h)
CAPu
CAG
CAPe
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 10 20 30 40 50
t / q
Tiempo (h)
CAPu
CAG
CAPe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 1 2 3 4 5 6 7 8
q (m
g E
AG
/ g
CA
)
t1/2 (h1/2)
CAPu
CAG
CAPe
c)
a)
b)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
86
Tabla 4.1. Parámetros obtenidos en el ajuste de los datos de LPBD a un modelo de pseudo primer (Ec. [4.2] y pseudo segundo orden (Ec. [4.3]).
Pseudo-primer orden Pseudo-segundo orden
CA kads1
(h-1
)
qe calc
(mg/g) R
2
kads2
(g/mg·h)
qe calc
(mg/g) R
2
CAPu 0,126 40,9 0,8504 0,010 139 0,999 CAG 0,103 49,5 0,9519 0,005 85,0 0,990 CAPe 0,141 48,9 0,9266 0,006 71,7 0,986
Sobre la base de los datos experimentales y las predicciones de los modelos, el
tiempo de contacto para alcanzar el equilibrio se fijó en 15 h, ya que las
discrepancias entre la predicción del modelo para este tiempo y t = ∞ estaban
dentro del error experimental.
Para la adsorción a partir de muestras de LABD se encontró un comportamiento
similar al de la dependencia con el tiempo de los compuestos fenólicos
adsorbidos (aunque no se muestran los datos y parámetros de ajuste).
4.1.4.2. Isotermas de equilibrio del proceso de adsorción
La forma más usual de representar esta distribución es a través de una isoterma
de adsorción (Ec. [4.1]) (Angeles Villón, 2011), donde se expresa la cantidad de
soluto adsorbido por unidad de peso de adsorbente, qe, como función de la
concentración de soluto remanente en el equilibrio, Ce, a una temperatura fija.
La Figura 4.3a muestra una primera parte de isotermas que exhibieron la forma
de la isoterma tipo L con curva cóncava al eje de concentraciones (Giles y col.,
1974), o de isoterma tipo I de acuerdo con la clasificación IUPAC, siendo la forma
más frecuente encontrada para los procesos de adsorción de compuestos
fenólicos a partir de disoluciones acuosas. Esto sugiere que el anillo aromático se
adsorbe en paralelo a la superficie y que no existe competencia entre el adsorbato
y el disolvente por ocupar los lugares activos de absorción (Dąbrowski y col.,
2005).
Resultados y discusión
87
Sin embargo, en este estudio, hay presentes en los licores empleados, múltiples
solutos; esto se pone de manifiesto en las isotermas que se representan
gráficamente en la Figura 4.3b, donde se muestra como presentan puntos de
inflexión adicionales (que podrían estar relacionados con la finalización de
monocapas y el comienzo de la formación de multicapas en disolución a
concentraciones más altas). La presencia de uno o dos mesetas en las isotermas
ha sido interpretada sobre la base de (i) la formación de una capa doble, (ii) la
orientación diferente con respecto a la superficie, (iii) la existencia de diversos
sitios de adsorción o (iv) el desplazamiento de agua de cualquiera de las
superficies de carbono libre de grupos funcionales (en concentraciones más
bajas) o moléculas de agua unidas a oxígeno de los grupos funcionales (a mayor
concentración) (Nevskaia y col., 1999; Haydar y col., 2003). Se observó la
existencia de mesetas durante la adsorción de fenol en carbón activado,
apareciendo más claramente en muestras oxidadas.
Figura 4.3. Isotermas de adsorción de los compuestos fenólicos de LPBD (a) y LABD (b) sobre carbones comerciales.
Entre los factores que influyen en la adsorción destacan el peso molecular de los
compuestos fenólicos, la posición de los sustituyentes, por la deslocalización de
los electrones sobre el anillo (Dargaville y col., 1996), y la hidrofobicidad, ya que
la capacidad de adsorción aumenta con la disminución de la solubilidad en agua
de los compuestos fenólicos (Dabrowski y col., 2005). Algunos autores sugieren
que la adsorción de fenoles en carbones microporosos pueda ser un proceso de
llenado de microporos, o pueda ser un proceso determinado por las
características ácido-básicas del sistema. No hay correlación entre la adsorción
0
50
100
150
200
250
300
350
0,0 0,5 1,0 1,5
qe
(mg
ph
en
ol
/ g
AC
)
Ce (g/L)
CAPu
CAG
CAPe
0
100
200
300
400
500
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
qe
(mg
GA
E /
g A
C)
Ce (mg/L)
CAPu
CAG
CAPe
b) a)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
88
de fenol y el área superficial total de los carbones activos, pero el tipo de
superficie determina la cinética de adsorción (Terzyk, 2003).
La Figura 4.3a muestra que para los experimentos realizados con LPBD, la
capacidad de adsorción máxima (qmax) lograda con CAPu fue significativamente
mayor que la alcanzada con CAG y CAPe. La capacidad de adsorción para CAPu
está en el intervalo de los valores observados para distintos compuestos
aromáticos como la adsorción de fenol (169 mg/g Filtrasorb F400) (Otero y col.,
2005), de ácido salicílico (351 mg/g Filtrasorb F400) (Otero y col., 2005), de
benzaldehído (385 mg/g) (Mondal y Lalvani, 2000) y de compuestos fenólicos
puros (216- 276 mg/g) (Hindarso y col., 2001). Este comportamiento, donde CAPe
presenta un valor inferior de capacidad de adsorción respecto a CAPu para
compuestos fenólicos y flavonoides simples, también se ha confirmado que
sucede en la decoloración de vinagre (Achaerandio y col., 2002a).
La isoterma de Langmuir se utiliza para describir la cobertura de una monocapa
completa saturada con moléculas de adsorbato sobre una superficie que contiene
un número finito de sitios de adsorción con energía homogénea. Su forma
matemática es la siguiente:
Ec. [4.4]
donde qm (mg soluto/g adsorbente) es la capacidad máxima de adsorción
correspondiente para completar la monocapa, Ce es la concentración de
compuestos fenólicos en disolución (mg/L) en el equilibrio y b es un parámetro
utilizado para definir el factor de separación RL, definido como:
Ec. [4.5]
donde C0 es la concentración inicial de fenólicos (mg/L).
Según Hall y col. (1966), la adsorción no es favorable cuando RL> 1; se produce
adsorción para RL = 1; la adsorción es favorable para valores de RL entre 0 y 1 y
es irreversible cuando RL = 0.
Resultados y discusión
89
El valor de RL es de 0,11 cuando se emplea carbón activo pulverizado, Darco G-
60, por lo que la adsorción es favorable.
El parámetro qm es particularmente útil en la evaluación del rendimiento de
adsorción, especialmente en los casos en que el adsorbente no llega a su plena
saturación, dado que permite la comparación indirecta entre diferentes
adsorbentes.
El modelo de Freundlich (Ec. [4.6]) es una expresión de origen empírico que se
consideraba, en un principio, para un mecanismo de adsorción análogo al que
considera el modelo de Langmuir. Este modelo asume que puede ocurrir una
adsorción infinita, y describe las condiciones de equilibrio para lugares de
adsorción heterogéneos en los cuales la adsorción se lleva a cabo ocupando
primero los sitios de mayor afinidad y luego el resto.
Este modelo también asume que el proceso de adsorción se rige por mecanismos
de adsorción tipo físico, diferenciándose del modelo de Langmuir que supone un
proceso de adsorción químico.
Matemáticamente el modelo se describe como una relación exponencial,
Ec. [4.6]
donde da una estimación de la capacidad de adsorción del adsorbente
(dependiendo de la temperatura, área de superficie del adsorbente y la atracción
relativa de los solutos en una mezcla para la superficie sólida), y es un
parámetro relacionado con la intensidad de la adsorción.
Con la pendiente y el intercepto de la ecuación linealizada puede calcularse el
valor de las constantes. La magnitud del parámetro n indica si es favorable y la
capacidad de adsorción del sistema adsorbato/adsorbente. Cuando n>1 el
sistema presenta condiciones favorables de adsorción. En general, un sistema de
adsorción favorable será aquel que muestra valores de n comprendidos entre 1 y
10 (Moreno, 2013).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
90
El modelo de Freundlich se ha utilizado para describir los datos de adsorción en
un amplio intervalo de concentraciones en fase líquida, de menos de 100 ppm a
más de 20.000 ppm (Kilduff y col., 1997). Ambas ecuaciones de Freundlich y
Langmuir dieron un buen ajuste de los datos experimentales de adsorción en CA
de las soluciones de LPBD y de las de LABD a concentraciones de soluto
moderadas (Ce ≤ 1.000 mg/L para LPBD y 2.000 mg/L para LABD).
La Figura 4.4 muestra la concordancia entre los datos experimentales obtenidos y
las predicciones del modelo de Langmuir para este intervalo de concentración,
enumerándose en la Tabla 4.2 los valores de los parámetros ajustados y los
coeficientes de regresión.
Figura 4.4. Linealización de la ecuación de Langmuir para la adsorción de compuestos fenólicos de (a) LPBD y (b) de LABD.
La capacidad de absorción encontrada para los compuestos de LABD fue mayor
que para los de LPBD. En los procesos realizados con LABD, tanto la forma de
las curvas de adsorción como los valores RL calculados a partir de la constante b
de la ecuación de Langmuir (0,034, 0,029, 0,074 para CAPu, CAG y CAPe,
respectivamente), indicaron que la adsorción era favorable. Los valores de RL
CAPuy = 0,829x + 0,004
R2 = 0,982
CAGy = 3,729x + 0,011
R2 = 0,992
CAPey = 5,751x + 0,010
R2 = 0,994
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,00 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03
1 / q
e
1 / Ce
CAPuy = 0,553x + 0,004
R2 = 0,955
CAGy = 0,792x + 0,007
R2 = 0,971
CAPey = 1,443x + 0,007
R2 = 0,983
0,00
0,01
0,01
0,02
0,02
0,03
0,03
0,04
0,04
0,05
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
1 / q
e
1 / Ce
a)
b)
Resultados y discusión
91
determinados para LPBD fueron 0,115, 0,187 y 0,279 en los experimentos
llevados a cabo con CAPu, CAG y CAPe, respectivamente.
Figura 4.5. Linealización de la ecuación de Freundlich para la adsorción de compuestos fenólicos de (a) LPBD y (b) de LABD.
La Figura 4.5 muestra la linealización de los datos experimentales mostrados en
las isotermas de la Figura 4.3 al modelo de Freundlich.Los parámetros del modelo
y los coeficientes de regresión se muestran en la Tabla 4.2.
Tabla 4.2. Factor de separación (RL) y constantes de Langmuir y Freundlich para las isotermas de adsorción de fenólicos totales, expresados como equivalentes de ácido gálico, en carbón activo.
LANGMUIR FREUNDLICH
qm
(mg/g)
b
(L/mg) R
2 RL
KF
(L1/n
/(g mg((1/n)_1)
)) 1/n R
2
Licores extraídos por presión de bagazo destilado (LPBD)
CAPu 239 0,0051 0,975 0,115 6,63 0,527 0,956
CAG 93,4 0,0029 0,992 0,187 1,18 0,605 0,980
CAPe 102 0,0017 0,993 0,279 0,530 0,715 0,996
Licores de autohidrólisis de bagazo destilado (LABD)
CAPu 236,8 0,0069 0,992 0,034 6,89 0,525 0,981
CAG 121,1 0,011 0,963 0,029 7,63 0,414 0,996
CAPe 141,2 0,0047 0,988 0,074 4,10 0,500 0,989
Según el modelo de Freundlich, la fuerza de adsorción, dada por KF es mayor
para los compuestos de los LABD, y con CAG y CAPe, se logró una mayor
capacidad de adsorción que con CAPu (Tabla 4.2). Este tipo de carbón también
alcanzó la capacidad máxima de absorción de compuestos de LPBD. Los valores
de n son comparables a los publicados por Montané y col. (2006) para la
CAPuy = 0,530x + 1,884
R2 = 0,972
CAGy = 0,605x + 0,168
R2 = 0,982
CAPey = 0,715x - 0,634
R2 = 0,997
0
1
2
3
4
5
6
2 3 4 5 6 7 8
Ln
qe
Ln Ce
CAPu
y = 0,525x + 1,930R2 = 0,984
CAG
y = 0,414x + 2,032R2 = 0,996
CAPey = 0,515x + 1,302
R2 = 0,988
0
1
2
3
4
5
6
7
2 3 4 5 6 7 8
Ln
qe
Ln Cea) b)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
92
adsorción de productos derivados de la lignina presentes en licores de
autohidrólisis.
Desde un punto de vista práctico, la información más valiosa es la actividad
antioxidante de la fracción adsorbida. En nuestro caso, se midió la actividad
antioxidante mediante el método de captación de radical ABTS [2,2'-azinobis (3-
etilbenzotiazolina-6-sulfonato)], expresado como TEAC. Se obtuvieron los datos
experimentales para evaluar los datos de equilibrio, que se midió en términos de
TEAC adsorbidos/g adsorbente para la fase sólida frente a los valores de TEAC
en disolución (Figura 4.6).
Según la clasificación IUPAC, la forma de las isotermas corresponde a las de tipo
II o tipo III, característica de adsorbentes porosos o macroporosos con una amplia
gama de tamaños de poro, que muestran interacciones fuertes y débiles,
respectivamente. Esta forma ''S", similar a la observada por Giles y col. (1974 a y
b) y Dabrowski y col. (2005), podría sugerir adsorción cooperativa o que la
energía de activación para la desorción es dependiente de la concentración y/o
reducida por la contribución negativa del disolvente o de otro soluto.
Figura 4.6. Isotermas de adsorción de los compuestos activos como captadores de radicales ABTS, expresados como TEAC.
A pesar de la similitud de la química entre el método de Folin-Ciocalteau y los
ensayos de captación de radicales ABTS (Roginsky y Lissi, 2005), las isotermas
muestran una forma diferente, probablemente debido a la compleja composición
de las disoluciones utilizadas, y el distinto comportamiento y las interacciones
existentes entre los compuestos presentes. Los compuestos fenólicos, reductores
y, posiblemente los quelantes de metales, se determinaron con el método de
0
50
100
150
200
250
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 Ce (g/L)
CAPu
CAG
CAPe
0 20
40 60
80
100 120
140
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Ce (g/L)
CAPu
CAG
CAPe
a) b)
Resultados y discusión
93
Folin-Ciocalteau, pero también se han observado interferencias con los azúcares,
aminas aromáticas, dióxido de azufre, ácidos orgánicos, enediol, reductonas, o
Fe (II) (Prior y col., 2005).
4.1.4.3. Experimentos de adsorción-desorción en columna
Los estudios de adsorción en columna, a diferencia de los experimentos en batch,
no funcionan bajo condiciones de equilibrio entre el soluto presente en la fase
líquida y el soluto adsorbido por unidad de masa del adsorbente. En los procesos
en columna, una capa determinada de adsorbente se encuentra en contacto
continuo con solución fresca de adsorbato que entra y sale continuamente de la
columna. Por este motivo, en un sistema de adsorción en columna nunca se
alcanza un equilibrio completo entre el soluto en disolución y el presente en el
adsorbente (Chowdhury y col., 2015). Los procesos de adsorción en columnas de
lecho fijo y flujo continuo presentan ventajas frente a los sistemas de adsorción
por lotes en modo estático, dado que las velocidades de adsorción dependen de
la concentración del soluto en la solución a tratar.
En la Figura 4.7 se muestra el fundamento de un sistema de adsorción dinámico
desarrollado en una columna de lecho fijo empacada con un material adsorbente,
el cual está en contacto con un líquido que contiene un soluto de concentración
conocida que se desea retirar del mismo. El comportamiento de este tipo de
sistemas se explica en función de las curvas de saturación o curvas de rotura.
Figura 4.7. Representacion esquemática y curva de rotura características de un proceso de adsorción en columnas de lecho fijo.
C/C0
0
1ZTM
tb t1/2 te
C0 C0 C0 C0 C0 C0
C C C C C C
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
94
Inicialmente, el adsorbente elimina el soluto de manera eficaz y rápida, saliendo el
efluente libre de soluto. Según se va pasando muestra de soluto el adsorbente
próximo a la entrada se satura y se genera un gradiente de concentraciones por
encima de esta zona saturada. La región por debajo de este gradiente se conoce
como zona de transferencia de materia (ZTM) y a este gradiente se le conoce con
el nombre de frente de onda y tiene habitualmente forma de S. Cuando este frente
de onda alcanza la salida de la columna, la concentración del adsorbato en el
efluente comienza a aumentar y cuando este alcanza valores entre el 1 % y 5 %
del valor de la concentración de entrada se dice que el sistema ha alcanzado el
punto de rotura. Esta posición se puede emplear para calcular un parámetro
conocido como “longitud de lecho no empleado” (LLnE) que representaría la
distancia desde el punto del lecho de adsorbente donde el frente de onda alcanza
el punto de rotura y el punto final del lecho (Couper y col., 2012). El tiempo de
agotamiento o saturación del lecho se alcanza cuando la concentración de
soluto/adsorbato en el efluente es en la práctica el valor de concentración de
entrada o un alto porcentaje del mismo (90-95%).
Los estudios de adsorción en columna con un lecho fijo de CAG se realizaron
empleando licores de prensado de bagazo destilado (LPBD). Se seleccionó el
carbón CAG puesto que mostró una capacidad de adsorción favorable y ventajas
frente al pulverizado a la hora de empacar la columna, evitando la compactación
del mismo y la formación de vías de flujo preferenciales.
Los disolventes más comunes empleados como eluyentes son los alcoholes.
Entre ellos, el metanol, que es el más adecuado para la regeneración, pero frente
a éste, el etanol, presenta ventajas comparativas respecto a la mejor utilización de
los compuestos en alimentación y/o en aplicaciones cosméticas.
La Figura 4.8 muestra la desorción lograda empleando etanol al 96 % como
eluyente y a una temperatura de proceso de 20 °C, en donde el rendimiento de
recuperación de compuestos fenólicos fue aproximadamente del 9 %. Un
comportamiento similar se observó en el estudio publicado por Aehle y col. (2004)
sobre flavonoides de espinaca, mientras que, Couteau y Mathaly (1997) lograron
una mayor recuperación de ácido ferúlico de licores de azúcar de remolacha
empleando carbón activado en polvo y granular. Otero y col. (2005) describen
Resultados y discusión
95
como la adsorción del ácido salicílico sobre carbón activado es reversible, aunque
requieren tiempos más prolongados que con el empleo de resinas. En las
condiciones experimentales seleccionadas (20 °C con etanol 96 %) la
recuperación de compuestos fenólicos desde LABD fue casi del 21 % de los
compuestos fenólicos adsorbidos en CAG. Esta mayor recuperación puede
atribuirse a que los LPBD presentan un mayor contenido en flavonoides, y éstos
pueden adsorberse de modo irreversible en carbón activo (Aehle y col., 2004).
Figura 4.8. Efecto del ciclo de desorción en la recuperación de compuestos fenólicos presentes en LPBD y en LABD operando en un lecho de CA granular. La elución se lleva a cabo con etanol al 96% a 20 ºC y 1 mL/min. Desorción, alcanzada en el pico principal y en el área total, se expresa como porcentaje de compuestos fenólicos adsorbidos.
La capacidad de captación de radicales libres de los extractos etanólicos eluídos
se determinó con el método de captación del radical DPPH y la potencia
antioxidante se expresó como porcentaje de inhibición (PI) por gramo de extracto.
La actividad de los extractos desorbidas con etanol del 96 % y con etanol del
12 60 120Tiempo (min)
Ab
s 2
77
nm
0,0
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40Etapa
1
2
3
4
5
6
0,0
Ab
s 2
77
nm
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Tiempo (min)
12 60 120 180
Recuperación de fenoles
Etapa Pico Total
1
2
3
4
5
6
8,59
13,55
21,53
20.90
20,40
23,22
15,26
21,65
31,70
31,10
33,34
36,44
1
2
3
4
5
6
20,90
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
96
70 % fue similar y comparable a la del licor inicial, y ligeramente menor que el
valor alcanzado con BHA.
El porcentaje limitado de compuestos fenólicos adsorbidos que pudieron eluírse
sugiere que ha ocurrido quimiosorción en la superficie de carbono a pesar del
valor de pH ácido, las condiciones anóxicas y el tiempo de equilibrio relativamente
corto para evitar el acoplamiento oxidativo (Kilduff y King, 1997); algunos
sustituyentes del anillo aromático también podrían causar mayores grados de
irreversibilidad (Dabrowski y col., 2005). Sin embargo, el mecanismo detallado de
la irreversibilidad de la adsorción de fenol sobre carbón y la influencia del tipo de
grupos funcionales superficiales son desconocidos (Terzyk, 2003).
La regeneración del carbón activo del lecho saturado con compuestos fenólicos
de LPBD se evaluó mediante la elución con etanol al 96 %. En la Figura 4.8 se
muestran las curvas de desorción a través de sucesivos ciclos de regeneración, y
también se resume la recuperación de compuestos fenólicos alcanzada en el pico
principal y en toda la curva. Hasta el tercer ciclo se observa un aumento de los
valores y luego, durante cinco ciclos más, se observan valores estabilizados
equivalentes al 20 % de la cantidad adsorbida. La operación de adsorción-
desorción fue estable en los seis ciclos ensayados.
4.1.5. Conclusiones
Se ha comprobado que la adsorción en carbón activo es útil para retener
compuestos fenólicos con actividad antioxidante, presentes en licores de
prensado de bagazo destilado (LPBD) y en los licores generados tras la
autohidrólisis del bagazo (LABD). La cinética del proceso sigue un modelo de
pseudo segundo orden y el equilibrio ajusta a los modelos de Langmuir y de
Freundlich. Operando en lecho fijo se confirmó la posibilidad de operar de modo
estable durante cinco ciclos, manteniendo la pureza y la actividad antioxidante de
las fracciones. La desorción puede llevarse a cabo con disoluciones de etanol al
mismo tiempo que se logra la regeneración del adsorbente. Sin embargo, no se
ha logrado llevar a cabo una desorción selectiva de los compuestos fenólicos.
Resultados y discusión
97
4.2. EMPLEO DE RESINAS POLIMÉRICAS NO IÓNICAS
4.2.1. Introducción
Los residuos agroindustriales, derivados de la transformación industrial del vino y
sus destilados, contienen compuestos de naturaleza fenólica considerados, desde
un punto de vista medioambiental, altamente tóxicos y responsables, por tanto, de
un problema ambiental importante en las áreas de producción. Sin embargo,
estos mismos compuestos también se consideran valiosos y de elevada
aplicabilidad en las industrias cosméticas, alimentarias y farmacéuticas.
