Valorización de oleorresina de pimentón mediante tecnología supercrítica

Resumen

En la actualidad, es cada vez mayor el interés por los compuestos procedentes de fuentes naturales. Éstos pueden utilizarse con múltiples aplicaciones en empresas alimentarias, farmacéuticas y cosméticas, y permiten la creación de nuevos mercados basados en productos diferenciados, además de promover la invención o mejora de fármacos para el tratamiento de determinadas enfermedades. Pese a los numerosos estudios que se han realizado en este ámbito, las técnicas para la obtención de los compuestos deseados no han sido las más adecuadas medioambientalmente, ya que incorporan residuos de extracción que pueden afectar a la calidad del producto final, especialmente si éste va destinado a consumo humano. Por este motivo, y teniendo en cuenta las cada vez más restrictivas normativas alimentarias y sanitarias, es cada vez más habitual encontrar estudios relativos a la extracción de matrices naturales mediante el empleo de la tecnología supercrítica. Dada la experiencia previa del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Castilla-La Mancha en el uso de esta tecnología, diversas empresas del sector pimentonero han mostrado su interés para la posible mejora de sus procesos por esta vía. Tanto pimentón polvo como oleorresina de pimentón son materias primas interesantes para la extracción de compuestos como carotenoides y capsaicinoides. Los primeros, pertenecen a la familia de los terpenos y destacan por su carácter antioxidante y por su actividad provitamina A, habiendo sido ampliamente utilizados como colorantes alimentarios. Los segundos, son amidas primarias con gran aplicación en la industria alimentaria como fuente del tradicional sabor picante de los alimentos, y también en la industria farmacéutica como agente tópico analgésico. Además, presentan actividad antibacterial, antioxidante y anticancerígena. La extracción de estos compuestos del género Capsicum podría generar nuevos productos y permitir la diversificación del sector pimentonero. Por todo lo anterior, esta investigación ha centrado su objetivo principal en el estudio de la aplicación de la tecnología supercrítica para la mejora de los actuales procesos de la industria pimentonera y, más concretamente, para conseguir el fraccionamiento de la oleorresina de pimentón logrando dos productos de mayor valor añadido con interés industrial: un extracto rico en capsaicinoides y un refinado enriquecido en carotenoides. La falta de procedimientos analíticos rigurosos por parte de las empresas del sector para llevar a cabo la caracterización de las oleorresinas extraídas, hizo necesaria la búsqueda y puesta a punto de una metodología analítica que permitiera la caracterización inicial de la materia prima. Esta metodología consistió en la determinación de la fracción polar y no polar, del perfil de triglicéridos, del contenido en fósforo, metales, agua y sedimentos, así como en el establecimiento de propiedades físicas como viscosidad y densidad, y en la cuantificación de la concentración de pigmentos. Además, para determinar y cuantificar la concentración de carotenoides, capsaicinoides y ácidos grasos, mono-, di- y triglicéridos, todos los extractos y refinados obtenidos en los distintos experimentos fueron analizados mediante espectrofotometría UV-Vis, cromatografía líquida de alta resolución y cromatografía de gases. Debido a la escasa información relativa al proceso convencional de extracción de pimentón polvo mediante el empleo de disolventes orgánicos, los experimentos previos de esta investigación estuvieron orientados a la obtención de datos que permitieran determinar, mediante un tratamiento matemático riguroso de la lixiviación, la relación pimentón/disolvente óptima para llevar a cabo el proceso tradicional, así como el número de etapas necesarias para conseguir una determinada separación en una lixiviación a contracorriente. Asimismo, se realizó un estudio para evaluar el uso de diferentes disolventes y técnicas extractivas. De este estudio se concluyó la viabilidad y mejora del uso de la extracción asistida por ultrasonidos (UAE) respecto a los convencionales procesos de maceración, y se puso de manifiesto que para el caso de utilizar pimentón polvo como materia prima, la extracción supercrítica (EFSC) no reporta a priori ningún beneficio respecto al proceso de extracción con disolventes. Esto limitó los sucesivos estudios de extracción supercrítica al empleo de oleorresina líquida como materia prima. El estudio de extracción supercrítica de oleorresina fue llevado a cabo empleando un procedimiento estadístico de superficie respuesta, mostrando la viabilidad del empleo de scCO2 para la extracción de compuestos interesantes de oleorresina líquida, y poniendo de manifiesto la necesidad de un estudio termodinámico más detallado que permitiera sentar las bases de la separación multicomponente. De esta forma, se realizó un estudio de equilibrio para el sistema binario CO2-oleorresina que fue correlacionado empleando la ecuación de estado cúbica de Soave-Redlich-Kwong y predicho mediante la ecuación de estado a contribución grupal (GC-EoS) desarrollada por Skjold-Jorgensen. Para llevar a cabo la predicción mediante GC-EoS, se desarrolló una estrategia de cálculo que permite la parametrización del modelo y establece una única serie de parámetros de interacción entre grupos, cuyo uso puede ser generalizado para la predicción de sistemas a alta presión de aceites vegetales en presencia de CO2. La validación del modelo y del procedimiento condujo a resultados altamente satisfactorios. El tratamiento del equilibrio como sistema pseudo-binario fue insuficiente para el estudio del fraccionamiento de los componentes de interés, por lo que se realizó un estudio del sistema considerándolo como pseudo-ternario. Para ello, una vez establecida la distribución de los distintos componentes de la oleorresina, en base a los coeficientes de distribución (Ki) previamente calculados, fue posible definir la oleorresina como dos pseudo-componentes, uno ligero (HVC) que contiene los capsaicinoides, y otro pesado (LVC) en el que se engloban los carotenoides. Posteriormente, se realizó el cálculo de los factores de separación entre ambos pseudo-componentes (alfa-HVC/LVC), y se establecieron las condiciones de operación más adecuadas para realizar la extracción supercrítica en contracorriente de oleorresina empleando CO2 como disolvente. Dado que el empleo de métodos de cálculo como McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit mediante el diagrama de Jänecke, requiere conocer las funciones de solubilidad mutua, NE y NR, así como la evolución de los factores de separación con la composición, se determinaron experimentalmente estas funciones y se procedió al cálculo del número de etapas necesarias para conseguir una determinada separación. Asimismo, se analizó la influencia que el método gráfico ejerce sobre el cálculo del número de etapas, y el efecto que la calidad del alimento y del extracto obtenido producen sobre los principales parámetros del proceso de separación en contracorriente (número de etapas, nth; razón de reflujo, v; y relación disolvente/alimento, S/A). Además, se determinó la altura equivalente de plato teórico (HETP) y se realizó un estudio fluidodinámico para calcular el diámetro mínimo necesario del equipo de separación que evite las condiciones de flooding o inundación dentro de la columna. Por último, se realizó un análisis económico para analizar la viabilidad del proceso descrito, calculándose la inversión necesaria y los costes de operación para la construcción de una planta que comercialice los productos obtenidos. También se llevó a cabo un estudio de rentabilidad, determinándose los principales ratios financieros correspondientes a los cinco primeros ejercicios económicos. El análisis de sensibilidad y la matriz DAFO obtenida mostraron la viabilidad y la buena situación estratégica del proceso descrito.