Evaluación del uso de ultrasonidos como medio de extracción de compuestos bioactivos en vegetales

Résumé

Los beneficios de la ingesta de frutas y verduras han provocado, en los últimos años, un cambio sobre los hábitos alimentarios de los consumidores. Del mismo modo, entre la comunidad científica, se ha incrementado el reconocimiento del beneficio del potencial antioxidante de un gran número de compuestos o familias de compuestos activos (fitoquímicos) para la salud humana. Uno de los puntos críticos en el estudio de compuestos bioactivos en frutas y vegetales es el proceso de extracción de estos compuestos de la matriz vegetal. Las técnicas de extracción verdes nacen, como concepto, para responder a los retos del siglo XXI, para proteger tanto el medio ambiente como a los consumidores. La extracción es un proceso que afecta a toda la metodología analítica, por lo que tiene una importante contribución a la sostenibilidad (o falta de ella) de todo el proceso analítico. Los ultrasonidos son una tecnología clave para lograr el objetivo de una química y extracción "verdes" sostenibles. Gracias a los ultrasonidos, se pueden llevar a cabo extracciones completas en minutos con una alta reproducibilidad, reduciendo el consumo de disolvente y simplificando la manipulación y el trabajo. En esta tesis doctoral se lleva a cabo la optimización de la extracción asistida por ultrasonidos de distintos metabolitos secundarios a partir de distintas matrices vegetales. Para evaluar el efecto de las variables independientes sobre la eficacia de la extracción asistida por ultrasonidos se utiliza un diseño de experimentos de Box-Behnken (BBD) con el fin de determinar las condiciones óptimas de extracción. Tres son los grupos de compuestos objetivo de esta tesis, todos ellos con propiedades beneficiosas para la salud, atribuidas principalmente a su actividad antioxidante: betalainas, antocianos y ácidos cafeoilquínicos. Como fuente de compuestos activos para llevar a cabo esta tesis doctoral hemos seleccionado cuatro matrices vegetales: fruta del dragón, flores de Erica, patatas de pulpa coloreada y boniato. -Las betalainas se han extraido de la fruta del dragón o pitaya roja (Hylocereus polyrhizus), hoy en día es una de las frutas con el valor más alto del mercado. -Los antocianos se extrajeron de dos fuentes distintas, flores de Erica australis L. que son consumidas en forma de infusión en la medicina popular de varias culturas, y patatas (Solanum tuberosum L.) de pulpa coloreada, variedades desconocidas para la mayoría de los consumidores, que son igual de ricas en nutrientes que las variedades más populares, pero además nos aportarían a nuestra dieta todos los beneficios del consumo de antocianos. -Como fuente de ácidos cafeoilquínicos se ha usado el boniato (Ipomea batata L.), un cultivo cuya producción ha experimentado un aumento considerable en los últimos años en España, centrándose está producción principalmente en la provincia de Cádiz. Las condiciones óptimas para la extracción asistida por ultrasonidos de las betalainas son 21.4% de MeOH en agua, 54.6 °C de temperatura, un 20% de potencia de ultrasonidos, un ciclo de 0.3 s−1 y una ratio de 0.2 gramos de muestra en 10 mL de disolvente. En el caso de los antocianos, hay una serie de variables experimentales comunes a flores y patatas como son: 70 ºC, 70% de potencia de ultrasonido, 0.5 s-1 de ciclo y una ratio de 0.5 gramos de muestra en 20 mL. El disolvente necesario para la extracción de los antocianos en las flores es de un 50% de MeOH en agua a un pH de 5 y en patatas un 60% de MeOH en agua a pH 2.9. Los ácidos cafeoilquínicos necesitan unas condiciones más suaves que estos últimos: 39.4 ºC, 33.3% de potencia de ultrasonido a 0.5 s-1, una ratio de 0.5 gramos en 10 mL y 100% de MeOH como disolvente. En cuanto al tiempo de extracción, necesitamos sólo 5 minutos para la extracción de betalainas, 10 para los ácidos cafeoilquínicos y 15 para los antocianos en cualquiera de las dos matrices empleadas. Todos los compuestos se mostraron estables frente a la radiación ultrasónica, a excepción de las betalainas cuyo rendimiento comenzaba a decaer pasados 20 minutos de irradiación. Los métodos de extracción asistida por ultrasonidos desarrollados en la presente tesis doctoral son precisos, reproducibles, económicos y rápidos para obtener excelentes recuperaciones de betalainas, antocianos y ácidos cafeoilquínicos en las distintas matrices vegetales estudiadas.