El bagazo generado en la etapa de prensado, cuando se produce el mosto, es
una fuente de antioxidantes ampliamente estudiada, principalmente de
catequinas, flavonoles, ácidos benzoico y cinámico (Saura-Calixto, 1998; Bonilla
y col., 1999; Torres y Bobet, 2001). En las industrias vinícolas que aprovechan
este bagazo prensado produciendo destilados presentan como residuo final de la
planta, el bagazo una vez destilado. Cruz y col. (2007) encontraron que los
compuestos fenólicos extraídos del bagazo destilado (residuo de la obtención de
bebidas espirituosas) son más activos que los obtenidos a partir del bagazo
prensado (vinificación tradicional) y son altamente termoestables (Cruz y col.,
2007).
Una alternativa para la recuperación de antioxidantes desde el bagazo
fermentado una vez destilado, consiste en el empleo de la fase líquida que
acompaña al bagazo. Este líquido presenta una capacidad de eliminación de
radicales comparable a los antioxidantes sintéticos, pero la pureza en compuestos
fenólicos es baja (15%, base seca) (Cruz y col., 2004). Esta utilización directa del
bagazo destilado ofrece ventajas ya que: i) el bagazo de destilería se valorizaría,
ii) no sería necesaria la extracción con disolventes de un sólido húmedo, y iii) la
reutilización agrícola final del bagazo se vería favorecida ya que el contenido
fenólico se reduce.
Por otra parte, desde un punto de vista nutricional, los polifenoles son los
constituyentes más importantes del bagazo y en estudios toxicológicos realizados
a las fracciones de compuestos fenólicos extraídos del bagazo han resultado ser
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
98
inocuos (Bentivegna y Whitney, 2002) por lo que su extracción podría ser
planteada como un proceso de revalorización de este residuo.
Tal como se indicó en el apartado previo, una alternativa para recuperar los
compuestos fenólicos de la fase líquida que acompaña al bagazo fermentado una
vez ha sido destilado, consiste en la puesta en contacto de este efluente sobre
carbón activado. Este proceso de absorción se realizó con éxito, por lo que el
problema medioambiental de los efluentes que se generan durante la destilación
de los orujos se podría solucionar, sin embargo la recuperación de los
compuestos adsorbidos no se consiguió realizar de manera satisfactoria por lo
que la revalorización del efluente no fue posible (Soto y col., 2008).
Diaz-Reinoso y colaboradores (2010) observaron que la adsorción de compuestos
fenolicos de uva, sí era reversible cuando ésta se realizaba sobre resinas
poliméricas. En el trabajo de Díaz-Reinoso y col. los compuestos fenólicos
presentes en el licor obtenido por prensado del bagazo destilado se concentraron
mediante tecnología de membranas. El concentrado obtenido se refina
posteriormente mediante un proceso de adsorción-desorción empleando resinas
poliméricas no iónicas como adsorbente y etanol como disolvente para la
recuperación de los compuestos fenólicos previamente adsorbidos. La adsorción
directa en resinas comerciales de los componentes fenólicos de los residuos que
salen de la bodega, podría representar una alternativa sencilla que todavía no ha
sido valorada.
Estas resinas de adsorción son polímeros altamente reticulados con una gran
superficie y numerosos poros permanentes. En los últimos años, muchos estudios
han demostrado la eficacia de este tipo de resinas en el diseño de nuevos
procesos de adsorción-desorción teniendo a un gran número de compuestos
bioactivos como absorbatos. Las principales ventajas que las resina poliméricas
aportan a los procesos de adsorción-desorción son: i) una amplia gama de
estructuras y propiedades, ii) una alta capacidad de adsorción y selectividad, iii)
una elevada eficacia para recuperar y separar compuestos, iv) una alta estabilidad
química y v) un bajo gasto de operación, por su relativo bajo coste y su fácil
regeneración.
Resultados y discusión
99
Revisando la bibliografía se observa un aumento en el número de publicaciones
en las cuales se describe el empleo de resinas macroporosas para la
recuperación y la concentración no térmica de compuestos polifenólicos. Se
describe también el empleo de resinas para el fraccionamiento de extractos
naturales obtenidos a partir de productos y subproductos de la industria
alimentaria, entre ellos la cáscara de cítricos y las melazas (Grohmann y col.,
1999), manzana y orujo de uva (Kammerer y col., 2005; Kammerer y Carle, 2008;
Cardona y col., 2009; Kammerer y col., 2011) o para los extractos en disolventes
de los licores de autohidrólisis de bagazo (Conde y col., 2011).
Los compuestos fenólicos identificados en los productos y efluentes de la industria
vinícolas, se hallan presentes en la dieta y presentan elevada capacidad
antioxidante, confiriendo protección contra algunas enfermedades crónicas y
degenerativas (Sun y col., 2010; Williamson y Carughi, 2010), además de ser
compuestos metabolizables (Nardini y col., 2009) y estables a elevadas
temperaturas (Cruz y col., 2007). En base a estas propiedades, un extracto
enriquecido en compuestos fenólicos obtenido de los desechos de las bodegas
vinícolas podría tener interés en diferentes nichos de mercado como la industria
alimentaria, industria farmacéutica y cosmética. Estos extractos enriquecidos
pueden ser propuestos como agentes protectores de la oxidación durante el
almacenamiento y como componentes bioactivos en la formulación de alimentos
funcionales.
4.2.2. Selección de resinas y operación en discontinuo
4.2.2.1. Resumen
Los subproductos de la uva y del vino han sido ampliamente estudiados en la
recuperación de compuestos fenólicos que presentan actividad antioxidante y una
gran variedad de acciones biológicas. En este estudio se ha propuesto la
recuperación selectiva y la concentración de los compuestos fenólicos de la fase
líquida separada de los residuos de destilería. Se estudió la adsorción sobre
resinas poliméricas no iónicas y la desorción con disoluciones etanólicas. Para
ello, se seleccionaron varias resinas comerciales de grado alimentario con el fin
de seleccionar la más adecuada para la recuperación práctica de compuestos
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
100
fenólicos con capacidad de eliminación de radicales. Empleando resinas
previamente seleccionadas, Sepabeads SP207 o Diaion HP20, y en las
condiciones optimizadas de desorción (eluyendo con etanol al 96 % a 50 °C) se
obtuvo un producto de color amarillo pardo de textura pulverulenta y con un
contenido fenólico del 50 % en peso, expresado como equivalentes de ácido
gálico. La capacidad de eliminación de radicales de un gramo de producto fue
equivalente a 2-3 g de Trolox.
4.2.2.2. Objetivos
El principal objetivo de este capítulo es el de seleccionar las resinas poliméricas
comerciales de grado alimenticio más adecuadas para la adsorción eficaz de
compuestos fenólicos con actividad antioxidante presentes en los efluentes
(vinazas) de una industria vinícola. Tras la separación de la fase sólida y fase
líquida de los bagazos obtenidos de una cooperativa local; el efluente obtenido se
diluye con agua hasta una concentración adecuada de compuestos polifenólicos
dentro de un intervalo de concentraciones habitual en este tipo de procesos de
adsorción-desorción.
Con esta muestra uniforme y de concentración adecuada se realizaron estudios
cinéticos para comparar la capacidad de adsorción de las diferentes resinas
empleadas en este estudio y establecer el tiempo requerido para alcanzar el
equilibrio. Para las resinas seleccionadas en función de su capacidad de
adsorción, se optimizaron las condiciones experimentales de desorción para
obtener extractos concentrados enriquecidos selectivamente en los componentes
activos.
Resultados y discusión
101
4.2.2.3. Materiales y métodos
4.2.2.3.1. Materiales
Tanto los bagazos como los licores preparados están descritos en el capítulo de
materiales y métodos en los apartados 3.1.1.1 y 3.1.2.1, respectivamente.
Asimismo las resinas poliméricas no iónicas empleadas se encuentran descritas
en el mismo capítulo en el epígrafe 3.1.3.2.
4.2.2.3.2. Métodos analíticos
El contenido de compuestos fenólicos totales se determinó mediante el ensayo de
Folin-Ciocalteu (epígrafe 3.3.5) y se expresó como equivalentes de ácido gálico
(EGA).
La identificación y de compuestos fenólicos se realizó en un cromatógrafo Agilent
1100 HPLC (epígrafe 3.3.7). La cuantificación se realizó a partir de curvas de
calibración obtenidas con los compuestos patrón disueltos en metanol.
El contenido en azúcares totales se determinó espectrofotométricamente por el
método de la Antrona (epígrafe 3.3.6) y se expresó como equivalentes de
glucosa.
Los compuestos volátiles se determinaron mediante espectrometría de masas
unida a cromatografía de gases (GC-MS) (epígrafe 3.3.8). Los compuestos se
identificaron comparando el tiempo de retención y los espectros de masas con
datos de la biblioteca de espectros de masas (Wiley 7n) y compuestos patrones
determinados previamente. La cuantificación se realizó por el método de patrón
interno (utilizando 3-octanol como estándar).
El grado de polimerización de las procianidinas se estimó mediante cromatografía
de fase reversa (RP-HPLC) de las fracciones despolimerizadas presentes en el
medio de reacción después de la tiolisis a 65 °C del producto desorbido diluido en
metanol (epígrafe 3.3.9). La actividad antioxidante se evaluó como la capacidad
de captación del medio de radicales ABTS [2,2'-azinobis (3-etilbenzotiazolina-6-
sulfonato)] y se expresó como TEAC (epígrafe 3.3.10).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
102
4.2.2.4 Resultados y discusión
4.2.2.4.1. Adsorción de antioxidantes en resinas poliméricas no iónicas
Para cuantificar la capacidad de adsorción de las resinas empleadas respecto a
los compuestos fenólicos en disolución en las vinazas, generalmente se mide la
diferencia de concentraciones del adsorbato en la solución antes de entrar en
contacto con el sólido y después de haberse alcanzado el equilibrio. Este
procedimiento se lleva a cabo a una temperatura constante o en un intervalo
estrecho de temperaturas, sobre el cual se considera que la variación es
despreciable. Este procedimiento se conoce como isotermas de adsorción para
las cuales es necesario fijar un tiempo de contacto, entre adsorbente y absorbato,
adecuado para alcanzar las condiciones de equilibrio. Para determinar este
tiempo de contacto se estudia previamente las cinéticas de adsorción de los
compuestos fenólicos sobre las diferentes resinas disponibles.
Cinéticas de adsorción
Para la selección de los adsorbentes más eficaces se determinó la capacidad de
adsorción de todas las resinas disponibles. Se comenzó determinando el tiempo
del proceso con dos resinas Amberlite (XAD16HP, XAD4) ensayando con un
tiempo de proceso de hasta tres horas (Figura 4.9.b y 4.10.b). En función de estos
resultados se fija el tiempo del proceso de absorción en 20 minutos.
La tasa de adsorción de compuestos fenólicos totales (qe) y su influencia en la
capacidad de captación del radical ABTS se determinan como la cantidad,
expresada en miligramos, de equivalentes de ácido gálico (EAG) por gramo de
resina húmeda empleada y como la cantidad de equivalentes de Trolox (mg ET)
por gramo de resina respectivamente.
Resultados y discusión
103
Figura 4.9. Capacidad de adsorción de compuestos fenólicos de las resinas ensayadas (a) Sepabeads y (b) Amberlite.
En la Figura 4.9 se muestra la dependencia del proceso de adsorción con el
tiempo de contacto entre los distintos adsorbentes y la disolución de vinazas
empleada. Los adsorbentes comerciales proporcionados por Resindion S.r.l
(resinas de la gama Sepabeads y Diaion) presentan una mayor capacidad de
adsorción (Figura 4.9.a) que las resinas proporcionadas por Rohm and Haas
(Amberlite) (Figura 4.9.b). Este mismo comportamiento se observa para la
capacidad de adsorción de los compuestos fenólicos presentes en las muestras
de vinazas y su relación con la actividad antiradicalaria eliminada del efluente
empleado (Figura 4.10). En este caso los tiempos necesarios para alcanzar el
equilibrio son menores para resinas manufacturadas por Resindion S.r.l.
Los porcentajes de eliminación de compuestos fenólicos de la muestra empleada
por parte de las diferentes resinas estudiadas se encuentran en el intervalo del
67 al 90 % de los compuestos fenólicos presentes inicialmente. La capacidad de
adsorción de los compuestos, en orden de valores creciente, se muestra entre
paréntesis, y así, el porcentaje de adsorción para cada una de ellas, sería: Diaion
HP2MG (68,7); Diaion HP20 (75,2); Amberlite XAD2 (69,2); Amberlite XAD7HP
(70,4); Amberlite XAD1180 (75,3); Amberlite XAD761 (79,2); Amberlite XAD16HP
(80,2); Amberlite XAD 4 (81,8); Sepabeads SP 70 (83,6); Sepabeads SP 850
(84,1); Sepabeads SP 825 (85,6); Sepabeads SP 207 (88,1); y Sepabeads SP
700 (89,5).
Como se observa en la Figura 4.9 el tiempo para alcanzar el estado estacionario
b) a)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
104
fue relativamente corto (20 min) para la mayoría de las resinas estudiadas.
Únicamente las Amberlite XAD2 y XAD4 necesitaron de tiempos de contacto
superiores a los 150 min. Teniendo en cuenta estos resultados se fijó un tiempo
de contacto de 30 minutos para los ensayos de determinación de las isotermas de
equilibrio. Las resinas, empleadas en este estudio, resultan ser absorbentes de
compuestos fenólicos más eficaces que los carbones activos probados en el
capitulo anterior. Como se puede comprobar, el tiempo de contacto para alcanzar
el estado estacionario es menor para las resinas que el que se encontró para los
carbones ensayados previamente.
La Figura 4.10 muestra que el tiempo de contacto seleccionado (30 min) es
suficiente para la captación de compuestos con capacidad antioxidante puesto
que a los 15 minutos ya se ha alcanzado el estado de estacionario para todas las
resinas menos para las amberlite XAD 2 y XAD 4. De las curvas de capacidad de
absorción de la Figura 4.10 a y b se puede comprobar como en 2 min el 91 % de
los productos activos se absorben sobre las resinas Sepabeads SP207, SP70,
SP825 y SP850. Mientras que para el mismo tiempo de contacto se tiene una
capacidad de absorción de entre el 64 y el 78 % para las resinas Diaion HP20 y
HP2MG, y las Amberlite XAD 7HP, XAD 16HP, XAD761 y XAD1180. Del mismo
modo como se ha comentado con anterioridad, las resinas Amberlite XAD2 y
XAD 4 necesitan 20 minutos de tiempo de contacto para conseguir porcentajes de
adsorción similares a los mostrados por el resto de resinas ensayadas.
Figura 4.10. Capacidad de adsorción de resinas comerciales de compuestos con actividad antioxidante determinada como equivalentes en Trolox desde efluentes de desechos de bodega sobre diferentes resinas comerciales.
b) a)
Resultados y discusión
105
Se modelizaron los resultados mostrados en las Figuras 4.9 y 4.10 para
determinar las constantes cinéticas del proceso así como para determinar el valor
calculado de la capacidad máxima de adsorción (qm). De los diversos modelos
empíricos existentes para describir el mecanismo de adsorción, se eligieron para
este estudio dos modelos clasificados dentro del grupo de modelos cinéticos: el
modelo de pseudo primer y de pseudo segundo orden. Estos modelos cinéticos
asumen que la etapa controlante es la velocidad de adsorción en la superficie del
adsorbente.
Figura 4.11. Linealización de los datos cinéticos experimentales con los modelos cinéticos de (a) pseudo primer orden y (b) de pseudo segundo orden empleando diferentes resinas comerciales.
Para todas las resinas probadas, los valores de R2 (0,8544 a 0,9855) observados
con pseudo primer orden fueron inferiores a los encontrados con modelos de
pseudo segundo orden (0,9929 a 0,9999). De acuerdo con estos valores, que se
resumen en la Tabla 4.3.a, la cinética de adsorción siguió un modelo de pseudo
segundo orden, también documentado para otros compuestos fenólicos y resinas
(Zhang y col., 2008; Kammerer y col., 2010; Conde y col., 2011). Del mismo modo
en las Figuras 4.11 (a-b) se muestran las representaciones gráficas de los ajustes
matemáticos realizados por los modelos ensayados y la bondad de los mismos de
acuerdo con el coeficiente de determinación R2 mostrado en la Tabla 4.3.
a) b)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
106
Tabla 4.3. Parámetros cinéticos y coeficientes de regresión para los modelos cinéticos ensayados aplicados a la adsorción de (a) fenólicos totales y (b) capacidad captadora de radicales ABTS.
a
Modelo de pseudo-primer orden Modelo de pseudo-segundo
orden
k1
(min−1)
qe calc
(mg/g) R2
k2
(g/mg·min)
qe calc
(mg/g) R2
Amberlite
XAD2 0,046 0,80 0,8544 0,445 1,95 0,9996
XAD4 0,038 1,54 0,9376 0,221 1,95 0,9897
XAD7HP 0,375 0,49 0,9716 2,44 1,98 0,9997
XAD16HP 0,484 0,89 0,9826 1,34 2,36 0,9997
XAD761 0,298 0,70 0,9612 1,36 2,29 0,9999
XAD1180 0,380 0,47 0,9597 2,34 2,20 0,9999
Diaion
HP20 0,407 0,56 0,9614 1,98 2,21 0,9999
HP2MG 0,446 0,38 0,9716 3,22 1,94 0,9999
Sepabeads
SP70 0,269 0,52 0,8779 1,99 2,42 0,9998
SP207 0,371 0,65 0,9855 1,69 2,58 0,9998
SP700 0,436 0,46 0,9681 2,79 2,61 0,9999
SP825 0,437 0,51 0,9716 2,43 2,42 0,9999
SP850 0,335 0,72 0,9630 1,39 2,47 0,9998
b
Modelo de pseudo-primer orden Modelo de pseudo-segundo
orden
k1
(min−1
)
qe calc
(mg/g) R2
k2
(g/mg·min)
qe calc
(mg/g) R2
Amberlite
XAD2 0,092 3,81 0,9475 0,16 7,91 0,9998
XAD4 0,15 7,97 0,9916 0,04 8,51 0,9983
XAD7HP 0,51 1,49 0,9169 1,75 6,90 0,9996
XAD16HP 0,35 2,77 0,9478 0,48 8,26 0,9997
XAD761 0,14 1,41 0,5970 0,67 7,90 0,9992
XAD1180 0,23 1,80 0,9828 0,65 8,04 0,9996
Diaion
HP20 0,26 1,33 0,7960 0,85 8,09 0,9999
HP2MG 0,26 0,80 0,7926 1,75 6,90 0,9999
Sepabeads
SP70 0,28 1,23 0,6610 1,04 8,94 0,9999
SP207 0,73 2,65 0,9722 1,02 9,05 0,9999
SP700 0,60 1,84 0,9579 1,01 9,06 0,9999
SP825 0,47 1,32 0,9453 2,08 8,92 0,9999
SP850 0,32 1,80 0,8165 0,68 9,06 0,9999
Es importante notar que la adsorción es un proceso muy complejo, dado que no
Resultados y discusión
107
todos los sitios de adsorción son idénticos y a medida que ésta procede, la fuerza
motriz de la adsorción se ve reducida, lo que implica que existe interferencia entre
cada sitio de unión durante la adsorción. Además, las resistencias debido a
restricciones de espacio (factores geométricos), la afinidad del adsorbato y el
adsorbente, la transferencia de masa externa e interna del adsorbato soluble de la
solución acuosa al adsorbente, también pueden limitar la capacidad de adsorción
(Ruthven, 2005).
4.2.2.4.2. Optimización del proceso de desorción de antioxidantes
Seleccionadas las mejores resinas de las diferentes casas comerciales
evaluadas, en función de su capacidad de adsorción de compuestos fenólicos y
de la tasa de eliminación de actividad antioxidante de las vinazas, se escogen,
para el estudio de recuperación de los compuestos adsorbidos, las resinas Diaion
HP20, Sepabeads SP207 y Amberlite XAD16HP. Las resinas se acondicionan
inicialmente con etanol para eliminar impurezas presentes en ellas, para lo cual,
se lavan las resinas con una relación 1:3 (g resina: g etanol) durante 15 minutos
manteniendo la agitación a 175 rpm en un agitador orbital. A continuación las
resinas se separan por filtración del disolvente y se lavan varias veces, siguiendo
el mismo protocolo, con agua desionizada. Una vez preparada la resina, esta se
satura en procesos de absorción por lotes, contactando las resinas con las
vinazas en una relación de 3 g resina por 5 mL de vinaza, y estableciendo el
tiempo de contacto en 30 min, con una agitación de 175 rpm, tal como se vio en
los estudios anteriores.
Se propone a continuación, con las anteriores resinas, estudiar la desorción de los
compuestos adsorbidos utilizando disoluciones hidroalcohólicas. Se descarta el
empleo de metanol como eluyente, a pesar del hecho de que el metanol puede
proporcionar rendimientos más altos que el etanol (Kammerer y col., 2005), dado
que por las aplicaciones que se desean dar al producto recuperado se prefiere un
disolvente de calidad alimentaria.
Para optimizar el proceso de desorción se construye un diseño central
compuesto. Este modelo consta de un diseño factorial estándar a dos niveles al
que se le agregan con posterioridad puntos estrella o adicionales. Estos puntos
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
108
adicionales se localizan en distancias pequeñas debajo del nivel bajo de un factor
y a la misma distancia arriba del nivel alto. La aplicación de la técnica de
superficie de respuesta, que supone una variación sistemática de las condiciones
de operación más influyentes, ha sido empleada satisfactoriamente por otros
investigadores con idéntica finalidad. Kammerer y Carle (2008) emplean está
técnica para el enriquecimiento de extractos naturales de plantas.
Para el desarrollo experimental del estudio se establecen como variables fijas la
relación masa de resina saturada (g): volumen de disolvente (mL) (3:5), el tiempo
de desorción se establece en 30 min y la agitación, en un agitador orbital, es de
175 rpm. Las variables independientes seleccionadas son, la temperatura del
proceso que se evalúa dentro del intervalo 25-45 °C, con valores estrella de 20,85
y 49,14 °C. La otra variable independiente seleccionada es la concentración de la
solución de etanol empleada. Los valores de concentración seleccionados están
en el intervalo de 48 a 88 °C con valores estrella de 40 y 96 %.
