Desarrollo de tecnología limpia para la extracción de componentes bioactivos de la yerba mate : “compuestos fenólicos”

Abstract

La obtención de compuestos fenólicos (CPT) a partir de las hojas de Ilex paraguariensis St. Hil., constituye un proceso alternativo para la producción industrial competitiva de antioxidantes naturales que significaría la apertura de un mercado de aprovechamiento comercial y de valor agregado a la actual industria yerbatera. Entre las técnicas de extracción novedosas, la extracción asistida por ultrasonido (EAU), constituye una tecnología simple, económica y ecológica para la extracción de componentes biológicamente activos, termolábiles y de elevada actividad antioxidante. El objetivo principal de la tesis fue comparar la extracción convencional batch por agitación (AE) y la asistida por ultrasonidos (EAU) para la obtención de extractos ricos en CPT con el fin de obtener información que permita dimensionar una línea de producción industrial transferible al sector, con máximo aprovechamiento de materia prima y uso de solventes. Para ello, se evaluó la cinética de la extracción de CPT utilizando modelos cinéticos aplicables a matrices vegetales de similares características a las hojas de yerba mate, incluyendo a los modelos de primer orden, segundo orden, de dos velocidades, absorción/desorción y de hinchamiento /difusión. Se estudió variables operativas como relaciones de hojas de yerba mate/solvente, temperatura, amplitud de potencia de ultrasonido, polaridad de solventes seguros o “verdes” (mezclas hidroalcohólicas) sobre el comportamiento de los parámetros cinéticos observados en cada mecanismo. Los principales hallazgos de la investigación permiten obtener un mayor conocimiento del proceso global para lograr resultados deseados a gran escala, adecuados para su aplicación industrial. Se encontró que la variable temperatura influye en la velocidad y concentración inicial, siendo un parámetro relevante para la optimización del consumo de energía en el proceso. Por otro lado, se comprobó que el uso del solvente hidroalcohólico al 50% influye la concentración final de equilibrio sin alterar notablemente la velocidad inicial del proceso de extracción. El estudio del equilibrio de extracción hidroalcohólica de los CPT asistida por EUA indicó que la amplitud de potencia de ultrasonido influye en la constante de partición y por lo tanto en el desplazamiento de la disolución de los compuestos en la fase líquida. Mayores rendimientos se han observado a altas amplitudes de potencia de ultrasonido, lo que confirma la relevancia de la optimización de esta variable para el diseño. El modelo de hinchazón /difusión demostró ser las más adecuada para modelar la cinética de extracción sólido/liquido de los CPT. La ecuación del modelo permite conocer las concentraciones de los CPT en dos etapas individuales hasta alcanzar el equilibrio, y a partir de ello evaluar el mecanismo de mayor concentración del compuesto de interés. En condiciones optimizadas el presente estudio ha demostrado que la técnica EUA mejora la capacidad de recuperación de los CPT a una velocidad razonable con los parámetros operativos de baja temperatura, menor relación de sólido en el solvente, alta amplitud de potencia de ultrasonido y el uso de una mezcla hidroalcohólica al 50%, en contraste con la extracción convencional AE. Además, se ha comprobado el potencial de los EUA para mejorar la extracción acuosa, con la ventaja de ser una tecnología escalable hacia la extracción limpia, ecológica y económica de extractos naturales.

Obtaining phenolic compounds (TPC) from the leaves of Ilex paraguariensis St. Hil., constitutes an alternative process for the competitive industrial production of natural antioxidants that would mean the opening of a market for commercial use and added value to the current herb industry. Among the novel extraction techniques, ultrasound- assisted extraction (UAE) constitutes a simple, economic and ecological technology for the extraction of biologically active, thermolabile and high antioxidant activity components. The main objective of the thesis was to compare the conventional batch extraction by shaking (AE) and the one assisted by ultrasound (EUA) to obtain extracts rich in phenolic compounds, in order to obtain information that allows sizing a transferable industrial production line. to the sector, with maximum use of raw materials and use of solvents. For this, the kinetics of TPC extraction was evaluated using kinetic models applicable to plant matrices with similar characteristics to yerba mate leaves, including first order, second order, two-speed, absorption/desorption, and swelling /diffusion model. Operative variables such as yerba mate leaves/solvent ratios, temperature, ultrasound power amplitude, polarity of safe or “green” solvents (hydroalcoholic mixtures) on the behavior of the kinetic parameters observed in each mechanism were studied. The main research findings allow to obtain a greater knowledge of the global process to achieve desired results on a large scale, suitable for its industrial application. It was found that the temperature variable influences the speed and initial concentration, being a relevant parameter for the optimization of energy consumption in the process. On the other hand, it was verified that the use of the 50% hydroalcoholic solvent influences the final equilibrium concentration without notably altering the initial speed of the extraction process. The study of the balance of hydroalcoholic extraction of CPTs assisted by the USA indicated that the amplitude of ultrasound power influences the partition constant and therefore the displacement of the dissolution of the compounds in the liquid phase. Higher performances have been observed at high ultrasound power amplitudes, confirming the relevance of optimizing this variable for design. The swelling/diffusion model proved to be the most adequate to model the kinetics of solid/liquid extraction of TPC. The model equation makes it possible to know the concentrations of the TPC in two individual stages until equilibrium is reached, and from this to evaluate the mechanism of the highest concentration of the compound of interest. Under optimized conditions, the present study has shown that the EUA technique improves the recovery capacity of CPT at a reasonable rate with the operating parameters of low temperature, lower solid-to-solvent ratio, high power amplitude of ultrasound, and the use of a 50% hydroalcoholic mixture, in contrast to the conventional AE extraction. In addition, the potential of the EUA to improve aqueous extraction has been verified, with the advantage of being a scalable technology towards the clean, ecological and economic extraction of natural extracts.