Las expresiones para codificar estas variables son:
10
35 aTemperaturT
Ec. [4.7]
20
68etanoliónConcentracE
Ec. [4.8]
La función objetivo se genera mediante La siguiente expresión:
Yi = a0 + aT·T + aE·E + aTE·T·E + aTT·T2 + aEE·E2 Ec. [4.9]
La matriz con los valores de las variables independientes de la temperatura y la
concentración de etanol, y los correspondientes valores codificados se muestran
en la Tabla 4.4.
Las funciones objetivo que se evalúan y que son objeto de optimización son:
Y1: Rendimiento de desorción de compuestos fenólicos (%).
Y2: Rendimiento de desorción de azúcares (%).
Y3: Contenido en compuestos fenólicos en el extracto desorbido
(g EAG / g extracto seco).
Y4: Contenido en azúcares totales en el extracto desorbido
(g D-glucosa / g extracto seco).
Resultados y discusión
109
Y5: Capacidad captadora del radical ABTS (mM Trolox).
Tabla 4.4. Variables independientes reales y codificadas del diseño central compuesto para dos factores.
Variables codificadas Variables reales
Exp. T E T (°C) EtOH (%)
1 -1 -1 25 48
2 1 -1 45 48
3 -1,4142 0 20,858 68
4 1,4142 0 49,142 68
5 0 -1,4142 35 40
6 0 1,4142 35 96
7 -1 1 25 88
8 1 1 45 88
9 0 0 35 68
10 0 0 35 68
11 0 0 35 68
12 0 0 35 68
13 0 0 35 68
Los valores experimentales, para las funciones objetivo obtenidas para las resinas
seleccionadas sobre la base de su potencial para retener selectivamente los
compuestos de interés presentes en la corriente de vinazas diluida, se muestran
en las Tablas 4.5 a 4.7 para las resinas Diaion HP20, Sepabeads 207 y Amberlite
XAD 16HP respectivamente.
Los valores máximos de desorción de compuestos fenólicos fueron de 67, 62 y
51 %, para HP20, SP207 y XAD16HP, respectivamente, mientras que los
rendimientos de desorción de azúcar fueron 22, 31 y 19 %, respectivamente.
Como una tendencia general, la desorción de los compuestos fenólicos se ve
favorecida por concentraciones de etanol más altas que la desorción de los
azúcares. El efecto de la temperatura sobre los rendimientos de desorción
depende de la resina y no presenta una tendencia definida. Se han descrito
rendimientos de recuperación similares durante la elución alcalina de compuestos
fenólicos y aniones polares en el jugo de cáscara de los cítricos y las melazas
retenidos en resinas (Grohmann y col., 1999) y para la elución con etanol de los
compuestos fenólicos de jugo de manzana (Kammerer y col., 2007).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
110
Tabla 4.5. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo durante la operación con Diaion HP20.
FUNCIONES OBJETIVO
Y13 Y2
4 Y3
5 Y4
6 Y5
7
Exp. exp calc exp calc exp calc exp calc exp calc
1 62,0 59,6 20,9 21,3 0,444 0,439 0,242 0,255 11,4 11,1
2 63,2 62,2 21,6 22,1 0,475 0,467 0,263 0,270 8,90 9,60
3 62,2 64,2 22,3 22,3 0,475 0,479 0,276 0,269 10,3 11,2
4 63,8 63,8 23,5 23,3 0,469 0,476 0,279 0,281 11,3 10,8
5 56,7 58,7 21,6 20,9 0,434 0,441 0,268 0,255 10,7 10,3
6 63, 6 63,6 21,7 22,1 0,497 0,500 0,275 0,281 12,4 13,1
7 66,9 65,9 22,4 22,2 0,514 0,511 0,279 0,279 13,0 11,9
8 62,3 62,7 23,0 22,8 0,483 0,478 0,289 0,282 12,8 12,8
9 64,1 64,5 21,8 22,2 0,475 0,469 0,262 0,261 10,9 11,1
10 64,5 64,5 22,2 22,2 0,474 0,469 0,264 0,261 11,6 11,1
11 64,5 64,5 22,6 22,2 0,457 0,469 0,260 0,261 11,1 11,1
12 64,6 64,5 22,2 22,2 0,460 0,469 0,256 0,261 10,9 11,1
13 64,6 64,5 22,1 22,2 0,479 0,469 0,265 0,261 11,0 11,1
Tabla 4.6. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo durante la desorción desde la resina Sepabeads SP207.
FUNCIONES OBJETIVO
Y1 Y2 Y3 Y4 Y5
Exp. exp calc exp calc exp calc exp calc exp calc
1 52,7 51,7 23,1 26,1 0,471 0,438 0,291 0,301 12,2 12,2
2 58,7 56,8 25,1 26, 8 0,454 0,423 0,272 0,275 11,7 11,2
3 55,9 56,3 24,6 22,6 0,475 0,475 0,284 0,265 12,6 12,5
4 59,5 61,2 24,6 24,5 0,488 0,482 0,268 0,260 11,4 12,0
5 49,8 51,4 31,2 28,4 0,349 0,396 0,308 0,304 11,2 11,4
6 58,3 58,9 23,2 23,9 0,511 0,458 0,285 0,262 12,4 12,7
7 58,9 58,7 21,7 22,2 0,425 0,462 0,225 0,249 12,5 12,4
8 61,6 60,5 25,1 24,2 0,446 0,487 0,251 0,267 13,3 12,7
9 59,5 57,6 25,8 24,8 0,400 0,400 0,244 0,240 11,6 11,7
10 58,3 57,6 24,4 24,8 0,423 0,400 0,254 0,240 11,2 11,7
11 58,2 57,6 24,6 24,8 0,401 0,400 0,234 0,240 11,8 11,7
12 55,9 57,6 25,2 24,8 0,372 0,400 0,236 0,240 12,0 11,7
13 56,1 57,6 23,9 24,8 0,405 0,400 0,233 0,240 11,9 11,7
Y1
3Rendimiento de desorción de compuestos fenólicos (%);
Y24 Rendimiento de desorción de azúcares (%);
Y35 Contenido en compuestos fenólicos en el extracto desorbido (g EAG/g extracto seco);
Y46 Contenido en azúcares totales en el extracto desorbido (g D-glucosa/g extracto seco);
Y57 Capacidad captadora del radical ABTS (mM Trolox).
Resultados y discusión
111
El intervalo de contenido fenólico en los productos desorbidos fue del 44-51 %
para HP20, 35-51 % para SP207 y entre 30-47 % para XAD16 HP. Los valores
promedio para el contenido de azúcar de los extractos desorbidos fue del 24-29 %
para HP20, 22-31 % para SP207 y 16-26 % para XAD16HP.
Tabla 4.7. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo durante la desorción en resina Amberlite XAD16HP.
FUNCIONES OBJETIVO
Y1 Y2 Y3 Y4 Y5
Exp. exp calc exp calc exp calc exp calc exp calc
1 41,7 42,1 16,6 16,6 0,350 0,387 0,220 0,245 7,98 7,65
2 46,1 46,0 16,5 17,2 0,307 0,328 0,176 0,199 8,87 8,87
3 49,3 47,8 18,5 18,1 0,413 0,392 0,249 0,238 8,43 8,70
4 50,5 49,8 19,1 18,1 0,397 0,399 0,241 0,235 9,22 9,02
5 39,5 39,8 16,1 15,6 0,356 0,319 0,233 0,202 7,63 7,85
6 45,1 42,7 15,5 14,7 0,297 0,315 0,165 0,177 8,92 8,77
7 44,3 46,6 16,0 16,6 0,323 0,321 0,188 0,183 9,36 9,29
8 43,7 45,5 15,1 16,1 0,408 0,390 0,234 0,225 8,25 8,52
9 51,5 50,4 18,4 17,8 0,410 0,437 0,235 0,247 13,3 13,3
10 50,9 50,4 17,8 17,8 0,419 0,437 0,235 0,247 14,0 13,3
11 49,0 50,4 16,5 17,8 0,469 0,437 0,254 0,247 12,9 13,3
12 50,5 50,4 18,8 17,8 0,432 0,437 0,259 0,247 13,1 13,3
13 50,0 50,4 17,5 17,8 0,452 0,437 0,235 0,247 13,4 13,3
Operando con HP20, en los extractos desorbidos, se obtuvo en el experimento
número 7, a 25 °C con etanol del 88 %, la mayor pureza de compuestos fenólicos.
Se observó una correlación esperada entre el contenido fenólico de los extractos
desorbidos y la capacidad de captación de radicales ABTS. La capacidad de
captación de radicales del producto desorbido varió desde 8,9 hasta 13,0 mM
Trolox para HP20, de 11,2 a 13,3 mM Trolox para SP207 y de 7,6 a 14,0 mM
Trolox para XAD16HP. Con el fin de comparar la eficacia antirradicalaria del
producto desorbido, estos valores pueden referirse a la actividad de un gramo del
producto desorbido seco. Estas actividades variaron desde 1,94 hasta
2,63 gramos de Trolox por gramo de producto desorbido para HP20; entre 1,97 y
2,66 g/g para SP207 y entre 1,5 y 3,1 g/g para XAD16HP. La capacidad de
captación del radical ABTS de un gramo de BHT (butilhidroxitolueno) fue
equivalente a 1,80 g de Trolox, un gramo de BHA (butilhidroxianisol) fue
comparable a 2,06 g Trolox y un gramo de ácido gálico a 4,93 g Trolox (Conde y
col., 2011).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
112
La validez estadística de los efectos predichos para las variables independientes,
se evaluó mediante una prueba t de Student, y la importancia de los modelos
mediante el test F de Fischer. Los coeficientes para los efectos lineales,
cuadráticos y de interacción de T y E en las funciones objetivo, se muestran en la
Tabla 4.8 para las resinas seleccionadas.
Tabla 4.8. Coeficientes de regresión y parámetros estadísticos de ajuste de los modelos calculados para las funciones objetivo.
Y1 Rendimiento desorción fenólicos (%)
Y2: Rendimiento de desorción de azúcares
(%)
Y3: Contenido total en
fenólicos
(g EGA/g extracto)
Y4: Contenido total en azúcares
(g D-glucosa/g extracto)
Y5: Capacidad captadora (mM Trolox)
Coeficiente probabilidad coeficiente probabilidad coeficiente probabilidad coeficiente probabilidad coeficiente probabilidad
Diaion HP20
a0 64,5 3,80 10-12 22,2 1,64 10-12 0,469 1,32 10-12 0.261 5.22 10-11 11.1 5.14 10-09
aT
aE
aTE
aTT
aEE
-0,142 0,799 0,362 0,063 -0,001 0,751 0.004 0.212 -0.158 0.561
1,70 0,016 0,393 0,048 0,021 0,000 0.009 0.023 0.989 0.007
-1,42 0,103 -0,043 0,857 -0,015 0,015 -0.003 0.547 0.587 0.154
-0,228 0,704 0,298 0,133 0,004 0,292 0.007 0.082 -0.057 0.844
-1,66 0,023 -0,333 0,099 0,001 0,797 0.004 0.325 0,302 0.314
R2 0,758 0,721 0,878 0,688 0,728
Error 1,519 0,463 0,009 0,009 0,734
F 4,39 3,62 10,1 3,09 3,75
Sepabeads SP207
a0
aT
aE
aTE
aTT
aEE
57,6 2,19 10-11 24,8 1,86 10-8 0,400 9,74 10-8 0.240 1.14 10-8 11.7 1.03 10-10
1,72 0,027 0,672 0,367 0,002 0,864 -0.002 0.767 -0.184 0.277
2,65 0,004 -1,60 0,056 0,022 0,169 -0.015 0.051 0.447 0.024
-0,819 0,379 0,348 0,735 0,009 0,647 0.011 0.248 0.347 0.161
0,576 0,413 -0,621 0,433 0,039 0,039 0.011 0.143 0.266 0.157
-1,25 0,101 0,673 0,397 0,013 0,420 0.022 0.015 0.166 0.355
R2
Error
F
0,821 0,535 0,572 0,730 0,684
1,74 1,97 0,0405 0,0178 0,442
6,41 1,61 1,87 3,79 3,03
Amberlite XAD16HP
a0
aT
aE
aTE
aTT
aEE
50,4 4,94 10-11 17,8 1,47 10-9 0,437 8,12 10-9 0,247 2,70 10-8 13,3 1,92 10-11
0,694 0,290 0,021 0,953 0,002 0,837 -0,001 0,879 0,114 0,443
1,02 0,137 -0,289 0,433 -0,001 0,919 -0,009 0,266 0,323 0,0545
-1,27 0,182 -0,283 0,583 0,032 0,075 0,022 0,069 -0,500 0,039
-0,787 0,265 0,173 0,656 -0,020 0,125 -0,006 0,510 -2,24 1,45 10-6
-4,58 0,0002 -1,32 0,009 -0,059 0,001 -0,029 0,008 -2,52 6,62 10-7
R2
Error
F
0,889 0,672 0,819 0,736 0,985
1,71 0,983 0,031 0,021 0,396
11,2 2,87 6,35 3,90 91,6
El efecto cuadrático de la concentración de etanol en el eluyente sólo fue
significativo en los rendimientos de desorción, mientras que el efecto lineal de
esta variable fue significativo en todas las funciones objetivo durante la operación
con HP20. Con SP207 el efecto lineal de la concentración de etanol fue
Resultados y discusión
113
significativa en todas las funciones, excepto en el contenido fenólico del producto.
Operando con XAD16HP el efecto cuadrático de la concentración de etanol fue el
más significativo, seguido por el efecto de la interacción entre la temperatura y
etanol, particularmente en el contenido fenólico y el contenido en azúcar de los
extractos y de la capacidad de captación de radicales.
Una comparación, entre las funciones objetivo experimentales y las calculadas
para las condiciones operativas seleccionadas como óptimas, confirmó la buena
capacidad de predicción de los modelos para todas las resinas (Tabla 4.9). Los
modelos de superficie de respuesta y los gráficos de contorno definido con las
variables significativas en el nivel del 90 % se muestran en la Figura 4.12 y 4.13
para las funciones objetivo estudiadas.
La Fig 4.12.a muestra las curvas de respuesta de superficie obtenidas en las tres
resinas ensayadas, para la desorción de compuestos fenólicos. La tasa de
desorción de compuestos fenólicos sigue el siguiente orden: Sepabeads Diaion
HP20 > SP 207 > Amberlite XAD 16HP. Las superficies de respuesta muestran el
efecto lineal del etanol en las tres resinas; mientras que en etanol, las Sepabeads
y Diaion, presentan un efecto cuadrático, en la Amberlite presenta un efecto lineal.
Tabla 4.9. Comparación entre los valores experimentales y calculados de las funciones objetivo en las condiciones óptimas.
Funciones objetivo
Variables reales
Variables codificadas
Resina T EtOH T E
Y1exp Y1calc Y2exp Y2calc Y3exp Y2calc Y4exp Y2calc Y5exp Y5calc
(°C) (%)
HP20 50 96 1,5 1,4142 56,8 59,8 22,9 23,2 0,473 0,475 0,266 0,297 13,3 14,0
SP207 50 96 1,5 1,4142 60,0 61,0 21,6 24,2 0,521 0,570 0,291 0,318 12,7 13,7
XAD16HP 45 96 1 1,4142 39,3 40,8 16,3 14,5 0,272 0,343 0,163 0,202 8,39 5,93
Y1: Rendimiento de desorción de compuestos fenólicos (%); Y2: Rendimiento de desorción de azúcares (%);
Y3: Contenido en compuestos fenólicos en el extracto desorbido (g EAG/g extracto seco); Y4: Contenido en
azúcares totales en el extracto desorbido (g D-glucosa/g extracto seco); Y5: Capacidad captadora del radical
ABTS (mM Trolox).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
114
a) b)
c)
Figura 4.12. Superficie de respuesta de las funciones objetivo estudiadas para optimizar la etapa de desorción de (a) compuestos fenólicos, (b) azúcares y (c) captadores de radicales desde las resinas XAD-16HP, SP207 y HP20.
La Fig 4.12b muestra las curvas de respuesta de superficie obtenidas para la
desorción de azúcares. La desorción de azúcares fue mayor para la resina
Sepabeads y mínima para la Amberlite. Para la resina Sepabeads SP700, la
desorción de azúcares no está favorecida por la concentración de etanol,
presentando un comportamiento inverso al mostrado en compuestos fenólicos,
produciendo de este modo, empleando altas concentraciones de etanol, un
desorbido con baja concentración en azúcares y alta concentración en fenoles.
El producto eluido presentó un color amarillo-marrón claro, textura pulverulenta y
manejable y un olor característico a bodega con un contenido fenólico del 50 % en
peso seco, mayor que la de algunos de los ingredientes comerciales (Monagas y
col., 2006), y otros productos refinados concentrados, tales como los de las aguas
residuales de molino de oliva concentrado con resinas (He y col., 2012). Los
extractos finales contenían un 25 % de azúcares y para algunas aplicaciones
Resultados y discusión
115
podría ser deseable la eliminación de los ácidos orgánicos y de los azúcares
(Cardona y col., 2009).
4.2.2.4.3. Composición fenólica y grado de polimerización
En los estudios realizados hasta ahora los compuestos fenólicos se expresaron
como fenoles totales, pero interesaba conocer el tipo de compuestos presentes en
el producto concentrado. Para ello se realizaron medidas de cromatografía líquida
del producto obtenido con la resina seleccionada (Sepabeads SP207). El perfil
cromatográfico reveló la presencia de compuestos monoméricos (ácido gálico,
catequina, epicatequina, quercetina), oligómeros y fenoles poliméricos.
Figura 4.13. Variación del contenido de (a) compuestos fenólicos y (b) azúcares totales en las muestras desorbidas desde las resinas XAD-16HP, SP207 y HP20.
También se realizaron estudios de caracterización de volátiles. Los compuestos
que se encuentran en la fracción soluble en diclorometano se muestran en la
Tabla 4.10, tanto para la fase líquida separada de los residuos de bodega, que se
diluyeron adicionalmente, como para el producto desorbido a partir de resinas
poliméricas seleccionadas y operando en condiciones óptimas.
a) b)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
116
Tabla 4.10. Composición de las fracciones solubles en DCM de la fase líquida separada de desechos de bodega diluidas (A) y del producto desorbido de Sepabeads SP207 con etanol 96% a 50 °C (B), analizado por GC-MS.
t (min) Nombre Área relativa al 3-octanol
A B
8,57 2-metil-2-butanol 5,979 7,195
10,14 1,1-dietoxi-3-metilbutano ND 0,326
10,75 2-metilpropanol (isobutanol) ND 0,113
16,73 3-octanona 0,776 0,191
18,09 3-hidroxi-2-butanona ND 1,015
19,39 Metil lactato ND 0,263
20,40 Etil lactato ND 4,559
21,20 2-hidroxi-2-methil-4-pentanona 0,272 ND
21,69 3-etoxi-1-propanol ND 0,232
25,12 Ácido acético 0,180 7,900
28,07 Benzaldehido ND 0,692
28,58 Ácido propanoico ND 15,648
29,91 2,3-butanediol ND 0,689
31,93 Metil benzoato ND 1,299
32,27 Dihidro-2(3H)-furanona ( -butirolactona) ND 1,453
32,78 Benzeneacetaldehido ND 13,022
33,74 Ácido 3-metilbutanoico (ácido isovalérico) ND 0,206
33,90 Dietil succinato ND 0,212
35,48 (2,2 dietoxietil)benceno ND 0,294
36,21 1,3-propanediol diacetato ND 5,869
37,84 1,3-propanediol ND 0,203
38,65 Etil propanoato ND 1,108
40,18 Ácido hexanoico ND 0,371
40,63 N-(3-metilbutil)acetamida ND 0,844
42,44 Feniletanol ND 3,434
54,81 2-etilhexil-2-hidroxibenzoato ND 0,543
57,46 Monoetil succinato ND 50,183
60,22 Ácido dodecanoico (ácido laurico) ND 5,589
62,32 Dietil succinato ND 0,683
72,51 Alcohol homovaníllico (4-hidroxi-3-metoxifeniletil alcohol) ND 0,804
ND, no detectados
No se detectaron la mayoría de los componentes en la fase líquida separada de
residuos de bodega más diluida, pero se encontraron en el producto desorbido
concentrado. Los más abundantes fueron el succinato de monoetilo, ácido
propanoico y bencenoacetaldehido, seguido por dos ácidos (acético y láurico),
dos alcoholes (2-metil-2-butanol y 2-feniletanol) y dos ésteres (acetato de 1,3-
propanodiol y acetato de lactato). La mayoría de estos compuestos se generan
Resultados y discusión
117
durante la fermentación alcohólica y, por tanto, se pueden encontrar en los
desechos bodega.
El grado de polimerización de los compuestos fenólicos recuperados de los
residuos de bodega fue 3, ligeramente superior al de los subproductos de
destilería del mismo origen y diferente año, obtenidos en los materiales retenidos
de membranas de nanofiltración y que se recupera finalmente con Sepabeads
SP700 (Díaz-Reinoso y col., 2010).
En otros extractos de uva se han obtenido grados de polimerización en el
intervalo de 1 a 3,7 (Torres y Selga, 2003; Mitjans y col., 2011), y se sabe que
este criterio es importante para predecir la modulación de la capacidad
antioxidante con los efectos citotóxicos.
4.2.2.4.4. Conclusiones
El empleo de resinas poliméricas no iónicas permitió adsorber y recuperar
compuestos fenólicos con capacidad captadora de radicales libres de residuos de
destilería. La adsorción de compuestos fenólicos y de captadores de radicales
ABTS se puede ajustar a un comportamiento de pseudo segundo orden. Durante
la desorción, la concentración de etanol en el eluyente fue la variable más
influyente. El producto desorbido, una vez seco presentaba un color claro y
contenía 50 % en peso de compuestos fenólicos, expresados en equivalente de
ácido gálico. El análisis por CLAE, de los compuestos fenólicos, reveló que el
mayoritario era ácido gálico y se encontraron flavonoides, como catequina,
epicatequina y quercetina, y fracciones oligoméricas. Estos resultados
confirmaron el potencial de las resinas poliméricas para recuperar y concentrar
compuestos fenólicos antioxidantes.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
118
4.2.3. Estudios dinámicos en columnas de lecho fijo
4.2.3.1. Adsorción en columnas de lecho fijo
4.2.3.1.1 Resumen
En este estudio se ha propuesto el estudio del comportamiento de un sistema
dinámico de adsorción empleando dos resinas (Sepabeads SP207 y Amberlite
XAD 16HP), seleccionadas en base a resultados previos mostrados en el
apartado anterior, y empleando el efluente recuperado de la destilación de bagazo
fermentado de uva blanca. Los estudios cinéticos y de equilibrio se hicieron
primero en discontinuo para determinar la cantidad retenida de compuestos
fenólicos totales. A continuación, se evaluó el efecto que la concentración del
influente alimentado a la columna, el caudal del influente y la longitud de lecho
empaquetado presentan sobre la capacidad de adsorción de ambas resinas. Se
estudió el comportamiento del sistema mediante la evaluación de las curvas de
rotura para lo cual se ajustaron los datos experimentales obtenidos por el trazado
de la concentración adimensional Ct/C0 frente al tiempo o el volumen del efluente,
donde Ct y C0 son la salida y entrada de la concentración de adsorbato,
respectivamente. Estos datos se ajustaron a tres modelos simplificados; y según
el modelo de Bohart-Adams, se observó que la capacidad de adsorción es
directamente proporcional a la concentración inicial y a la velocidad del flujo de la
alimentación; siendo independiente de la longitud de la columna. Los estudios
permitieron realizar el cálculo de los tiempos de rotura y de saturación.
4.2.3.1.2. Objetivos
El objetivo del presente trabajo es explorar el desarrollo de un proceso dinámico
de adsorción empleando resinas macroporosas para la recuperación de
polifenoles presentes en las aguas residuales de destilerías de bagazo
fermentado de uva blanca. Se pretende estudiar el proceso en continuo mediante
la evaluación de las variables del sistema (concentración de polifenoles, flujo, y
altura del lecho). Mediante el análisis y modelización de las curvas de rotura por
diferentes modelos matemáticos (Thomas, Bohart-Adams y Yoon-Nelson) se
determinarán los parámetros de diseño de estos sistemas.
Resultados y discusión
119
4.2.3.1.3. Materiales y métodos
4.2.3.1.3.1. Materiales. Las vinazas empleadas en este estudio se han descrito
en el capítulo de materiales y métodos en el apartado 3.1.2.1.
Las resinas Sepabeads SP207 (Resindion SRL) y Amberlite XAD16HP (Rohm
and Haas) empleadas en este estudio, se seleccionaron a partir de los resultados
obtenidos en el capítulo anterior. Sus características y propiedades se describen
en el epígrafe 3.1.3.2 del capítulo de Materiales y métodos.
Las resinas se activaron, por contacto, en un vaso de precipitados con un
volumen de metanol que cubría las resinas hasta un nivel 2,5 a 5 cm por encima
de las mismas. Las resinas y el metanol se mezclaron con agitación suave
durante un minuto y después, la mezcla se agitó a 175 rpm y 25 °C durante 15
min. Antes de su uso, se enjuagaron con agua desionizada en una relación L:S de
5. El contenido de humedad de las resinas se determinó mediante el secado de
las perlas en un horno a 70 °C hasta peso constante, y los experimentos de
adsorción se llevaron a cabo utilizando una cantidad de resinas conocida.
4.2.3.1.3.2. Metodología experimental
a. Adsorción por lotes. Los estudios de equilibrio de los experimentos por lotes
se llevaron a cabo poniendo en contacto los subproductos líquidos de bodega
centrifugados con cantidades previamente pesadas de resinas hidratadas, en
matraces Erlenmeyer sellados a 25 °C en un agitador orbital a 175 rpm.
Transcurrido el tiempo de contacto seleccionado, la suspensión se filtró a través
de membranas de nitrato de celulosa (0,45 m), y se determinó la concentración
de compuestos fenólicos remanentes en la muestra empleada. Se midió la
concentración de compuestos fenólicos adsorbidos en un tiempo t por unidad de
masa de resina (qt, mg/g) como equivalentes de ácido gálico y se calculó la tasa
de adsorción por la ecuación:
W
VCCq t0
t
) - ( Ec. [3.1]
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
120
donde C0 y Ct son las concentraciones de fenoles en la solución acuosa (mg/L) en
la muestra inicial y en el momento t, respectivamente, V es el volumen de la
solución (L) y W es el peso de la resina húmeda (g). Los experimentos se
realizaron por triplicado.
b. Experimentos de adsorción en columna. La absorción en lecho fijo se llevó a
cabo en dos columnas de vidrio encamisadas (diámetro interno de 10 mm) de
longitud de 200 y 300 mm, empacadas con 8 y 14 g respectivamente, de las
resinas seleccionadas. La solución de las vinazas, con contenido en compuestos
fenólicos conocido, se alimentó por la parte superior de la columna a un caudal
seleccionado utilizando una bomba F10 (Bio-Rad, CA, EE.UU.). La temperatura
del proceso se mantuvo a 30 °C y el eluido de la columna se analizó en línea,
empleando el detector Quadtec de un sistema Biologic Duo Flow.
Se evaluó el comportamiento de los sistemas dinámicos utilizando las curvas de
rotura obtenidas por el trazado de la concentración adimensional Ct/C0 frente al
tiempo o el volumen del efluente; donde Ct y C0 eran la salida y entrada de la
concentración de adsorbato, respectivamente (Arsuaga y col., 2014). El tiempo de
rotura, tb, se determinó cuando la relación Ct/C0 alcanzó el 1 % del valor del
influente. El tiempo de saturación, a menudo llamado tiempo de agotamiento, te,
se estimó cuando la relación Ct/C0 alcanzó el 95 % del valor de la relación
normalizada.
c. Modelado de las curvas de rotura. Se aplicaron tres modelos simplificados
(Bohart-Adams, Thomas y Yoon-Nelson) para reproducir la dinámica de adsorción
de los compuestos fenólicos en columnas de lecho fijo.
El modelo de Thomas, que asume un modelo cinético reversible de segundo
orden y cumple los mecanismos propuestos en la isoterma de Langmuir (Han y
col., 2008; Ghasemi y col., 2011), es adecuado para estimar parámetros cinéticos
y capacidades de adsorción cuando las resistencias de difusión son muy
pequeñas (Aksu y Gönen, 2004). Se expresa con la ecuación [3.2].
Resultados y discusión
121
tCkwqk
C
CTh
Th
t
000 )1ln(
Ec. [3.2]
siendo kTh (mL/min·mg) la constante de Thomas, q0 (mg/g) la cantidad de
compuestos fenólicos adsorbidos en el equilibrio por g de resina, C0 (mg/L) la
concentración de compuestos fenólicos en la corriente de entrada; Ct (mg/L) la
concentración de compuestos fenólicos, a un tiempo t determinado, en el efluente;
W (g) es la masa de resina y ν (mL/min) el caudal de influente.
El modelo de Bohart-Adams se emplea para describir la parte inicial de la curva
de rotura, mediante la ecuación [3.3] (Aksu y Gonen, 2004):
F
ZNktCk
C
CBABA
t00
0
-ln Ec. [3.3]
donde C0 y Ct (mg/L) son las concentraciones de compuestos fenólicos en el
influente y el efluente, respectivamente, kBA (L/mg·min) es la constante del
modelo, F (cm/min) es la velocidad lineal del influente, Z (cm) es la longitud del
lecho y N0 (mg/L) es la concentración de saturación.
El modelo de Yoon–Nelson puede expresarse mediante la ecuación [3.4] (Aksu y
Gonen, 2004):
YNYN
t
t ktkCC
C
0
ln Ec. [3.4]
donde kYN es la constante de velocidad (min-1) y (min) es el tiempo necesario
para la saturación del absorbente a su 50 % de capacidad.
4.2.3.1.4. Resultados y discusión
El proceso de adsorción dinámico de compuestos bioactivos presentes en vinazas
y/o condensados de destilería de bagazo fermentando se llevó a cabo en
columnas encamisadas de diferente longitud de relleno (10 – 20 cm). Los ensayos
se realizaron con dos de las resinas que presentaron el mejor comportamiento en
los estudios previos.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
122
Previo al estudio en columna, la capacidad máxima de adsorción (qm) de ambas
resinas y los parámetros cinéticos del proceso se determinan mediante el estudio
del proceso de adsorción en estático. Para ello se dispone de un sistema en lotes
que consta de matraces erlenmeyer de 25 mL de capacidad en los cuales se
ponen en contacto por un tiempo de 30 min, 5 mL de la vinaza con 3 g de resinas
a un pH “nativo” de la muestra y a temperatura ambiente (25 °C). El contenido de
cada matraz se filtró a través de un filtro de membrana de 0,45 micras y se
analizó la fase líquida. Los datos experimentales obtenidos, expresados como
miligramos de fenoles totales adsorbidos por gramo de resina y expresado por qt
se modelizaron cinéticamente mediante el ajuste de estos datos experimentales a
dos modelos cinéticos tipo, el modelo de pseudo primer orden (ecuación
Lagergren) y el modelo de pseudo segundo orden.
La ecuación de velocidad de pseudo primer orden de Lagergren se describe en
general por la ecuación Ec. [4.10], y se supone que la tasa de absorción de soluto
es proporcional al gradiente de la concentración de saturación.
)( ads1 te
t q - qKdt
dq Ec. [4.10]
donde qt y qe son la cantidad de fenólicos adsorbidos (mg/g) en el tiempo de
contacto t (min) y en el equilibrio y Kads1 es la constante de velocidad de pseudo
primer orden (min-1).
La ecuación de pseudo primer orden, una vez integrada y linealizada (Figura
4.14.a), tiene la forma:
tK
qqq ete2.303
- log) -og(lads1
Ec. [4.2]
El modelo cinético para pseudo segundo viene representado por:
2
ads2)( te
t q - qKdt
dq Ec. [4.11]
Resultados y discusión
123
donde t es el tiempo de contacto, qt y qe son las concentraciones de compuestos
fenólicos adsorbidos (expresadas en mg/g) en el momento considerado y en el
equilibrio respectivamente y kads2 es el parámetro cinético de pseudo segundo
orden.
La integración y linealización de la Ec. [4.11] conduce a la siguiente expresión
empleada para la representación de los resultados experimentales y el posterior
cálculo para obtener los valores de qm y la Kads2:
tqqkq
t
eeads
t
1
1
2
2
Ec. [4.3]
La Figura 4.14b muestra la dependencia lineal de t/qt frente al tiempo de contacto
entre el adsorbato y el adsorbente. Muchos sistemas de adsorción pueden ser
representados por una cinética de pseudo primer orden, pero en este estudio el
proceso de adsorción no sigue este comportamiento tal y como se muestra por los
valores de la tasa de adsorción máximos calculados a partir de los parámetros de
la regresión. Estos valores de qm, de 0,89 y 0,65 mg EAG/g resina para la
XAD16HP y SP207 respectivamente, se encuentran lejos de los valores
encontrados experimentalmente de 2,3 y 2,5 mg EAG/ g resina. En la Tabla 4.3
se muestra la constante cinética para este modelo de pseudo primer orden. Por
otra parte, el modelo cinético de pseudo segundo orden se ha adaptado para
sistemas en los cuales la quimiosorción es el mecanismo de control de velocidad
(Reddad y col., 2002). Viendo el ajuste de los datos experimentales realizados por
este modelo y los valores de capacidad máxima de adsorción que predice, parece
que nuestro sistema de adsorción propuesto con estas resinas poliméricas se rige
por un mecanismo heterogéneo con proceso químico de adsorción puesto que en
este caso los valores de qmax encontrados fueron de 2,36 y 2,58 mg EAG/ g resina
para la XAD16HP y SP207, respectivamente. Estos valores coinciden con los
obtenidos experimentalmente.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
124
a) b)
Figura 4.14. Representación de los ajustes realizados a los datos experimentales con los modelos cinéticos de (a) pseudo-primer y (b) pseudo segundo orden.
Estudio de la adsorción en columnas de lecho fijo. Curvas de rotura
El parámetro de capacidad o tasa de adsorción obtenida de un experimento
discontinuo o estático es útil para proporcionar información acerca de la eficacia
del adsorbente. Sin embargo, los datos obtenidos bajo condiciones de proceso
por lotes, generalmente no son aplicables a la mayoría de los sistemas de
tratamiento (tales como operaciones de columna). Por lo tanto, hay una necesidad
real de realizar estudios dinámicos en lechos de relleno para evaluar el
comportamiento de los sistemas de adsorción.
1) Efecto de la velocidad de flujo de influente y de la concentración
La Tabla 4.11 y Tabla 4.12 muestran los porcentajes de adsorción de los
compuestos fenólicos y azúcares totales respectivamente, que se han obtenido en
los distintos estudios de adsorción dinámicos llevados a cabo sobre lechos fijos
empacados con las resinas Sepabeads SP207 y Amberlite XAD16HP. Como se
puede ver en la Tabla 4.11, cuando se lleva a cabo el proceso de adsorción con
un lecho de resina de 10 cm y con una concentración de 2,9 g EAG/L de vinaza
(datos referenciados como C0 (L10)) ambas resinas presentan un comportamiento
similar cuando el influente es bombeado con un caudal de 1 mL/min, si bien
cuando se aumenta el caudal del influente, la resina Amberlite presenta
capacidades de adsorción ligeramente inferiores a las mostradas por la resina
Sepabeads SP207.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0,0 0,1 0,1 0,2 0,2
Lo
g (q
e-q
)
Tiempo (h)
XAD16HP
XAD16HP calc
SP700
0,0E+00
4,0E-05
8,0E-05
1,2E-04
1,6E-04
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35
t / q
Time (h)
XAD16HP
XAD16HPcalc
SP700
SP700 calc
Resultados y discusión
125
Tabla 4.11. Efecto de la concentración del eluyente, longitud de la columna y del caudal de alimentación en la capacidad de adsorción de compuestos fenólicos de las resinas Sepabeads SP207 y Amberlite XAD16HP.
Sepabeads SP207
Porcentaje adsorción (%) q (mg EAG / g resina)
1 mL/min 2,5 mL/min 5mL/min 1 mL/min 2,5 mL/min 5 mL/min
C0 (L20) 89,81 87,91 78,06 12,65 30,15 44,63
C0 (L10) 86,25 82,25 60,85 7,53 18,41 32,70
½ C0 (L10) 89,67 - - 3,76 - -
1/3 C0 (L10) 90,34 89,01 82,72 2,52 6,21 11,56
Amberlite XAD 16HP
C0 (L20) 91,95 90,74 77,99 12,52 27,61 38,25
C0 (L10) 85,37 75,34 52,29 7,71 19,01 32,67
½ C0 (L10) 92,54 - - 3,57 - -
1/3 C0 (L10) 93,1 91,82 86,76 2,60 1,18 12,11
Cuando se aumentó el caudal del influente desde 1 mL/min hasta 2,5 y 5 mL/min
los porcentajes de eliminación de compuestos fenólicos presentes en las vinazas
decayeron en un 4,6 y un 29,4 % respectivamente para la resina Sepabeads
SP207, mientras que para la resina Amberlite XAD16HP la capacidad de retirar
del influente compuestos fenólicos decayó entre un 12 y un 39 % para los
caudales de 2,5 y 5 mL/min, respectivamente. Esto muestra que para los sistemas
elegidos el caudal es una variable operacional importante para la completa
recuperación de los compuestos fenolicos presentes en las vinazas. Cuando se
evaluó el comportamiento de los azúcares totales presentes en el efluente se
encontraron valores de adsorción por debajo del 38 % de los compuestos
encontrados en el efluente inicial para el caso de procesos realizados sobre
Sepabeads y ligeramente superiores para el caso de adsorción en Amberlite
(45 %) (ver Tabla 4.12). En este caso el efecto del caudal tuvo un comportamiento
diferente, mejorando ligeramente la tasa de eliminación de azúcares cuando se
aumenta el caudal de influente desde 1 mL/min hasta 2,5 mL/min. Al igual que
ocurre para los compuestos fenólicos, la Amberlite presenta mejor afinidad por los
solutos que la Sepabeads, siendo, en este caso, las diferencias en las
capacidades de eliminación de azúcares totales más significativas (Tabla 4.12)
que para los compuestos fenólicos (Tabla 4.11).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
126
Tabla 4.12. Efecto de la concentración del eluyente, longitud de la columna y del caudal de alimentación en la capacidad de adsorción de azúcares totales de las resinas Sepabeads SP207 y Amberlite XAD16HP.
Sepabeads SP207
Porcentaje adsorción (%) q (mg D-glucosa / g resina)
1 mL/min 2,5 mL/min 5mL/min 1 mL/min 2,5 mL/min 5 mL/min
C0 (L20) 33,51 28,31 14,82 12,50 10,55 13,0
C0 (L10) 36,15 37,08 17,51 4,49 4,61 5,11
½ C0 (L10) 34,83 - - 6,49 - -
1/3 C0 (L10) 36,15 37,08 17,51 4,49 4,6 5,11
Amberlite XAD 16HP
C0 (L20) 38,29 36,65 20,01 14,28 13,67 17,56
C0 (L10) 23,6 25,01 9,27 15,40 16,32 14,23
½ C0 (L10) 45,02 - - 8,39 - -
1/3 C0 (L10) 42,62 36,74 23,06 5,29 4,57 6,74
Se evaluó el efecto de la concentración del soluto en la muestra alimentada a la
columna, para ello las vinazas se emplearon en su concentración inicial y diluida a
la mitad y un tercio de la concentración inicial. En Tabla 4.11 se muestran los
valores de la capacidad de adsorción/eliminación de compuestos fenólicos y la
capacidad de adsorción por gramo de resina para las vinazas diluidas a la mitad y
a un tercio. Para identificar estas muestras se emplea la siguiente nomenclatura:
“1/2C0 (L10)” para vinaza diluida dos veces y “1/3C0 (L10)” para la muestra de
vinaza diluida tres veces y adsorbidas en la columna de lecho fijo de10 cm. La
dilución de la muestra de efluente mejora entre un 4–5 % y un 8-9 % la
eliminación de compuestos fenólicos de la resina Sepabeads y Amberlite,
respectivamente.
En general, se podría decir que con un aumento del caudal se produce una
disminución en el porcentaje de eliminación de compuestos fenólicos y de
azúcares, posiblemente debido a que la resistencia de la película externa tiende a
ser menor con menores tiempos de residencia y los consiguientes tiempos de
rotura cada vez más pequeños. Esto tiene como consecuencia que cada vez los
compuestos a retener pasan a través del lecho de la columna con menor tiempo
de contacto por lo que resulta más difícil entrar en la estructura del poro de las
partículas de resina y ello justifica también los menores valores que se encuentran
Resultados y discusión
127
para la tasa de adsorción de compuestos fenólicos y azúcares por unidad de
masa de adsorbente (Arsuaga y col., 2014).
La Figura 4.15 muestra el efecto de la variación de la concentración inicial que se
introduce en la columna sobre la forma de las curvas de rotura.
Figura 4.15. Curvas de rotura experimentales para la eliminación de compuestos fenólicos en Sepabeads 207. Efecto de la concentración del efluente.
A valores de concentración de compuestos fenólicos de 2,9 g/L (C0) la curva de
rotura muestra una forma más asimétrica que las curvas de rotura obtenidas para
los procesos de adsorción con alimentaciones diluidas. Esta tendencia de la curva
con una inclinación más suave implica una zona más ancha de lecho donde se
produce transferencia de materia. Esta zona de transferencia de materia es mayor
para el proceso llevado a cabo con la muestra inicial que con las muestras
diluidas, y esto podría explicar el porqué aunque la curva de rotura para la
muestra inicial presenta un tiempo de rotura menor, la cantidad de compuestos
eliminados ha sido mayor, al producirse un mayor tiempo de contacto de la
muestra con la resina desde el punto de rotura hasta el punto de agotamiento
(C/C0 = 0,95C0). Estos resultados ponen en evidencia que el empleo de efluentes
con valores de concentración más pequeños, conllevan a la posibilidad de tratar
una mayor cantidad de efluente debido a que los tiempos de contacto son
mayores.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
128
La Figura 4.16 muestra el efecto combinado del caudal y de la concentración del
infuente sobre las curvas de rotura. Se observa como con caudales más altos se
obtuvieron curvas con un frente de avance más rápido, con tiempos de rotura más
pequeños que para las curvas de rotura con un caudal de 1 mL/min.
Figura 4.16. Curvas de rotura experimentales para la eliminación de compuestos fenólicos en Sepabeads 207. Efecto de la concentración y del caudal del efluente.
Se observó que la dilución de la muestra no tenía efecto significativo para los
tiempos de rotura cuando se trabajó con caudales de 2,5 y 5 mL/min, sin
embargo, la concentración de la muestra sí que presenta importancia para la
determinación de las condiciones de agotamiento de la columna. Tal como se
aprecia en la Figura 4.16 las curvas de rotura para las muestras diluidas
presentan una zona más ancha de transferencia de materia, lo que va implicar un
mayor tiempo de contacto y una mayor tasa de eliminación de los compuestos
presentes en las vinazas. Este comportamiento se explica sobre la base de los
fundamentos de la transferencia de masa, dado que a mayor velocidad de flujo, la
velocidad de transferencia de masa tiende a aumentar, y al mismo tiempo son
consistentes con los datos de adsorción que se muestran en la Tabla 4.11.
2) Efecto de la diferente profundidad del lecho.
En las Tablas 4.11 y 4.12 se recogen los porcentajes de adsorción de los
compuestos fenólicos y azúcares totales obtenidos para los procesos de
adsorción en lechos de resinas de 20 cm, con un caudal de 1 mL/min, y su
Resultados y discusión
129
comparativa con los obtenidos en lechos de 10 cm de resinas Sepabeads SP207
y Amberlite XAD16HP.
La capacidad de eliminación de compuestos fenólicos para la columna empacada
con un lecho de profundidad de 20 cm fue ligeramente superior (89,8 %) al
encontrado para la longitud de lecho de 10 cm (86,3 %). Sin embargo la forma de
las curvas de rotura (Figura 4.17) encontradas para la configuración de 10 y 20
cm muestran una mayor capacidad de adsorción de compuestos al presentar un
tiempo de rotura muy superior en la configuración de 20 cm. La pequeña
diferencia entre los valores de porcentaje de adsorción podría estar justificado por
la forma de las curvas en la que se aprecia como la típica forma en S está mejor
definida para la configuración de 20 cm, esto implica una menor zona de
transferencia de materia que la que se muestra en la configuración 10 cm. Esto
lleva, a que los tiempos de saturación de la resina no sean tan diferentes a lo
esperado y por lo tanto el tiempo de contacto de los compuestos con la resina
será similar, posibilitando estos porcentajes tan próximos.
Figura 4.17. Curvas de rotura experimentales para la eliminación de compuestos fenólicos en Sepabeads 207. Efecto de la longitud del lecho.
Se evaluó al mismo tiempo el efecto de la velocidad de flujo para la configuración
con 20 cm de longitud de lecho. Con esta configuración se encontró el mismo
descenso en la cantidad de compuestos adsorbidos por unidad de masa de
adsorbente y de forma global. En este caso, el aumento del flujo provocó una
disminución similar en los porcentajes de eliminación de compuestos fenólicos en
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
130
ambas resinas con disminuciones no significativas para caudales de 2,5 mL/min y
de entre un 13-15 % para 5 mL/min.
3) Modelización de las curvas de rotura
El empleo de sistemas dinámicos de adsorción como proceso de eliminación de
componentes de una disolución necesita del estudio previo y la simulación de las
curvas de rotura obtenidas en las diferentes combinaciones posibles de las
variables independientes seleccionadas para el estudio del proceso (Trgo y col.,
2011). Como se ha mostrado en los apartados previos se determinaron las curvas
de rotura para longitudes de lecho de resina de 10 y 20 cm con diferentes
condiciones de operación. En este apartado se abordará el estudio de estas
curvas experimentales por medio de modelos matemáticos empíricos procediendo
a calcular los principales parámetros de cada uno de estos modelos. Con estos
parámetros se procederá a la simulación de las curvas de rotura calculadas por
estos modelos empíricos para a continuación pasar a comparar las curvas
experimentales con las que describen los modelos matemáticos propuestos.
Modelo Bohart-Adams. Este modelo propone una ecuación (Ec. [3.3]) que
relaciona el tiempo de contacto con la variable adimensional y normalizada Ct/C0.
Este modelo predice un equilibrio no instantáneo en dónde la velocidad de
adsorción es proporcional a la capacidad restante del adsorbente y la
concentración de los solutos a adsorber. Este modelo evalúa las condiciones de
adsorción de un sistema en continuo de una forma integral, sin embargo su
validez se limita a la zona inicial del proceso, siendo únicamente de utilidad para
caracterizar la zona de ruptura de la curva (Lodeiro y col., 2006).
Como se puede apreciar en la Figura 4.18a-c, donde se comparan las curvas
calculadas de acuerdo al modelo Bohart-Adams con los datos experimentales
obtenidos, existe una buena correlación entre la parte inicial de la curva de rotura
calculada por el modelo y los datos experimentales. Esto viene a confirmar la
validez de este método únicamente para la zona incipiente de la curva de rotura.
Resultados y discusión
131
Figura 4.18. Comparación de las curvas experimentales y las curvas de rotura calculadas por el modelo de Bohart-Adams para el efecto del caudal de influente (a, b, c), de la concentración (a, b) y de la lon-gitud de la columna (a, c)
En la Tabla 4.13 se muestran los resultados de la regresión lineal y el posterior
cálculo de los parámetros del modelo de Bohart-Adams, la constante cinética kBA
y la capacidad de adsorción de la resina qBA (g/L) para los efectos de las variables
operacionales estudiadas. Se encuentra que la constante cinética del modelo está
influida por la concentración inicial de la alimentación empleada, decreciendo en
magnitud a medida que se aumenta la concentración de partida. De forma
inversa, la constante cinética aumenta cuando se incrementa el flujo de la
alimentación, esto puede estar asociado a que el proceso puede estar controlado
por la transferencia de materia sobre la superficie (Chowdhury y col., 2015).
La capacidad de adsorción se incrementa con el incremento de la concentración
inicial de la alimentación y con el aumento de la velocidad de flujo, presentando
un comportamiento indeterminado cuando se modifica la longitud del lecho de la
columna y se aumenta el flujo de alimentación. Diversos autores encuentran este
comportamiento desfavorable de la longitud del relleno sobre la capacidad de la
resina en ensayos de bioremediacion (Baral y col., 2009; Saadi y col., 2013;
Chowdhury y col., 2015).
a)
c)
b)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
132
Tabla 4.13. Parámetros del modelo de Bohart-Adams para las diferentes condiciones experimentales ensayadas.
C0
g/L H
mm Q
mL/min kBA
L/g·min qBA
g/L q
mg/g R2
2,93 200 1 0,232 11,10 0,8153
2,93 200 2,5 0,657 12,33 0,9366
2,93 200 5 0,718 18,72 0,8785
2,93 100 1 0,217 8,86 0,9509
2,93 100 2,5 0,523 13,12 0,9747
2,93 100 5 1,023 18,77 0,9844
1,465 100 1
0,978 100 1 0,86 2,74 0,9831
0,978 100 2,5 1,99 4,22 0,8447
0,978 100 5 4,13 6,02 0,9101
Modelo de Yoon-Nelson. La Figura 4.19 a-c, muestra la comparación de las
curvas de rotura calculadas de acuerdo al modelo de Yoon-Nelson con los datos
experimentales obtenidos. Se puede apreciar que existe una buena correlación
entre la parte inicial de la curva de rotura y los datos experimentales. La
representación de los datos experimentales tratados de acuerdo a la expresión
línealizada de la Ec. 3.4 mostraba la existencia de dos zonas con pendiente bien
diferenciada (Figura 4.20). El tratamiento de estos datos de manera independiente
condujo a la obtención de unas curvas construidas en dos fases (ver Figura 4.19
a-c), observando como el conjunto de ambas describe perfectamente el
comportamiento experimental encontrado y permite realizar con una buena
aproximación el cálculo de los tiempos de rotura y de saturación.
Resultados y discusión
133
Figura 4.19. Comparación de las curvas experimentales y las curvas de rotura calculadas por el modelo de Yoon-Nelson para el efecto del caudal de influente (a, b, c), de la concentración (a, b) y de la longitud de la columna (a, c).
En la Tabla 4.14 se muestran los resultados de la regresión lineal y el posterior
cálculo de los parámetros del modelo de Yoon-Nelson, la constante cinética KYN,
el tiempo necesario para que el lecho de resina se sature al 50 % de su capacidad
y la capacidad de adsorción de la resina q (mg/g) calculada de acuerdo con la
expresión;
Ec. [4.12]
donde C0 es la concentración inicial, Q es el caudal, m es la masa de la resina y
es el tiempo necesario para la saturación de la resina a su 50 % de capacidad
Los valores de la constante cinética del modelo, kYN, aumenta con el incremento
del flujo de alimentación, con la longitud del relleno, mientras que el incremento
de la concentración de la muestra a la entrada de la columna implica una
disminución de la constante cinética pudiendo ser esto debido a un proceso de
a) b)
c)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
134
adsorción sobre la superficie del adsorbente la cual se verá impedida cuanto
mayor sea la presencia de solutos en el entorno del adsorbente.
Figura 4.20. Linealización de los datos experimentales de acuerdo
al modelo experimental de Yoon-Nelson.
Tabla 4.14. Parámetros del modelo de Yoon-Nelson para las diferentes condiciones experimentales ensayadas.
C0 g/L
H mm
Q mL/min
KYN min-1
min
q mg/g
R2
2,93 200 1 0,893 28,45 5,95 0,8985
2,93 200 2,5 1,763 13,22 6,918 0,9012
2,93 200 5 3,36 9,39 9,829 0,9645
2,93 100 1 0,723 23,06 8,45 0,9745
2,93 100 2,5 1,47 14,10 12,91 0,9758
2,93 100 5 1,97 10,57 19,34 0,8701
1,465 100 1
0,978 100 1 0,913 21,59 2,640 0,9897
0,978 100 2,5 2,793 12,78 3,905 0,9099
0,978 100 5 2,430 10,28 6,283 0,7617
El tiempo necesario para alcanzar el 50 % de la saturación de la columna
calculado para este modelo es concordante para aquellas curvas que presentan
una buena simetría en su forma; es decir, para aquellas donde la zona de
transferencia de materia no se alarga considerablemente en el tiempo. Tal como
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 10 20 30 40L
n (C
t/(C
0-C
t))
Tiempo (min)
1 mL/min
2,5 mL/min
5 mL/min
Resultados y discusión
135
cabía esperar por la forma de las curvas de rotura, el aumento en el caudal de
alimentación lleva consigo una disminución en el valor de . No se encontraron
diferencias significativas en los tiempos necesarios para alcanzar el 50 % de
saturación como consecuencia de disminuir la concentración del efluente para
una columna con una longitud de relleno de 10 cm y un mismo caudal de
alimentación de 1mL/min. Un aumento de la longitud del relleno de la columna
implica un mayor tiempo de operación para el sistema de adsorción.
La capacidad de adsorción se incrementa con el incremento de la concentración
inicial de la alimentación y con el aumento del caudal, presentando una
disminución de la capacidad de adsorción cuando se aumenta la longitud del
lecho de la columna.
Modelo de Thomas. Los datos experimentales de las curvas de rotura para las
condiciones de operación evaluadas que se han mostrado en las Figuras 4.15a y
4.17 se han tratado matemáticamente emplenado la ecuación [3.2]. Representado
gráficamente el Ln[(C0/Ct)-1] frente al tiempo (t) de contacto entre disolución de
adsorbatos y absorbente, se obtiene una recta a partir de la cual se calcula el
valor de la constante cinética del modelo (pendiente de la recta) y la capacidad de
retención de adsorbatos por unidad de adsorbente en el equilibrio (qo)
(Chowdhury y col., 2015). Los parámetros del modelo así como los coeficientes
estadísticos obtenidos para los valores experimentales estudiados se muestran en
la Tabla 4.15.
Respecto a la influencia del caudal de alimentación, la concentración del influente
y la altura del lecho sobre los valores de la capacidad de adsorción. Ésta aumenta
con el incremento de todas las variables. Sin embargo cuando se aumenta la
longitud del lecho a 20 cm, los datos obtenidos para los caudales de 2,5 y
5 mL/min muestran que las capacidades de adsorción fueron inferiores a las
calculadas por el modelo cuando la longitud del lecho fue de 10 cm. De manera
inversa, una disminución en los valores de concentración de la muestra condujo a
un incremento en los valores de la constante cinética. Esto es acorde con la teoría
propuesta y este modelo tiene una buena concordancia con los datos
experimentales cuando el proceso que controla la adsorción no tiene como pasos
predominantes la difusión interna y externa.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
136
Tabla 4.15. Parámetros del modelo de Thomas para las diferentes condiciones experimentales ensayadas.
C0
g/L H
mm Q
mL/min KTh
mL/mg·min q
mg/g R2
2,93 200 1 0,181 10,78 0,8069
2,93 200 2,5 0,7580 11,89 0,9580
2,93 200 5 1,011 17,45 0,9512
2,93 100 1 0,111 9,73 0,9745
2,93 100 2,5 0,363 13,48 0,9758
2,93 100 5 0,599 19,65 0,8701
1,465 100 1 - - -
0,978 100 1 0,256 8,246 0,9777
0,978 100 2,5 0,885 11,84 0,9035
0,978 100 5 0,907 18,68 0,8417
La Figura 4.21a-c, muestra la comparación de las curvas calculadas de acuerdo al
modelo de Thomas con los datos experimentales obtenidos. Existe una buena
correlación entre la parte inicial de la curva de rotura calculada por el modelo y los
datos experimentales.
Al igual que ocurría con la representación gráfica de los datos experimentales
tratados de acuerdo a la expresión linealizada del modelo de Yoon-Nelson donde
se mostraba la existencia de dos zonas con pendiente bien diferenciada (Figura
4.20), en el caso del modelo de Thomas vuelve a detectarse el mismo
comportamiento (Figura 4.21). Repitiendo en esta ocasión el mismo
procedimiento realizado en el caso anterior se obtuvo la representación gráfica de
las curvas de rotura construidas en dos fases (ver Figura 4.21 a-c), observando
como el conjunto de ambas describe perfectamente el comportamiento
experimental encontrado y permite realizar, con una buena aproximación, el
cálculo de los tiempos de rotura y de saturación.
Resultados y discusión
137
Figura 4.21. Comparación de las curvas experimentales y las curvas de rotura calculadas por el modelo de Thomas para: (a) diferentes longitudes de columna y caudal de influente, (b y c) diferentes concentraciones y caudales.
a) b)
c)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
138
4.2.3.1.5. Conclusiones
El comportamiento de un sistema dinámico de adsorción en continuo empleando
resinas poliméricas no iónicas se describió mediante modelos empíricos que
permiten establecer las capacidades de adsorción de los sistemas empleados en
función de las variables operacionales elegidas y determinar el tiempo de
operación de cada sistema en función del denominado punto de rotura. El caudal
del influente determinó el tiempo de operación de cada sistema siendo la variable
que presentó un mayor efecto en los tiempos de rotura. El aumento del lecho de
columna implicó un mayor tiempo de operación sin que hubiese cambios
significativos en las tasas de adsorción. La concentración del influente tiene poca
influencia en el proceso, siendo favorable para las constantes de transferencia
estudiadas en los diferentes modelos el empleo de muestras diluidas respecto al
efluente inicial.
Estos resultados confirmaron el potencial de los sistemas de adsorción en
continuo para recuperar compuestos fenólicos y su aplicación a mayor escala.
Resultados y discusión
139
4.2.3.2. Desorción en columnas de lecho fijo
4.2.3.2.1. Resumen
En este apartado se propuso el estudio de la desorción, en sistemas en columna,
de los compuestos fenólicos adsorbidos en las resinas empleadas en el apartado
anterior (Sepabeads SP207 y Amberlite XAD 16HP). Se planteó un estudio
mediante la metodología de superficie de respuesta con un diseño factorial Box-
Benken incompleto de tres factores y tres niveles. Se establecieron como
variables fijas, la longitud del empacado de la columna (20 cm), la masa de resina
(14 g) y el tiempo de contacto (30 min), y como variables independientes el
porcentaje de etanol en la disolución de eluyente, la temperatura del proceso y el
caudal de disolvente empleado. Se determinaron los niveles de recuperación de
compuestos fenólicos y de ázucares totales en el extracto obtenido, así como, la
pureza de este extracto en compuestos fenólicos y su actividad antioxidante
determinada como equivalentes de Trolox. Se encontró que los porcentajes de
desorción de compuestos fenólicos superiores al 60% se vieron favorecidas por la
temperatura de proceso y los caudales bajos junto con una concentración de
etanol con valores cercanos al 80%.
4.2.3.2.2. Objetivos
El objetivo del presente trabajo fue estudiar la recuperación de los compuestos
adsorbidos sobre una de las resinas ensayadas en el capítulo anterior. Se
pretende estudiar el efecto de la concentración del disolvente así como del flujo y
de la temperatura del proceso de desorción en un sistema en continuo donde la
resina ha sido previamente empacada en una columna. En este marco, se
pretende optimizar las condiciones experimentales de desorción para obtener
extractos concentrados enriquecidos selectivamente en los componentes activos.
4.2.3.2.3. Materiales y métodos
4.2.3.2.3.1. Materiales. Resina polimérica Sepabeads SP207 (Resindion SRL) de
grado alimentario activada y saturada previamente en el trabajo mostrado en el
apartado anterior. Las características físico-químicas de esta resina se resume en
el epígrafe 3.1.3.2 del capítulo de Materiales y métodos.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
140
4.2.3.2.3.2. Métodos analíticos
El contenido de compuestos fenólicos totales se determinó mediante el ensayo
de Folin-Ciocalteu (Materiales y métodos, epígrafe 3.3.5) y se expresó como
equivalentes de ácido gálico (EGA).
El contenido en azúcares totales se determinó espectrofotométricamente por el
método de la Antrona (Materiales y métodos, epígrafe 3.3.6) y se expresó como
equivalentes de glucosa.
La actividad antioxidante se evaluó como la capacidad de captación del medio
de radicales ABTS [2,2'-azinobis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfonato)] y se
expresó como TEAC (Materiales y métodos, epígrafe 3.3.10).
Metodología de Superficie de Respuesta. Se construye un diseño factorial
incompleto Box-Behnken 23 tal y como se describe de manera genérica en el
epígrafe 3.2.2.3 del capítulo de Materiales y métodos.
Se establecen como variables independientes, la temperatura, el flujo de
disolución y el porcentaje de etanol en una disolución acuosa. Estas variables se
distribuyen en tres niveles codificados: inferior, intermedio y superior,
representados por (-1, 0, +1). La matriz de experimentos a realizar con los valores
de las variables independientes de temperatura, concentración de etanol, y flujo
de etanol, se muestra en la Tabla 4.16 que se corresponde con la Tabla 3.2, que
muestra la matriz de experimentos con las variables codificadas.
Las variables dependientes o funciones objetivo, “Y”, se generan mediante los
modelos cuadráticos de la ecuación [3.5] mostrada en el capítulo de Materiales y
Métodos, en la cual X1, X2 y X3 se corresponden con las variables: flujo,
temperatura y concentración de Etanol.
El intervalo de valores para las variables independientes seleccionadas fueron:
i) para el caudal de eluyente [1, 4 mL/min], ii) para la temperatura del proceso
[30-50 °C] y iii) para la concentración de etanol [70-100 %].
Resultados y discusión
141
Tabla 4.16. Matriz de experimentos y codificación de variables.
Exp. Caudal
(ml/min) T
(ºC) [EtOH]
(%)
1 1 30 85
2 1 40 70
3 1 40 100
4 1 50 85
5 2,5 30 85
6 2,5 30 100
7 2,5 40 85
8 2,5 40 85
9 2,5 40 85
10 2,5 50 70
11 2,5 50 100
12 4 30 70
13 4 40 85
14 4 40 100
15 4 50 85
16 2,5 50 85
Los valores codificados de estas variables se obtienen mediante:
1,5
5,2 FlujoF
Ec. [4.13]
10
40 aTemperaturT
Ec. [4.14]
15
85etanoliónConcentracE
Ec. [4.15]
Las funciones objetivo que se evalúan y que son objeto de optimización son:
Y1: Rendimiento de desorción de compuestos fenólicos (%).
Y2: Concentración compuestos fenólicos en el eluido (g EAG / L).
Y3: Capacidad captadora del radical ABTS (mM Trolox).
Y4: Concentración azúcares totales en el eluido (g D-glucosa / L).
Y5: Contenido en fenoles totales en extracto (g EAG / g extracto).
Y6: Contenido en azúcares totales en extracto (g D-glucosa / g extracto).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
142
4.2.3.2.4. Resultados y discusión
Se realizaron estudios de recuperación de los compuestos fenólicos eliminados
de las vinazas de bagazo destilado de uva blanca fermentada mediante adsorción
dinámica en una resina polimérica comercial con una matriz del polímero estireno-
divinilbenzeno (S-DVB). Esta resina se seleccionó en base a los trabajos
mostrados en capítulos previos en dónde en sistemas de desorción por lotes
mostró el mejor porcentaje de desorción para compuestos fenólicos (61% de los
compuestos adsorbidos).
Optimización del proceso de desorción de antioxidantes
Se procedió a acondicionar la resina y posterior saturación, de la misma forma
que la descrita en el apartado 4.2.5.2.
Para el desarrollo experimental del estudio se estableció como variables fijas: la
relación masa de resina saturada (14 g) a empacar en la columna, la longitud del
lecho de columna (20 cm) y un tiempo de desorción de 30 min.
Los valores experimentales para las funciones objetivo, obtenidos una vez
realizado el conjunto de experimentos mostrados en la Tabla 4.16, se muestran
en las Tablas 4.17 y 4.18.
El máximo de desorción de compuestos fenólicos (Y1) fue del 62 %, encontrado
para el experimento 4, que se corresponde con unas condiciones operacionales
de temperatura de 50 °C, caudal de 1 mL/min y el empleo de etanol al 85 %. Los
rendimientos de recuperación de compuestos fenólicos superiores al 55 %, sólo
se obtuvieron en el experimento antes mencionado y en el experimento 1 (con
condiciones de operación de: caudal de 1 mL/min, 30 °C y etanol al 85 %) y el
experimento 5 (caudal de 2,5 mL/min, 30 °C y etanol al 85 %).
De estas tres condiciones, que conducen a los rendimientos más altos de
recuperación de compuestos fenólicos, se puede concluir que la concentración de
etanol va a ser una variable importante en el proceso de desorción.
Resultados y discusión
143
Tabla 4.17. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo durante la desorción en resina Sepabeads SP207.
Exp
FUNCIONES OBJETIVO
Y1
Y2
Y3 Y5
exp calc exp calc exp calc exp calc
1 56,82 53,41 2,98 2,87 58,74 52,04 0,494 0,487
2 54,13 55,47 2,76 2,80 51,22 56,85 0,493 0,504
3 41,77 44,97 2,11 2,21 40,63 42,76 0,425 0,436
4 62,32 61,18 3,01 2,98 48.77 47,71 0,556 0,541
5 57,93 55,32 2,87 3,05 49,04 51,72 0,571 0,571
6 53,41 51,21 2,63 2,89 51,97 44,49 0,528 0,531
7 53,05 51,23 2,78 2,62 52,18 51,09 0,496 0,548
8 52,22 51,23 2,64 2,62 57,02 51,09 0,643 0,548
9 52,04 51,23 2,52 2,62 50,55 51,09 0,526 0,548
10 41,49 40,82 2,14 2,10 39,39 33,41 0,455 0,440
11 49,00 46,80 2,48 2,38 52,07 49,41 0,480 0,463
12 36,75 36,08 2,01 2,01 34,55 34,90 0,471 0,475
13 42,55 40,42 2,19 2,04 43,84 40,66 0,510 0,505
14 43,35 44,55 2,25 2,31 51,63 48,48 0,507 0,511
15 30,49 32,10 1,50 1,59 26,59 32,57 0,405 0,402
16 47,23 49,64 2,41 2,50 40,30 44,47 0,455 0,505
Y1: Rendimiento de desorción de compuestos fenólicos (%).
Y2: Concentración compuestos fenólicos en el eluido (g EAG / L).
Y3: Capacidad captadora del radical ABTS (mM Trolox).
Y5: Contenido en fenoles totales en extracto (g EAG / g extracto).
Por el contrario, los experimentos del número 12 al 15, que presentan en común
el valor más alto del caudal (4 mL/min), son los que obtuvieron la peor
recuperación de compuestos fenolicos con rendimientos de desorción de entre el
30 y el 43 % de recuperación. Esto parece indicar que el proceso de desorción
realizado en continuo no se ve favorecido por caudales altos.
La concentración de compuestos fenólicos en las muestras desorbidas (función
objetivo Y2), determinada espectrofotométricamente por el método de Singleton y
Rossi, se encontró dentro del intervalo 1,5-3,0 g EAG/L, coincidiendo el valor
máximo de concentración de fenoles en el experimento 4, el cuál presentó el
mayor rendimiento de recuperación. Del mismo modo, en los experimentos 1 y 5
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
144
se obtuvieron concentraciones de fenoles de 2,98 y 2,87 g EAG/L
respectivamente.
La pureza de los extractos (función objetivo Y5) obtenida, relativa a su
composición en compuestos fenólicos, osciló entre el 40 % encontrado en el
experimento 15 (caudal de 4 mL/min, 50 °C, 85 % EtOH) y un máximo del 64 %
correspondiente al experimento 8 (caudal de 2,5 mL/min, 40 °C, 85 % EtOH). Los
experimentos, 4 y 5 que condujeron al mayor rendimiento de desorción, también
presentaron concentración de compuestos fenólicos por encima del 55 % del total
del extracto; encontrándose para estos ensayos una buena selectividad para la
eliminación y recuperación de compuestos fenólicos en un proceso combinado de
adsorción-desorción.
En la Figura 4.22 se muestra la correlación entre el contenido fenólico de los
extractos desorbidos y la capacidad de captación de radicales ABTS determinada
como mM de Trolox. Como se observa en la figura, se puede decir que existe una
correlación entra la concentración de estos compuestos en el extracto y su
actividad.
Figura 4.22. Relación entre la concentración de compuestos fenólicos en la solución alcoholica eluida y la actividad antioxidante como captadora de radicales ABTS.
La capacidad de captación de radicales del eluyente varió desde 26 hasta 59 mM
Trolox. Estos valores fueron más elevados a los encontrados en los procesos de
recuperación de componentes bioactivos mostrados en el apartado 4.2.2.4.2
donde los valores de actividad estuvieron en el intervalo de 7 a 14 mM Trolox
0
10
20
30
40
50
60
70
1 1,5 2 2,5 3 3,5
TE
AC
(mM
Tro
lox)
Concentración de compuestos fenólicosg EAG/L
Resultados y discusión
145
El contenido en azúcares del eluido de la columna, función objetivo Y6
(Tabla 4.18), osciló entre un 17 %, valor encontrado para el experimento 5 (caudal
2,5 mL/min, temperatura 30 °C, etanol 85 %) y el 24,5 % encontrado en el
experimento 9 (2,5 mL/ min, 40 ºC, etanol 85 %). Con estos datos parece que la
desorción de azúcares se ve favorecida por temperaturas y flujos de eluyente
altos, mientras que para la desorción de compuestos fenólicos se encuentra como
más favorable la temperatura baja y el flujo de eluyente bajo.
Tabla 4.18. Valores experimentales y calculados de las funciones objetivo Y4 e Y6.
Y4= D- glucosa/L
Y6= g D-glucosa/g extracto
La validez estadística de los resultados encontrados para las variables
independientes se evaluó mediante una prueba t de Student; la importancia de los
modelos se evaluó mediante el test F de Fischer. Los coeficientes para los efectos
lineales, cuadráticos y de interacción entre las variables independientes en las
funciones objetivo se muestran en la Tabla 4.19.
Exp
FUNCIONES OBJETIVO
Y4
Y6
exp calc exp calc
1 1,24 1,09 0,206 0,186
2 1,08 1,14 0,193 0,202
3 0,880 0,960 0,177 0,191
4 0,951 0,961 0,176 0,173
5 0,861 1,08 0,171 0,205
6 1,10 1,07 0,222 0,214
7 1,13 1,07 0,201 0,221
8 0,949 1,07 0,232 0,221
9 1,17 1,07 0,245 0,221
10 1,03 1,00 0,219 0,216
11 1,01 0,976 0,195 0,189
12 0,84 0,809 0,197 0,192
13 1,00 0,921 0,234 0,226
14 1,00 0,991 0,227 0,227
15 0,75 0,875 0,201 0,213
16 1,07 0,997 0,203 0,203
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
146
La desorción de azúcares, evaluada mediante las funciones objetivo Y4 (g equiv.
de glucosa/ L eluído) e Y6 (g de equiv. de glucosa por gramo de extracto obtenido)
no resultó ser estadísticamente significativa en el modelo y con los valores de las
variables en los intervalos estudiados (Tabla 4.19).
El rendimiento de desorción de compuestos fenólicos presentó como influyente en
el proceso todos los efectos simples, cuadráticos y efectos cruzados salvo el
correspondiente al cruce entre temperatura y concentración de etanol. Tienen
peso positivo sobre el rendimiento de recuperación de fenoles, la concentración
de etanol elegida, si bien, este peso es bastante inferior al peso negativo que
tienen sobre la desorción la temperatura y el flujo de disolvente.
Tanto el flujo de disolvente como la temperatura del proceso muestran efecto
negativo de forma significativa sobre el contenido de compuestos fenólicos en la
muestra eluída. También, en un peso similar, tienen influencia en el proceso el
efecto cuadrático de la concentración de etanol y el flujo de disolvente. En este
caso también las interacciones del flujo con las otras dos variables han resultado
significativas.
De los parámetros que resultaron significativos mostrados en la Tabla 4.19 se
puede concluir que las funciones objetivo que mostraron tener efectos
significativos se pueden formular en función de los mismos.
Del tratamiento de los datos mediante la metodología de curvas de superfice de
respuesta se obtienen una serie de condiciones de operación que de acuerdo con
el ajuste de mínimos cuadrados realizado a la ecuación cuadrática, nos
proporciona un valor máximo para la función objetivo que se está estudiando en
cada momento.
Según esto, parece claro que las condiciones de desorción van a estar cerca de
valores bajos de caudal de disolvente y de temperatura, y concentraciones altas
de etanol.
Resultados y discusión
147
Tab
la 4
.19. C
oefic
iente
s d
e re
gre
sió
n y
pro
bab
ilidad
.
C
oefic
ien
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Pa
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etro
s
Y1
Y
2
Y3
Y
4
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Y
6
Y1C
Y1P
Y
2C
Y2P
Y
3C
Y3P
Y
4C
Y4P
Y
5C
Y5P
Y
6C
Y7P
a0
52
,20
0,0
00
0
2
,63
0,0
00
0
5
1,0
9
0,0
00
0
1
,07
0,0
00
0
0,0
00
0
0
,221
0,0
00
0
a1
-7,8
6
0,0
00
1
-0
,37
7
0,0
00
5
-6
,10
0,0
30
8
-0
,06
9
0,2
60
2
-0
,00
9
0,6
33
9
0
,015
0,1
29
2
a2
-4,1
7
0,0
01
7
-0
,23
4
0,0
04
3
-3
,63
0,1
31
7
-0
,04
0
0,4
75
7
-0
,03
3
0,1
10
9
-0
,00
1
0,9
06
1
a3
2,4
4
0,0
35
5
0
,075
0,2
64
1
1
,92
0,4
59
0
-0
,00
6
0,9
31
6
0
,012
0,5
68
2
-0
,00
2
0,8
43
9
a4
-7,1
5
0,0
01
4
-0
,30
2
0,0
13
2
-1
,46
0,6
86
4
0
,026
0,7
79
9
-0
,06
0
0,0
85
6
0
,005
0,7
13
2
a5
8,4
5
0,0
00
5
0
,408
0,0
03
1
8
,96
0,0
38
4
0
,085
0,3
65
1
0
,047
0,1
56
9
0
,003
0,8
11
6
a6
1,0
2
0,4
52
1
0
,102
0,2
77
8
6
,09
0,1
22
7
-0
,00
7
0,9
41
5
-0
,00
1
0,9
80
8
-0
,01
2
0,4
13
7
a7
-4,0
6
0,0
15
1
-0
,20
0
0,0
49
3
-4
,33
0,2
30
1
-0
,07
9
0,3
77
1
-0
,03
4
0,2
70
4
-0
,00
9
0,4
92
0
a8
2,4
9
0,0
84
7
0
,106
0,2
41
0
-2
,99
0,3
91
1
-0
,03
2
0,7
16
5
-0
,01
0
0,7
35
0
-0
,01
7
0,2
20
8
a9
-6,9
7
0,0
01
2
-0
,29
5
0,0
11
6
-3
,06
0,3
85
5
-0
,00
9
0,9
21
4
-0
,05
4
0,1
01
3
-0
,00
1
0,9
72
0
R2
0,9
03
4
0
,943
1
0
,783
8
0
,447
8
0
,685
0
0
,547
2
F
6,2
39
1
1,0
52
2
,418
0
,540
6
1
,449
99
0
,805
5
Erro
r típic
o
3,9
64
8
0
,159
3
6
,025
9
0
,153
9
0
,051
37
0
,023
3
Y1 =
% d
esorció
n
Y2 =
g E
GA
/L
Y3 =
Eq
uiv
mM
Tro
lox
Y4 =
D- g
luco
sa/L
Y5 =
g E
GA
/ g ex
tracto
Y6 =
g D
-glu
cosa/g
extracto
Y
C =co
eficiente
YP =
pro
bab
ilidad
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
148
Los valores óptimos encontrados en este estudio se detallan a continuación:
Y1: Rendimiento de desorción de compuestos fenólicos (%)
1. Caudal: 1 mL/ min
2. Temperatura: 34,9 °C
3. Concentración de etanol: 78 %
Y2: Concentración compuestos fenólicos en el eluido (g EAG / L).
1. Caudal: 1 mL/ min
2. Temperatura: 36,0 °C
3. Concentración de etanol: 77 %
Y3: Capacidad captadora del radical ABTS (mM Trolox).
1. Caudal: 2,3 mL/ min
2. Temperatura: 35,3 °C
3. Concentración de etanol: 91,1 %
Y4: Concentración azúcares totales en el eluido (g D-glucosa/ L).
1. Caudal: 2,6 mL/ min
2. Temperatura: 33,0 °C
3. Concentración de etanol: 100 %
Y5: Contenido en fenoles totales en extracto (g EAG / g extracto).
1. Caudal: 1,7 mL/ min
2. Temperatura: 40,5 °C
3. Concentración de etanol: 83,2 %
Y6: Contenido en azúcares totales en extracto (g D-glucosa / g extracto).
1. Caudal: 3,8 mL/ min
2. Temperatura: 40,6 °C
3. Concentración de etanol: 86,5 %
La validez del diseño factorial empleado y la bondad de los ajustes obtenidos se
evalúan realizando procesos de desorción de acuerdo a las condiciones de
Resultados y discusión
149
operación elegidas aleatoriamente y evaluando las funciones objetivo, para
posteriormente comparar estos valores experimentales con los calculados mediante
los modelos matemáticos encontrados por el método de superficies de respuesta.
Estos ensayos de comprobación del modelo con los valores experimentales y
calculados se muestran en la Tabla 4.20.
Tabla 4.20. Pruebas de ajuste del modelo.
Caudal T [EtOH%]
Y1
Y2 Y3
Yexp Ycalc Yexp Ycalc Yexp Ycalc
1,45 31,33 79,73 54,10 57,42 58,70 58,48 0,523 0,520
2,69 35,30 91,13 37,25 34,40 54,18 55,34 0,570 0,550
1,60 44,74 82,14 56,26 56,97 42,25 43,91 0,538 0,540
Y1= % desorción
Y2= Equiv mM Trolox
Y3= g EGA/ g extracto
Tanto la desorción de compuestos fenólicos determinada como porcentaje respecto
a los compuestos adsorbidos, como la actividad antioxidante de los compuestos
presentes en el eluido y su concentración en el extracto obtenido, representado todo
esto por las funciones objetivo Y1, Y2, Y3, son predichos de forma acertada por los
modelos matemáticos obtenidos, viendo como se presenta una buena concordancia
entre los valores experimentales y los calculados.
La Figura 4.23 muestra las superficies de respuesta encontradas teniendo en cuenta
únicamente las variables que resultaron ser estadísticamente significativas en la
desorción de compuestos fenólicos desde una resina Sepabeads 207. La gráfica
4.23a, muestra la variación de la desorción en función de la variación del flujo y de la
temperatura para una concentración de etanol fijada en 85 %. Los mayores
rendimientos de desorción se obtienen a valores bajos de fluo y temperatura de
50 °C, alcanzando valores entorno al 60 % de desorción. El aumento de caudal de
disolvente presenta un efecto negativo sobre la desorción de fenólicos encontrando
como a 50 °C, los valores de desorción caen hasta valores de 30 %. A estos valores
altos de caudal (4 mL/min), el aumento de la temperatura del proceso presenta un
efecto contrario al visto en caudales de 1 mL/min, así el descenso de la temperatura
del proceso conduce a un aumento en las tasas de desorción.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
150
Figura 4.23. Superficie de respuesta para la
desorción de compuestos fenólicos adsorbidos
en Sepabeads SP207 en función de la
variación de caudal y temperatura para: (a)
una concentración de etanol fijada en 85 %, (b)
de la variación de caudal y concentracion de
etanol para una temperatura fijada en 40 °C y
(c) en función de la temperatura y de la
concentracion de etanol para un caudal fijado
en 2,5 mL/min.
La gráfica 4.23b muestra la variación de la desorción en función de la variación de
caudal y concentracion de etanol para una temperatura fijada en 40 °C. La mayor
tasa de desorción (56-57 %) se obtiene cuando se emplean valores bajos de caudal
mientras que el porcentaje de etanol presenta un intervalo de concentraciones del
78-82 %. Al igual que sucedía en el caso anterior, el aumento del flujo de disolvente
presenta un efecto negativo sobre la desorción de fenólicos conduciendo a valores
inferiores de desorción. El empleo de caudales altos (4 mL/min) y el aumento de la
temperatura del proceso, presenta un efecto contrario al visto durante el empleo de
caudales de 1,5 mL/min, por lo que se necesitan concentraciones altas de etanol
para minimizar el efecto negativo del flujo en la desorción.
b)
c)
a)
Resultados y discusión
151
En la gráfica 4.23c se muestra la variación de la desorción en función de la
temperatura y de la concentracion de etanol para un caudal fijado en 2,5 mL/min. Se
muestra en esta gráfica el peso que tienen los efectos cuadráticos para la
concentración de etanol en el rendimiento de desorción, encontrando que un valor
centrado de concentración de etanol es el que obtiene los rendimientos de desorción
más altos.
La Figura 4.24 muestra las superficies de respuestas encontradas teniendo en
cuenta únicamente las variables que resultaron ser estadísticamente significativas
en la concentración de compuestos fenólicos en la muestra de etanol eluida.
La gráfica 4.24a muestra la variación de la concentración de compuestos fenólicos
en función de la variación de caudal y temperatura para una concentración de etanol
fijada en 85 %. El flujo de disolvente vuelve a ser una variable cuyos cambios
implican respuestas significativas en esta función objetivo. El aumento en el flujo de
disolvente tiene un efecto negativo sobre la concentración de compuestos fenólicos
en todo el intervalo de temperaturas evaluado, siendo más marcado el efecto a bajas
temperaturas. Para esta dupla de variables, la mayor concentración de compuestos
fenólicos (1,10 g/L) se obtuvo para caudales en el intervalo de 1,5-2 mL/min y
temperaturas entre 30-35 ºC.
Variando el caudal y la concentración de etanol para una temperatura fijada en 40 °C
y representando en eje z la concentración de fenoles se obtiene la Figura 4.24b, la
cual muestra que los mayores rendimientos de compuestos fenólicos se obtienen
para valores de caudales altos y concentraciones de etanol intermedias. En las
condiciones extremas de estas variables se obtendrían bajas concentraciones de
compuestos fenolicos en las muestras eluidas.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
152
Figura 4.24. Superficie de respuesta para el contenido en compuestos fenólicos del extracto desorbido de Sepabeads SP207 en función de: (a) la variación de caudal y temperatura para una concentración de etanol fijada en 85%, (b) la variación de caudal y concentracion de etanol para una temperatura fijada en 40 °C y (c) en función de la temperatura y de la concentracion de etanol para un caudal fijado en 2,5 mL/min.
La gráfica 4.24c que muestra la variación de la composición de los compuestos
fenólicos en función de la temperatura y de la concentración de etanol para un
caudal fijado en 2,5 mL/min presenta una superficie de respuesta similar a la
encontrada en la Figura 4.24c.
La Figura 4.25 muestra las superficies de respuesta encontradas teniendo en cuenta
únicamente las variables que resultaron ser estadísticamente significativas en la
determinación de actividad antioxidante de las muestras eluidas en disoluciones de
etanol.
La actividad de las muestras eluidas en función del flujo y la temperatura se muestra
en la gráfica 4.25a. Esta figura presentó el mismo comportamiento relatado
a)
c)
b)
Resultados y discusión
153
previamente para la Figura 4.24a, encontrando valores máximos de actividad
antioxidante para caudales en el intervalo de 2-2,5 mL/min y temperaturas entre
30-35 °C.
Comportamientos similares a sus gráficas análogas para la concentración de
compuestos fenólicos, se encuentran para las gráficas 4.25 b y c.
Figura 4.25. Superficie de respuesta para la actividad antioxidante de los extractos desorbidos de Sepabeads SP207 en función de: (a) la variación de flujo y temperatura para una concentración de etanol fijada en 85 %, (b) de la variación de caudal y concentracion de etanol para una temperatura fijada en 40 °C y (c) en función de la temperatura y de la concentracion de etanol para un caudal fijado en 2,5 mL/min.
b) a)
c)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
154
4.2.3.2.5. Conclusiones
Se ha comprobado que las resinas poliméricas seleccionadas presentaron un buen
comportamiento en la desorción de compuestos fenólicos con actividad antioxidante,
presentes en vinazas de destilación de bagazo fermentado de uva blanca. El caudal
con el que se alimenta la solución de etanol resulta ser significativo para las
principales variables objetivo estudiadas. Los mayores rendimientos de desorción se
obtienen a valores bajos de flujo y temperatura de 50 °C, alcanzando valores en
torno al 60 % de desorción para la resina Sepabeads SP207. El extracto desorbido
presentó una mayor concentración de compuestos fenólicos (1,10 g/L) para
caudales comprendidos en un intervalo de 1,5 a 2 mL/min y temperaturas entre
30-35 °C. La actividad antioxidante de los extractos se encontró para condiciones de
desorción similares a las anteriores (caudales en el intervalo de 2 a 2,5 mL/min y
temperaturas entre 30-35 °C).
Resultados y discusión
155
II. APLICACIONES COSMÉTICAS
4.3. PROTECCIÓN DE LA OXIDACIÓN ACELERADA EN COSMÉTICOS
4.3.1. Resumen
Los extractos concentrados obtenidos a partir de subproductos de bodega (SBC)
mediante la aplicación de las tecnologías de resinas y membranas se evaluaron
como agentes protectores frente a la oxidación de cremas cosméticas. Se ensayó
otro extracto obtenido por tecnología hidrotérmica y posteriormente concentrado
mediante resinas; este extracto se obtuvo a partir de erizo de castaño que fue
sometido a autohidrólisis, a extracción de la fase líquida con acetato de etilo y a
su concentración con resinas para la obtención de un producto (EAEC). También
se compararon con extractos y antioxidantes comerciales. Ambos extractos,
mostraron propiedades antioxidantes in vitro comparables a los antioxidantes
sintéticos comerciales y también, ser seguros para uso tópico en ensayos con piel
sintética, al no mostrar efectos irritantes cuando se aplicaron al 0,1 % en los
tejidos humanos reconstruidos. Se evaluó la estabilidad de algunas emulsiones
modelo de uso cosmético con ensayos de oxidación a 50 °C. La incorporación de
estos extractos, añadidos en dosis de 0,4-0,5 % a emulsiones de aceite-en-agua,
disminuyeron la oxidación de lípidos durante la oxidación acelerada.
4.3.2. Introducción
La creciente demanda de aditivos naturales está siendo incentivada por las
restricciones en el uso de los antioxidantes sintéticos para evitar la oxidación
lipídica en alimentos y cosméticos (Andreassi y Andreassi, 2004). Los residuos y
subproductos agro-industriales son baratos, abundantes y renovables, y contienen
compuestos con propiedades antioxidantes, citotóxicas y antimicrobianas que
podrían proponerse como conservantes naturales en productos cosméticos
(Vinardell y col., 2008; Rodrigues y col., 2013). Además, las formulaciones
enriquecidas en antioxidantes administrados por vía tópica, cosmética o mediante
suplementos dietéticos, podrían ejercer un efecto antioxidante/protector en la piel,
al disminuir el estrés oxidativo (Morganti y col., 2002), que es uno de los
principales mecanismos para el envejecimiento de la piel.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
156
Una importante preocupación relacionada con la extracción de ingredientes
naturales para usos cosmecéuticos es la limitación de los disolventes tóxicos
(Chaudhari y col., 2011). El agua es un disolvente abundante, pero no es
adecuado para extraer los compuestos no polares. Una tecnología disponible
consiste en el empleo de agua subcrítica, autohidrólisis o tratamiento hidrotérmico
a temperaturas en el intervalo de 150 a 250 ºC. Se ha propuesto esta reacción
autocatalizada para el fraccionamiento en condiciones ambientalmente
sostenibles de la biomasa vegetal (Conde y col., 2011).
Los compuestos fenólicos naturales procedentes de fuentes terrestres, incluidos
los ácidos benzoicos, ácidos cinámicos y flavonoides, poseen propiedades
antioxidantes, cardioprotectoras, neuroprotectoras, contra el cáncer,
antiinflamatorias, antienvejecimiento y propiedades antimicrobianas (Boudet,
2007; Vinardell y col., 2008).
El objetivo de este trabajo fue evaluar el potencial para uso cosmético de los
extractos producidos a partir de fuentes infrautilizadas biorrenovables, una de
ellas es la corriente de desecho de destilería de vino. Se evalúan las propiedades
antioxidantes in vitro, la posible irritación de la piel y la protección contra la
oxidación de algunos productos cosméticos modelo.
4.3.3. Materiales y métodos
Los extractos empleados para las pruebas de la oxidación acelerada fueron los
siguientes: extractos de bagazo o subproducto de bodega (SBC) y el extracto de
erizos de Castanea sativa (EAEC) obtenidos según la descripción del epígrafe
3.1.2.2 del capítulo de Materiales y métodos.
Se prepararon los siguientes cosméticos: una crema de aguacate (CG), una
crema solar (CS), un aceite de masaje (AM) y un aceite de ducha (AD); cuyas
respectivas formulaciones se encuentran descritas en el apartado 3.1.4.1 del
capítulo de Materiales y métodos.
Se empleó también tocoferol (T), extracto de té (ET), extracto de vid comercial
(EV) y extracto de Fucus (EF).
Resultados y discusión
157
Se evaluaron las propiedades antioxidantes de los extractos empleando la
metodología siguiente: captación del radical DPPH (descrito en el epígrafe
3.3.10.1), radical ABTS (apartado 3.3.10.2), poder antioxidante de reducción del
hierro (epígrafe 3.3.10.3) y poder reductor (epígrafe 3.3.10.4).
Las pruebas de irratibilidad fueron realizadas en la Faculdad de Farmacia de la
Universidad de Barcelona, que para su valoración y como alternativa al ensayo in
vivo, utilizaron el método de modelo de piel humana reconstituida EpisSkin®
descrito como método validado y aceptado.
Se evaluó la protección frente a la oxidación acelerada almacenando los
productos en botes de vidrio con tapa que se mantuvieron a 50 °C en oscuridad
durante un período de varios días. A las muestras retiradas se les analizó el valor
de peróxido y de p-anisidina, según las técnicas espectrofotométricas descritas en
el epígrafe 3.3.11 del capítulo de Materiales y métodos.
4.3.4. Resultados y discusión
Las propiedades químicas, físicas y antioxidantes de los extractos seleccionados
se muestran en la Tabla 4.21. Los extractos se produjeron a partir de fuentes
renovables o residuales subutilizadas, recogidos en el período de máxima
abundancia y procesados por las tecnologías previamente optimizadas. Los
extractos concentrados, obtenidos a partir de subproductos de la bodega (SBC) y
los de hidrolizados de erizos de castaños (EAEC), presentan un elevado
contenido fenólico (> 40%). Los principales compuestos en las muestras de SBC
son monómeros fenólicos (ácido gálico, catequina, epi-catequinas y quercetina),
así como algunos oligoméricos y poliméricos (Díaz y col., 2012). Los principales
compuestos identificados del extracto de autohidrólisis de erizo de castaña
(EAEC) eran ácidos fenólicos (gálico, 4-hidroxibenzoico, vaníllico, siríngico, p-
cumárico, ferúlico) y algunos flavonoides (rutina, quercetina y apigenina) (Conde y
col., 2011).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
158
4.3.4.1. Ensayos químicos para determinación in vitro de actividad
antioxidante
Las propiedades de eliminación de radicales se han caracterizado utilizando
ensayos de aceptación universal. El ensayo de DPPH es un método simple, fácil y
preciso con respecto a la medición de la capacidad antioxidante de los extractos
naturales, y existe abundante información bibliográfica útil con fines comparativos
(Conde y col., 2011; Díaz y col., 2012). El extracto más activo en la captación de
radical DPPH fue el de mayor contenido fenólico, con una actividad comparable a
la de los antioxidantes sintéticos, siendo el más activo frente al radical ABTS el
concentrado de subproductos de bodega (Tabla 4.21). EL EAEC mostró valores
de CAA (coeficiente de actividad antioxidante) comparables a la de BHA a una
concentración similar.
4.3.4.2. Actividad antioxidante en sistemas celulares
Debido a su susceptibilidad a la peroxidación se emplearon glóbulos rojos de rata
como un modelo para investigar el estrés oxidativo en las biomembranas
Tabla 4.21. Contenido en de los extractos obtenidos a partir de fuentes renovables subutilizadas: subproductos de bodega concentrados (SBC), extracto de autohidrólisis de erizo de castaño (EAEC).
Extractos
SBC EAEC
Contenido fenólico ( g EAG g/100 g extracto) 45,0 56,0
Propiedades antioxidantes in vitro
DPPH, CE50 (mg/mL) 0,358 0,297
TEAC (g Trolox/g extracto) 1,73 1,13
FRAP (M FeSO4 ·7 H2 O) 549,02a 574,59
a
FRAP (mM ácido ascórbico) 0,26a 0,28
a
Poder reductor (mM ácido ascórbico) 0,30a 0,24
a
β-Caroteno (CAA) 513,73
b 769,04
b
Propiedades. antioxidantes en células
AAPH, CE50 (g/mL) 123,2 ± 7,6 48,2 ± 10,1
TBARS (mg/L) 200 1000
CE50, BHT = 2,79 mg/mL; CE50, BHA = 0,22 mg/mL; CE50, ácido ascórbico = 0,12 mg/mL
TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity): Capacidad antioxidante equivalente en Trolox.
CAA: Coeficiente de Actividad Antioxidante: CAABHT = 980,47 ± 2,17; CAABHA = 886,93 ± 9,98 AAPH: Concentración que inhibe el 50% de la hemólisis inducida por APPH; CE50, epicatequina = 119,82 g/mL
FRAP (Ferric Reducing Antioxidant Power): Poder antioxidante de reducción del hierro aextracto de 100 ppm; b1000 extracto ppm
Resultados y discusión
159
celulares. El inhibidor más eficiente, que muestra la concentración más baja que
causa el 50 % de inhibición inducida por APPH, el valor CE50 de hemólisis, fue el
extracto refinado de autohidrólisis de erizos de castaño (CE50 = 48,2 g/mL),
seguido por los subproductos concentrados de bodega (CE50 = 123,2 g/mL).
Las sustancias reactivas al ácido tiobarbitúrico (TBARS), medidas como la
inhibición in vitro de la peroxidación lipídica en los eritrocitos es representativa
para los procesos de estrés oxidativo de la piel (Andreassi y Andreassi, 2004;
Polefka y col., 2012). Los valores de CE50 fueron 200 g/mL para el SBC y 1000
g/mL para los extractos de tratamientos hidrotérmicos de erizo de castaña
(Tabla 4.21). Se observó una baja protección contra la peroxidación lipídica
inducida por H2O2. Las diferencias en la actividad antioxidante en estos dos
métodos se podrían explicar por el diferente mecanismo hemolítico utilizado por
este oxidante en comparación con AAPH, que causa la oxidación de lípidos y
proteínas.
4.3.4.3. Pruebas de irritabilidad dérmica
Dado que la concentración de antioxidante endógeno disminuye desde el exterior
a las capas más profundas de la piel, se ha propuesto la aplicaciones de
antioxidantes naturales por vía tópica para proteger la piel del estrés oxidativo
inducida por la radiación UV, aunque no todos los antioxidantes tienen afinidad
similar para diferentes capas de la piel (Abla y Banga, 2013). Con el fin de
confirmar el potencial de los extractos para uso tópico, se realizaron ensayos de
irritabilidad con la prueba Episkin. En la Tabla 4.22 se muestran datos de la
viabilidad celular y la citoquina interleuquina-1 (IL-1) a partir de ensayos de
liberación in vitro con epidermis humana reconstituida. Este método se basa en un
modelo que emplea queratinocitos humanos, que representan in vitro el órgano
objetivo para irritación de la piel y cubre el paso inicial de la cascada inflamatoria
que se produce durante la irritación in vivo. Los productos químicos irritantes se
identifican por su capacidad para disminuir la viabilidad celular debajo de
determinados umbrales, suele considerarse la reducción por debajo de 50 %. El
método distingue entre sustancias irritantes y no irritantes. Los extractos
producidos mediante autohidrólisis de erizos de castaña no son irritantes de la piel
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
160
para su uso tópico en formulaciones cosméticas al 0,1 % debido a que la
viabilidad en todos los casos es mayor del 50 %, con valores entre 79,4 y 92,3 %.
Este uso potencial también se confirmó por la baja liberación de IL-1 como punto
final del proceso de irritación (en el intervalo de valores del control negativo). Esta
es una citoquina pro-inflamatoria altamente activa y pleiotrópica que juega un
papel clave en la inflamación y puede ser el reflejo biológico de irritación de la
piel. Se ha descrito que la concentración de IL-1 liberada por los queratinocitos en
medio de cultivo aumentó significativamente tras la exposición a diferentes
agentes irritantes (Zhang y col., 2011). La Tabla 4.22 muestra los valores de
viabilidad y de concentración de interleuquina-1 liberada, confirmando que los
extractos son buenos candidatos a tener en cuenta para ser usados en
formulaciones cosméticas.
Tabla 4.22. Viabilidad celular y concentración de interleuquina-1 (IL-1) liberada durante los estudios in vitro con los extractos disponibles empleando epidermis humana reconstituida.
Extracto Densidad óptica Viabilidad (%) IL-1 (pg/mL)
Control negativo (PBS) 0,77 ± 0,04 100 4,1 ± 2,4
Control positivo (SDS) 0,19 ± 0,08 27,20 ± 12,04 598,4 ± 35,0
EAEC 0,71 ± 0,08 92,33 ± 12,93 1,6 ± 4,5
Control negativo (PBS) 0,53 ± 0,15 100 12,1 ± 1,9
Control positivo (SDS) 0,14 ± 0,09 26,28 ± 17,8 503,7 ± 72,19
SBC 0,46 ± 0,09 92,34 ± 17,24 15,6 ± 6,7
PBS (Phosphate buffer saline): Tampón salino fosfato SDS (Sodium docecyl sulfate): Docecil sulfato sódico
4.3.4.4. Actividad antioxidante en emulsiones y aceites
Los antioxidantes son a menudo necesarios para proteger frente la oxidación de
lípidos, lo que causaría la rancidez y cambios no deseados en la textura,
apariencia y calidad de los productos cosméticos. Debido a la alta susceptibilidad
a la oxidación de lípidos emulsionados, la combinación de técnicas de
antioxidantes podría ser eficaz en el retraso de oxidación de lípidos, en la mejora
de la vida útil, en la utilización y en la calidad de los sistemas de emulsión
(Waraho y col., 2011). La polaridad, como único factor, no puede emplearse para
predecir la actividad de un antioxidante para inhibir la oxidación de lípidos en
emulsiones, ya que otros factores, como la concentración de antioxidante, la
Resultados y discusión
161
reactividad, los efectos de partición, las interacciones con otros componentes y
las condiciones ambientales tales como el pH, la fuerza iónica y la temperatura,
son importantes. En los sistemas reales, los antioxidantes pueden interactuar con
otros compuestos, ya sea aumentando o disminuyendo su reactividad. La
capacidad de captación de radicales libres de los extractos seleccionados y su
efecto protector contra la oxidación en una emulsión, podría convertirlos en
candidatos para su uso como antioxidantes naturales en productos cosméticos.
Para comprobar su eficacia en la protección de productos cosméticos modelo, se
han añadido estos extractos a los mismos, sustituyendo los antioxidantes
comerciales sintéticos o naturales, y después se sometieron a un ensayo de
oxidación acelerada. El examen visual de los preparados reveló uniformidad y
homogeneidad en el color y en la forma de las emulsiones. El color de estos
productos se modificó ligeramente: blanco para el extracto de té y marrón para el
extracto de autohidrólisis de erizo de castaña.
La oxidación de los lípidos ocurre mediante una reacción de propagación en
cadena de radicales libres, en la que a partir de ácidos grasos y oxígeno se van
formando hidroperóxidos en presencia de calor, luz o catalizadores. Estos
compuestos son reactivos y forman nuevos productos o productos de oxidación
secundarios (aldehídos, cetonas, hidrocarburos y alcoholes). La estabilidad
oxidativa se puede evaluar mediante el análisis de los productos de oxidación
primaria y secundaria (medidos por los valores de peróxido y p-anisidina,
respectivamente). El valor de peróxidos cuantifica la cantidad de hidroperóxidos,
un valor que se ve afectado por ambas reacciones, la de formación y la de
descomposición. Los hidroperóxidos son componentes primarios de oxidación que
tienen una vida media inferior a la oxidación secundaria. El valor de p-anisidina es
una medida de la producción de aldehídos durante la oxidación de grasas o de
aceites. El valor TOTOX, indicativo de ambos productos de oxidación primarios y
secundarios, es práctico para estimar el grado de deterioro oxidativo de los lípidos
y se utilizó para medir la estabilidad oxidativa general después de 35 días de
almacenamiento.
Los valores registrados para la crema de aguacate se muestran en la Figura 4.26.
En la crema de aguacate, un producto de aceite en agua, el valor TOTOX está
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
162
relacionado principalmente con el valor de peróxidos. La adición de tocoferol no
protegió de la oxidación en este producto.
Figura 4.26. Valor de (a) peróxidos (expresado en mM de hidróxido de cumeno) y (b) TOTOX durante la oxidación acelerada de crema de aguacate a 50 ºC.
Los experimentos de oxidación confirmaron que todas las formulaciones de
cremas de protección solar fueron muy estables durante un período de 34 días a
50 °C. Los valores de peróxido, que se muestran en la Figura 4.27 estaban en el
intervalo de 0,15 a 0,45 mM hidroperóxido cumeno y no se llegó a la oxidación
secundaria.
Figura 4.27. Valor de peróxidos en formulaciones de crema solar durante la oxidación acelerada a 50 ºC.
a) b)
Resultados y discusión
163
Este producto mantuvo una apariencia muy estable (Figura 4.28) y con el tiempo
de almacenamiento tampoco se observaron diferencias en la turbidez; las
diferentes preparaciones de crema solar tendían a valores similares de la
absorbancia a 510 nm, con valores en el intervalo de 0,35 hasta 0,6 después de
25 días (Figura 4.28).
Figura 4.28. Turbidez en formulaciones de crema solar durante la oxidación
acelerada a 50 ºC () sin antioxidante añadido, y con (●) tocoferol,
() ET, () SBC y () VE.
En la Figura 4.29 se muestran los valores de TOTOX obtenidos para el aceite de
masaje, y como este es más sensible a la oxidación, los valores de peróxidos
fueron relativamente bajos en comparación con los valores de p-anisidina, que
eran mucho mayores, pues los hidroperóxidos se descomponen en productos de
oxidación secundaria en las condiciones ensayadas. El antioxidante de referencia
tocoferol, protegió sólo ligeramente y no pudo evitar la oxidación del aceite y el de
Fucus fue ligeramente más eficaz.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
164
Figura 4.29. Valores de (a) peróxidos, (b) p-anisidina y (c) TOTOX durante la oxidación acelerada de aceite de masaje a 50 °C.
En la Figura 4.30 se muestran los valores de TOTOX obtenidos para el aceite de
ducha. Al igual que en el anterior aceite, los valores de peróxidos fueron bajos en
comparación con los valores de p-anisidina. El uso de extracto de té mejoró la
estabilidad del aceite de manera más eficiente (95,3 %) a los 34 días de
almacenamiento, seguido del extracto de Fucus y tocoferol.
El tocoferol fue más eficaz en la inhibición de la oxidación de lípidos en aceite de
ducha y masaje de aceite (57,3 y 5,21 %, respectivamente), pero no mostró
capacidad de proteger a la crema de aguacate de la oxidación. Los extractos
EAEC y SBC fueron muy eficaces en la emulsión de aceite en agua (crema de
aguacate), con valores de porcentaje de inhibición de 97,64 y 97,59 %,
respectivamente. En los sistemas complejos, tales como las emulsiones, el tipo de
antioxidante utilizado y la fase en la que se añaden, pueden ser factores
relevantes que podrían afectar a su efectividad.
a) b)
c)
Resultados y discusión
165
Figura 4.30. Valores de (a) peróxidos, (b) p-anisidina y (c) TOTOX durante la oxidación acelerada de aceite de ducha a 50 ºC.
El uso de tocoferol no mejoró significativamente la estabilidad de las cremas,
mientras que los extractos fenólicos inhibieron la oxidación de lípidos. El efecto
prooxidante del tocoferol se ha observado anteriormente durante la oxidación
primaria y secundaria en emulsiones de lípidos estructurados (Osborn-Barnes y
Akoh, 2003), y se le ha atribuido a esta molécula la capacidad de donar un átomo
de hidrógeno a un radical peroxilo para convertirse en un tocoferoxilo radical.
Dependiendo del contenido graso de los productos estudiados, la extensión de la
oxidación fue diferente. Mientras que en la crema de aguacate, una emulsión más
rica en agua, la mayor contribución al valor de TOTOX fue la del valor de
peróxidos, en el caso del aceite de masaje, más rico en aceite, la mayor
contribución fue la del valor de p-anisidina. Dado que las condiciones de oxidación
acelerada fueron las mismas, los productos de menor contenido graso mostraron
valores de peróxidos mayores, indicando que la oxidación estaba en la fase
primaria, mientras que los productos más grasos mostraron básicamente valores
de p-anisidina, indicativo de que se había alcanzado la oxidación secundaria. A
a) b)
c)
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
166
modo comparativo, en la Figura 4.31 se presentan, para algunos tiempos
seleccionados, y los valores más influyentes (peróxidos o p-anisidina) en el valor
de TOTOX.
a)
b)
Figura 4.31. Comparación de la contribución del valor de peróxidos y de p-anisidina al valor de TOTOX en la oxidación acelerada de: (a) crema de aguacate (CG) y (b) aceite de masaje (AM).
Resultados y discusión
167
4.3.5. Conclusiones
Los extractos fenólicos extraídos, con disoluciones acuosas, u obtenidos por
procesos de autohidrólisis, pueden concentrarse eficazmente con resinas para
obtener un producto más puro, que una vez seco es estable y manejable. Se ha
comprobado que algunos de estos extractos fenólicos pueden ser adecuados
para incorporar en productos cosméticos formulados como emulsiones o en
aceites. Se ha comprobado que los extractos de subproductos de destilería no
son tóxicos para aplicaciones tópicas y que protegen frente a la oxidación,
evaluada en condiciones aceleradas, de modo más eficaz que algunos
antioxidantes o extractos naturales comerciales.
Resultados y discusión
169
4.4. EVALUACIÓN SENSORIAL DE COSMÉTICOS
4.4.1. Resumen
El objetivo de este trabajo fue formular varios productos cosméticos con los
extractos etanólicos de diversos productos y subproductos vegetales que se
caracterizan por presentar y aportar cuatro tipos de aromas: floral, afrutado,
herbáceo y terroso/especiado. En dichos extractos se determinaron el poder
reductor y la capacidad de captación de radicales y se realizó la evaluación
sensorial de los productos finales.
Todo buen cosmético debe cumplir con aquellos objetivos de eficacia y
funcionalidad para los cuales ha sido formulado; sin embargo, sus características
sensoriales condicionan en gran manera su aceptación por parte del consumidor,
pudiendo ser incluso rechazado, aunque responda fielmente a los requisitos
anteriormente mencionados (Vivó y col., 2013), o dependiendo de la raza o la
cultura (Ayabe-Kanamura y col., 1998). Así, pues el formulador, ante un nuevo
desarrollo cosmético, deberá concentrar sus esfuerzos tanto en optimizar las
propiedades sensoriales, como en potenciar su eficacia.
Por todo ello, se ha procedido al estudio de las propiedades organolépticas de
diversos productos cosméticos mediante un test de consumidores, en el que se
incluyen cuestiones sobre la preferencia de diversos atributos como textura,
brillo, color, olor, untabilidad y sensación en la piel.
4.4.2. Introducción
El consumidor es cada vez más exigente, reclamando el empleo de ingredientes y
aditivos naturales en los productos cosméticos, así como la sustitución de
compuestos sintéticos por sus posibles efectos negativos en la salud y el medio
ambiente (Chermahini y col., 2011).
Los antioxidantes son conservantes con la función de prevenir la oxidación de
lípidos del producto. Pueden actuar siguiendo diferentes mecanismos, por ello se
distingue entre agentes bloqueantes, agentes sinérgicos y agentes reductores.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
170
Más recientemente, se han propuesto productos a base de antioxidantes para
proteger la piel (Andreassi y Andreassi, 2004; Buenger y col., 2006).
Entre las sustancias naturales con propiedades antioxidantes destacan los
compuestos fenólicos. Los compuestos fenólicos naturales, como los ácidos
benzoicos y los flavonoides, se encuentran en abundancia en diversas fuentes
renovables, como alimentos y productos forestales agrícolas y subproductos. La
utilización de estas fuentes alternativas de bajo coste es deseable para la
valorización integral de materias primas vegetales y podría beneficiar a la
economía del proceso y el coste de los productos. El potencial de estos extractos
naturales obtenidos a partir de biomasa vegetal y de residuos ha sido descrito
ampliamente en la bibliografía (Cavallo y col., 2008); así, por ejemplo Balboa y
col. (2014) demostraron que los extractos de bagazo de destilería eran seguros
para uso tópico y mejoraban la estabilidad oxidativa de emulsiones de aceite-en-
agua.
Los compuestos fenólicos presentan una amplia variedad de actividades de
interés en cosmética, tales como antioxidante, antimicrobiana, anti-inflamatoria o
anti-envejecimiento. Las formulaciones enriquecidas con antioxidantes se utilizan,
cada vez más, en los cosméticos antienvejecimiento como una estrategia de
defensa contra las especies reactivas al oxígeno (ROS) (Pouillot y col., 2011).
Además, los compuestos fenólicos naturales pueden penetrar más fácilmente a
través de la barrera de la piel, en particular el estrato córneo (Zillich y col., 2013).
Los productos cosméticos, además de ser eficaces y estables, también deben ser
aceptados por el consumidor. La incorporación de extractos naturales podría
conferir colores o aromas característicos y/o excesivamente intensos, que podrían
limitar la aceptación del producto (Weber y Heuberger, 2008); por ello, para poder
valorar la aceptación de dichos productos por parte del consumidor es preciso
realizar pruebas a través de los sentidos (Küllcamp-Guerreiro, 2013).
El análisis sensorial se puede realizar con diferentes tipos de pruebas, entre las
que destacan los métodos por pruebas afectivas, discriminativas y descriptivas.
Resultados y discusión
171
En la evaluación sensorial de los cosméticos, Silva y col. (2004) utilizaron la
prueba afectiva y la prueba discriminativa. Francisco y col. (2001) y Pereira y col.
(2001), para el desarrollo de cremas faciales que contienen filtros solares,
emplearon pruebas afectivas para evaluar un atributo sensorial de las mismas, la
capacidad de extensión.
Los métodos afectivos representan la opinión del consumidor y evalúan si a los
consumidores les “gusta o no gusta” el producto en cuestión; se trata de un
método cuantitativo que se puede aplicar en estudios de mercado de consumo,
tratando de comprender las preferencias del consumidor (Aust y col., 1987).
4.4.3. Materiales y métodos
Las materias primas empleadas para las pruebas sensoriales fueron bagazo de
destilado, descrito en el apartado 3.1.1 del capítulo de Materiales y métodos,
astillas de madera de Pinus pinaster (apartado 3.1.1.2), flores de Acacia dealbata
(apartado 3.1.1.3) y Lentinus edodes (apartado 3.1.1.4).
De todas estas materias se obtuvieron los extractos etanólicos correspondientes
según la metodología descrita en el apartado 3.1.2.2 del capítulo de Materiales y
métodos.
Para la evaluación sensorial se prepararon los siguientes cosméticos: una crema
de manos (CM), un aceite corporal (AC), un champú (CH), un exfoliante corporal
con sales (EC), una mascarilla de arcilla (MA) y un tónico limpiador (TL); cuyas
respectivas formulaciones se encuentran descritas en el apartado 3.1.4.2 del
capítulo de Materiales y métodos.
Para el análisis sensorial, las muestras fueron identificadas con un código de tres
dígitos elegidos aleatoriamente, de acuerdo con la Norma UNE-EN ISO
8587/2010 sobre análisis sensorial, metodología y ordenación.
Se diseñó una ficha de evaluación sensorial en la que el catador debía otorgar
una puntuación, en una escala de 10 puntos, a diversas características que
aluden tanto al aspecto externo de la formulación en cuestión, como a diversas
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
172
sensaciones táctiles y olfativas cuando se aplica o se retira el producto de la piel
(Figura 4.32).
FICHA
(Producto
cosmético)
NOMBRE:
EDAD: <20 20-30 30-40 +40
Fecha:
Marcar la intensidad de cada parámetro empleando una escala 0 - 10
1.- EVALUACIÓN DEL ASPECTO EXTERNO:
APERTURA DEL TARRO
En este apartado se evalúan las sensaciones ante las
diferentes características del preparado en el
momento de abrir el tarro. 462 197 953 741 268
Brillo: (Mate: 0 Brillante: 10)
Color: (No gusta: 0 Gusta mucho: 10) Intensidad del olor: (Débil: 0 Fuerte: 10)
Matiz del olor: (No gusta: 0 Gusta mucho: 10) Firmeza/Consistencia (al meter los dedos en el tarro):
(Baja: 0 Alta: 10)
Cremosidad /Textura/Apariencia:
(Muy cremosa: 0 Normal 10)
2.- EVALUACIÓN DEL ASPECTO EXTERNO:
APLICACIÓN DEL PRODUCTO
Se evalúan las sensaciones ante las diferentes
características del preparado en el momento de
extenderlo sobre la piel del dorso de la mano. 462 197 953 741 268
Extensibilidad (facilidad de aplicación): (Difícil: 0
Fácil: 10)
Penetración: (Lenta: 0 Rápida 10)
Suavidad: (Baja: 0 Alta: 10)
Intensidad del olor: (Débil: 0 Fuerte: 10)
Matiz del olor: (No gusta: 0 Gusta mucho: 10)
Brillo (en la piel): (Baja: 0 Alta: 10) Sensación (en la piel): (No gusta: 0 Gusta mucho: 10)
Persistencia del olor: (Débil: 0 Fuerte: 10)
3.- EVALUACIÓN DEL ASPECTO EXTERNO:
RETIRADA DEL PRODUCTO
Evaluación de las sensaciones en el momento de
retirar el preparado de la piel. 462 197 953 741 268
Retirada con papel de celulosa (facilidad de retirada):
(Difícil: 0 Fácil: 10)
Retirada con papel de celulosa y agua (facilidad de
retirada): (Difícil: 0 Fácil: 10)
4.- PUNTUACIÓN GLOBAL (Valorar de 0 a 10 la sensación global del
preparado).
462 197 953 741 268
5.- OBSERVACIONES (Comentarios/sugerencias acerca de los diferentes
preparados).
Figura 4.32. Ficha para la evaluación sensorial de los productos cosméticos.
Resultados y discusión
173
El análisis sensorial ha sido realizado por 55 voluntarios, de los cuales 29 eran
hombres y 26 mujeres, y cuyas edades estaban comprendidas entre los 18 y los
45 años. La gran mayoría no habían realizado nunca ningún tipo de análisis
sensorial.
Los distintos preparados cosméticos fueron presentados a los catadores
inmediatamente después de su elaboración, en una única ocasión, pero
repartidos en tres sesiones, que se celebraron en un plazo de un mes. Antes de
iniciar la sesión de cata, se les explicó a los catadores cómo cubrir la ficha y qué
aspectos se debían de tener en cuenta (explicando y diferenciando ciertos
descriptores que podrían llevar a confusión) para reflejar las distintas
percepciones en la evaluación sensorial táctil, visual y olfativa en las distintas
fases: cuando se procede a la apertura del recipiente, en el momento de aplicar el
producto en el dorso de la mano o del antebrazo y, finalmente, en el momento de
la retirada del cosmético.
4.4.4. Resultados y discusión
4.4.4.1. Propiedades químicas, físicas y antioxidantes de los extractos
Las propiedades químicas, físicas y antioxidantes de los extractos seleccionados
se muestran en la Tabla 4.23. Los rendimientos de extracción fueron para el
bagazo 3,2 g de extracto/100 g de orujo de uva, para la madera 2,8 g de
extracto/100 g de pino, para las flores de acacia 16,9 g de extracto/100 g de flores
y para el hongo 12,8 g de extracto/100 g shiitake. El rendimiento de extracción
alcanzado con las diferentes fuentes fue bajo, por debajo del 20 % del material
inicial. Sin embargo la fracción sólida remanente tras la extracción podría ser
fraccionada para separar y aprovechar los componentes estructurales que se
valorizarían para obtención de productos de interés alimentario, químico o
energético.
El contenido fenólico en los extractos fue mayor para el orujo de uva y para la flor
de acacia (18 % en peso), y muy baja para el hongo, pero que contenía azúcares
y polioles más variados (trehalosa, manitol y arabitol). El contenido fenólico de los
extractos se correlacionó con la capacidad de captación del radical ABTS. Los
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
174
productos más activos fueron los de flor de acacia y de orujo de uva, que
contenían casi el 20 % del peso seco de compuestos fenólicos.
Los eliminadores de radicales más activos fueron el extracto de flor de acacia y el
extracto de orujo de uva, con 50-70 % de capacidad de Trolox, seguido del
extracto de madera de pino, con un 32 % de capacidad de Trolox. El poder
reductor más elevado también se encontró para el extracto de flor de acacia.
Tabla 4.23. Caracterización de los extractos obtenidos a partir de fuentes renovables infrautilizadas: extracto de bagazo de uva o suproducto de bodega concentrado (SBC), extracto de madera de pino (EMP), extracto de flores de acacia (EFA), extracto de shiitake (ES).
Extractos
SBC EMP EFA ES
Rendimiento extracción (%) 3,2 2,8 16,9 12,8
Composición (g/100 g extracto)
Contenido fenólicos (eq. ácido
gálico/100 g extracto)
18,3 9,6 17,9 0,9
Nitrógeno total (%) 0,86 < 0,1 1,24 2,06
Azúcares totales (%)
Glucosa (2,64)
Xilosa (2,48)
Arabinosa (2,19)
Glucosa (9,41)
Xilosa (3,38)
Glucosa (0,99)
Trehalosa (14,52)
Manitol (10,02)
Arabitol (20,04)
Propiedades antioxidantes in vitro
TEAC (g Trolox/g extracto) 0,52 0,32 0,70 0,01
FRAP (g AA/g extracto) 0,01 0,10 0,17 < 0,01
TEAC (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity): Capacidad antioxidante equivalente en Trolox.
CAA: Coeficiente de Actividad Antioxidante. CAABHT= 980,47 ± 2,17; CAABHA= 886,93 ± 9,98
FRAP (Ferric Reducing Antioxidant Power): Poder antioxidante de reducción del hierro
4.4.4.2. Evaluación sensorial
Entre los 55 voluntarios que participaron en el análisis sensorial, había 26 mujeres
y 29 hombres, con edades comprendidas entre los 18 y 45 años, lo que ha
permitido desglosar el estudio de consumidores de acuerdo a los siguientes
intervalos de edad: menores de 20 años, entre 20 y 30, y entre 30 y 45 años.
Worch y col. (2014) evaluaron 13 atributos en ocho tipos de cremas faciales, pero
sólo tuvieron en cuenta el testimonio de 72 mujeres. En este trabajo se ha querido
Resultados y discusión
175
contemplar la opinión de ambos sexos por la distinta sensibilidad de la piel de
ambos sexos (Willis y col., 2001) y porque, en los últimos años, el mercado de la
cosmética ha experimentado un auge importante por la creciente demanda por
parte de los hombres (Armengold y Rubio, 2008; Lacerda y col., 2013).
Tal y como ya se expuso, se elaboraron 6 cosméticos (aceite corporal, bálsamo
de manos, champú, exfoliante, mascarilla de arcilla y tónico limpiador) a los que
se incorporaron extractos etanólicos obtenidos a partir de pino, bagazo de uva
tinta, Shiitake y flor de la mimosa, aparte de un control al que no le adicionó
ningún aromatizante.
Los resultados obtenidos se exponen a continuación, considerando la valoración
otorgada por el conjunto de los catadores y en función del sexo (Figura 4.33 y
4.34); finalmente se abordan cada una de las formulaciones cosméticas en
función de los distintos extractos y de los intervalos de edad (Figuras 4.35 a y b) y
la correlación estadística de las puntuaciones con los extractos (Figura 4.36).
Como se puede apreciar en la Figura 4.33a, el aceite corporal elaborado con el
extracto obtenido a partir de la flor de la mimosa, del hongo Shiitake o del bagazo
de uva obtuvieron las puntuaciones globales más elevadas, 6,93; 6,78 y 6,19,
respectivamente, siendo ligeramente mejor valoradas por las mujeres; por el
contrario, el extracto de pino fue el peor valorado por ambos sexos. En todas las
muestras los hombres siempre otorgaron, a los distintos cosméticos, menor
puntuación que las mujeres.
En el caso del bálsamo de manos, la preferencia por el olor de mimosa o de
Shiitake es mucho más evidente con respecto al resto de extractos aromatizantes
empleados (Figura 4.33b), ya que hay una diferencia en torno a un punto con
respecto al que alcanzó la tercera puntuación. En este cosmético también las
mujeres concedieron valoraciones más altas que los hombres, salvo al emplearse
el extracto de bagazo, preferido por el sexo masculino, o con el de pino, en el que
coincidieron. Este cosmético, con olor a mimosa o a seta, fue el que obtuvo la
puntuación más elevada de todas las muestras catadas, alcanzando una
calificación de 7,20 y 7,04, respectivamente.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
176
En el caso del champú (Figura 4.33c), al contrario que en el resto de productos
cosméticos, fueron los hombres los que dieron las puntuaciones más elevadas,
excepto al emplear la seta como aromatizante, a pesar de lo cual fue el extracto
mejor valorado, con 6,80 puntos, seguido del control. En este caso, el extracto de
bagazo fue el peor valorado y, además, para el que hubo más discordancia en las
puntuaciones en función del sexo.
En el exfoliante corporal se registraron las mayores discrepancias entre los dos
sexos (Figura 4.33d), siendo muy bien valorados por las mujeres el empleo de la
mimosa y el extracto de pino, y por los hombres el exfoliante control, sin ningún
tipo de aromatizante.
Con la mascarilla de arcilla, las puntuaciones, según el sexo (Figura 4.33e),
fueron muy similares y, nuevamente, la adición de los extractos de mimosa y de
Shiitake, así como el de pino, fueron preferidos frente a la mascarilla sin ningún
tipo de aromatizante.
Finalmente, en el tónico limpiador (Figura 4.33f) se confirmó la preferencia por los
olores aportados por la mimosa y Shiitake, siendo, en este caso, más valorados
por el sexo masculino. De nuevo, el extracto peor valorado por ambos sexos, y
sobre todo por las mujeres, es el extracto de pino, alcanzando tan sólo una
puntuación media de 5,66.
Resultados y discusión
177
En la Figura 4.34 se aprecian mejor las preferencias, por sexo, de los distintos
extractos vegetales adicionados como aromatizantes a las distintas formulaciones
cosméticas. Las mujeres siempre otorgaron la máxima puntuación a los
cosméticos a los que se les había incorporado el extracto de mimosa para
proporcionar matices florales, a excepción del tónico limpiador en el que dieron la
misma nota también al extracto de Shiitake, y al champú, donde fue mejor
puntuado esta última materia prima. En el caso de los hombres, la preferencia
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Figura 4.33. Puntuaciones globales y desglosadas por sexo de los distintos extractos empleados en los productos cosméticos: a) Aceite corporal, b) Bálsamo de manos, c) Champú, d) Exfoliante, e) Mascarilla de arcilla, f) Tónico limpiador.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
178
estuvo más diversificada, pues votaron por el extracto de mimosa en el aceite
corporal, mascarilla, tónico limpiador (este último empatado con Shiitake);
mientras que, en el champú y el exfoliante, se decantaron por la formulación en la
que no se había adicionado ningún tipo de extracto.
Las puntuaciones más bajas, según el sexo femenino, son para los extractos de
pino en el aceite, bálsamo y tónico, y el procedente del bagazo de uva en el
champú y la mascarilla; el exfoliante sin ningún tipo de aromatizante fue muy
penalizado. Los hombres también concedieron las mínimas puntuaciones a los
mismos extractos que las mujeres: el de pino en el bálsamo de manos y el tónico
limpiador, y el de bagazo de uva en el champú y la mascarilla. Para el aceite
corporal otorgaron la mínima puntuación al que sirvió de control, sin aromatizante;
en el caso del exfoliante penalizaron, por igual, los extractos obtenidos a partir del
pino (matices herbáceos) y del bagazo de uva (matices afrutados).
Cuando se considera el conjunto de catadores, sin distinción de sexo, como se
puede apreciar en la Tabla 4.24, los extractos obtenidos a partir de los
hidrolizados de pino y del bagazo de uva tinta obtuvieron las mejores
puntuaciones en el champú, al igual que el control, y las peores en el exfoliante.
Los extractos que se obtuvieron a partir de la flor de la mimosa y del hongo
Shiitake, por el contrario, alcanzaron la máxima valoración en el bálsamo de
manos, pero la peor, también, en el exfoliante corporal.
Cuando se valoran los datos obtenidos en función de los intervalos de edad
(Figuras 4.35 a y b), en general, los hombres con edades comprendidas entre los
20 y los 30 años concedieron puntuaciones más elevadas que los de los otros
intervalos de edad, sobre todo en el bálsamo de manos y en el champú; mientras
que los de mayor edad dieron calificaciones menores. Este último grupo valoró
positivamente, en todos los cosméticos, la adición de los extractos obtenidos a
partir de la flor de la mimosa o del Shiitake, mostrando así su preferencia por los
olores florales y especiados, respectivamente. Por el contrario, el grupo que va de
20 a 30 años otorgó, en general, más puntuación cuando se habían empleado los
extractos de pino o de bagazo, sobre todo en el champú y el tónico limpiador. Los
menores de 20 años puntuaron de forma similar casi todos los extractos
Resultados y discusión
179
etanólicos, excepto en el bálsamo de manos, aceite corporal y tónico limpiador
(otorgando máxima puntuación al extracto de Shiitake y de mimosa).
Figura 4.34. Puntuaciones máximas y mínimas otorgadas, en función del extracto adicionado y de cada sexo, a los productos cosméticos: Aceite corporal (AC), Bálsamo de manos (BM), Champú (CH), Exfoliante corporal (EC), Mascarilla de arcilla (MA), Tónico limpiador (TL).
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
180
Tabla 4.24. Puntuaciones globales de las formulaciones cosméticas en función del extracto adicionado.
Aceite Bálsamo Champú Exfoliante Mascarilla Tónico
Control 6,06 6,02 6,70 5,13 5,58 6,15
Pino 5,73 5,53 6,51 5,39 5,73 5,66
Bagazo 6,19 5,70 6,28 5,28 5,44 5,96
Shiitake 6,78 7,04 6,80 5,40 6,00 6,31
Mimosa 6,93 7,20 6,57 5,89 6,25 6,43
En el caso de las mujeres, la máxima variabilidad de calificaciones se registró en
las menores de 20 años, diferenciando hasta en dos puntos los distintos extractos
empleados en la elaboración del champú y del exfoliante (Figuras 4.35 a y b). Al
igual que sucedió con los hombres, las mujeres con más de 30 años siempre
puntuaron mejor los cosméticos en los que se habían adicionado los extractos de
la mimosa o del Shiitake; valoración en la que también coincidieron las que tenían
entre 20 y 30 años.
Resultados y discusión
181
Figura 4.35.a. Puntuaciones de los productos cosméticos en función del extracto adicionado y de los intervalos de edad.
De hecho cuando se relacionaron las puntuaciones otorgadas a los diferentes
extractos empleados en los productos cosméticos a través de sus distancias
euclídeas, se obtuvo el diagrama de árbol que se muestra en la Figura 4.36 y que
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
182
separó en dos grupos bien diferenciados la mimosa y el Shiitake, de los otros 2
extractos y del control.
Figura 4.35.b. Puntuaciones de los productos cosméticos en función del extracto adicionado y de los intervalos de edad.
Resultados y discusión
183
Euclidean distances
Mimosa Shiitake Pino Bagazo Control0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
Lin
kag
e D
ista
nce
Figura 4.36. Diagrama de árbol de los extractos adicionados a los productos cosméticos en función de las puntuaciones globales.
4.4.5. Conclusiones
Los extractos alcohólicos obtenidos a partir de madera de pino, bagazo de uva,
seta Shiitake y flor de mimosa se pudieron incorporar sin problemas en diversos
productos cosméticos (aceite corporal, bálsamo de manos, champú, exfoliante,
mascarilla de arcilla y tónico limpiador), lo que permite revalorizar todas estas
materias y subproductos.
La valoración de los distintos atributos considerados para realizar el análisis
sensorial de los diferentes productos cosméticos mostró que los parámetros que
más peso tuvieron en la valoración por parte de los catadores fueron, a nivel de
apertura del tarro, el olor que tenía el cosmético (tanto de tipo, como de
intensidad), el color y la textura, ya que existía una gran correlación con las
puntuaciones que otorgaron.
Tras abrir el tarro y proceder a extender el cosmético sobre la palma de la mano,
aparte del olor que permanecía en la piel, también se valoraron positivamente la
sensación y suavidad que dejaban, además de su más fácil extensibilidad; por el
contrario, las retiradas del producto fueron atributos que apenas contribuyeron a
la valoración global pues no se encontraron diferencias al cambiar de cosmético.
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
184
El olor fue uno de los atributos más apreciados en todos los cosméticos, sobre
todo los matices florales y especiados, de ahí que los productos con extractos de
mimosa o de Shiitake fueran los más valorados, independientemente del sexo y
de la edad de los catadores. Además, el extracto etanólico de la flor de la mimosa
proporcionó una tonalidad amarillenta que fue muy apreciada por todos los
consumidores en cualquiera de las formulaciones cosméticas preparadas.
5. Conclusiones
Conclusiones
187
5. CONCLUSIONES
1. El empleo de carbón activo permite retener compuestos fenólicos con actividad
antioxidante, presentes en los escurridos obtenidos al prensar el bagazo destilado
y en los licores generados tras la autohidrólisis de este tipo de bagazo. El proceso
discontinuo sigue una cinética de pseudo segundo orden y el equilibrio responde
a los modelos de Langmuir y de Freundlich. Aunque es posible operar en continuo
para realizar varios ciclos de adsorción, no se pueden desorber los compuestos
adsorbidos.
2. Se pueden emplear resinas poliméricas de uso alimentario para adsorber los
compuestos fenólicos antioxidantes presentes en subproductos de destilería. La
cinética del proceso discontinuo corresponde a pseudo segundo orden. Operando
en condiciones óptimas, es posible obtener un producto de color claro con el 50 %
en peso de compuestos fenólicos, siendo mayoritario el ácido gálico y se
encontraron flavonoides, como catequina, epicatequina y quercetina, y fracciones
oligoméricas.
3. El empleo de resinas poliméricas no iónicas en un sistema dinámico de
adsorción en continuo permite retener compuestos antioxidantes de manera
efectiva y posibilita su escalado a nivel industrial. Se determina el tiempo de rotura
mediante modelos matemáticos de manera que se puede determinar el tiempo de
operación efectivo de cada sistema. El efecto de la longitud del lecho de resina
empleado supuso un mayor tiempo de operación sin cambios significativos en las
tasas de adsorción por lo que es viable un escalado del proceso. Se encontró al
flujo de operación como una variable determinante para establecer el tiempo de
rotura de cada sistema.
4. Se pueden emplear resinas polimericas en sistemas discontinuos para la
desorción de compuestos fenólicos con actividad antioxidante. El flujo del
disolvente de elución resultó estadísticamente la variable más influyente en la
desorción. Seleccionando los valores adecuados de las variables dependientes,
Extracción y purificación de compuestos fenólicos a partir de…
188
se puede obtener selectivamente, extractos con mayor rendimiento de desorción,
con mayor contenido en compuestos fenólicos o mayor actividad antioxidante.
5. Los extractos recuperados, tras la adsorción y la desorción en resinas
seleccionadas, se obtienen como un producto más puro y estable. Pueden
incorporarse en productos cosméticos formulados como emulsiones o en aceites
porque no son tóxicos para aplicaciones tópicas y protegen frente a la oxidación
más eficazmente que algunos antioxidantes o extractos naturales comerciales.
6. Los extractos alcohólicos de bagazo de destilería, al igual que otros de fuentes de
tipo residual (madera de pino, seta Shiitake y flor de mimosa) se pudieron
incorporar sin problemas en diversos productos cosméticos (aceite corporal,
bálsamo de manos, champú, exfoliante, mascarilla de arcilla y tónico limpiador).
La valoración de los consumidores estuvo influenciada por el olor que permanecía
en la piel, la sensación y facilidad para extenderlos. Comparativamente este
extracto obtuvo puntuaciones elevadas por el grupo de hombres de 20-30 años
cuando se incorporaba a champú, bálsamos de manos y aceites, y por el grupo
de mujeres menores de 20 años cuando se incorporaba en exfoliantes,
mascarillas y tónicos.
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6. Bibliografía
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Apéndice
Apéndice
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ABREVIATURAS
ABTS 2,2'-azinobis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfonato)
CA carbón activado
CAG carbón activo granular
CAPe carbón activo peletizado
CAPu carbón activo pulverizado
DPPH α,α-difenil-β-picrilhidrazilo
EAEC extracto de autohidrólisis de erizo de castaña
EAG equivalentes de ácido gálico
EF extracto de flor de acacia
EMP extracto de madera de pino
ES extracto de shiitake
ET extracto de té
EV extracto de vid comercial
FRAP poder antioxidante de reducción del hierro
LABD licores de autohidrólisis de bagazo destilado
LPBD licores extraídos por presión de bagazo destilado
MLC material lignocelulósico
PA p-anisidina
PV valor de peróxidos
SBC subproducto de bodega concentrado
T tocoferol
TEAC capacidad antioxidante equivalentes en trolox