Identification of the effect of entrainers (triolein or ethanol) on the carotenoids extraction from red paprika (Capsicum annuum L.) using supercritical carbon dioxide (SC-CO2)

Los pigmentos carotenoides son usados como colorantes en productos alimenticios y son reconocidos por sus propiedades antioxidantes, que ayudan a la prevención de diversas enfermedades. Los carotenoides han sido tradicionalmente extraídos con solventes orgánicos, los que actualmente se encuentran cuestionados por organismos regulatorios internacionales, debido a que la presencia de trazas de solvente en el substrato agotado y extracto puede ser perjudicial para la salud humana. Por otro lado, la tendencia actual de los consumidores por preferir productos naturales con propiedades nutraceúticas ha incrementado el interés de efectuar la extracción de componentes bioactivos a partir de substratos naturales a nivel industrial, por parte de las industrias farmacéuticas y de alimentos.La extracción de carotenoides a partir de substratos vegetales usando dióxido de carbono SuperCrítico (CO2-SC) puede ser una alternativa viable para obtener colorantes naturales, que preserven sus funciones nutraceúticas, en reemplazo de colorantes artificiales, o con presencia de solventes orgánicos. La viabilidad de la extracción de carotenoides con CO2- SC presenta una importante limitación; la baja solubilidad de carotenoides en el CO2-SC, que conlleva a la obtención de bajos rendimientos de extracción. Esta limitación, sumado al costo de presurización del CO2 líquido sobre su presión crítica, hacen que el proceso de extracción a nivel comercial sea poco rentable para que las industrias inviertan en esta tecnología de extracción. La adición de una pequeña cantidad de otro fluido al CO2-SC, llamado agente de arrastre podría incrementar la solubilidad de solutos de interés. El potencial uso de aceite vegetal como agente de arrastre en la extracción de solutos con propiedades nutraceúticas como carotenoides, incrementaría tanto la solubilidad y rendimiento de extracción en el CO2-SC, este incremento sería debido a efectos modificador y/o co-solvente ejercidos por parte del aceite vegetal.La hipótesis de este trabajo indica que es posible distinguir entre las dos funciones de un agente de arrastre (lípido o etanol) cuando es adicionado al CO2-SC: como un co-solvente, mejorando la solubilidad de un soluto específico y/o como un modificador, cambiando parámetros relacionados con la matriz del substrato. Con el fin de explicar estos fenómenos, es posible separar ambos efectos midiendo la solubilidad termodinámica de carotenoides puros en CO2-SC (sistemas binarios) y mezclas de carotenoides puros en CO2- SC usando un lípido o etanol como agente de arrastre (sistemas ternarios) y comparando estos sistemas con la solubilidad aparente de carotenoides en CO2-SC puro como en presencia de un lípido o etanol en una matriz compleja de pimentón rojo (Capsicum annuum L.).El objetivo fundamental de esta tesis es contribuir en un mejor entendimiento del efecto de la adición de un agente de arrastre (lípido o etanol) sobre la extracción de carotenoides de pimentón rojo (Capsicum annuum L.) usando CO2-SC y clarificar si este efecto se basa en cambios en la solubilidad termodinámica (efecto co-solvente e independiente de la matriz) y/o solubilidad aparente (efecto modificador, relacionado con la matriz). Se midió la solubilidad termodinámica de los sistemas binario (CO2-SC + !-caroteno) y ternarios ((CO2-SC + !-caroteno + trioleína) y (CO2-SC + !-caroteno + etanol)) en función de la presión (P) de 17 MPa a 34 MPa y temperaturas (T) de 313 K, 323, K, y 333 K. El !- caroteno fue seleccionado para validar el sistema experimental debido a la extensa información experimental existente en literatura. La elección de evaluar el efecto de etanol y trioleína como agentes de arrastre, radicó en que estos compuestos pertenecen a la categoría GRAS (Generally Recognized as Safe), de importancia para ingredientes a utilizaren las industrias de alimentos y farmacéutica. Además, como el propósito es estudiar el efecto del uso de aceites vegetales como potenciales agentes de arrastre, se seleccionó trioleína debido a que es un triglicérido representativo de muchos de estos aceites. La transformación de una metodología estática- a dinámica- analítica con recirculación de la fase supercrítica, redujo el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio en el sistema de 12 a 8 h, e incrementó la reproducibilidad de las mediciones experimentales. La solubilidad de !-caroteno en CO2-SC alcanzó un rango de 0,17 a 1,09 μmol/mol. Las tres isotermas presentaron una dependencia con la P (sobre 17 MPa) la cual incrementó la solubilidad. El efecto de la T sobre la solubilidad dependió de la presencia de un punto de entrecruzamiento predicho entre 15,7 MPa y 17,3 MPa. Sobre 17,3 MPa la solubilidad incrementó con la T, mientras que la solubilidad disminuyó con T a P bajo 15,7 MPa. Los trabajos en literatura reportan solubilidad de !-caroteno en CO2-SC similar a lo informado en este trabajo; validando así el sistema y metodología experimental.La solubilidad de !-caroteno en CO2-SC alcanzó un valor máximo de 1,845 μmol/mol a 333 K y 33 MPa usando contenidos de etanol entre 1,171 a 1,563!10-2 mol/mol; incrementando así en un factor de 3 la solubilidad de !-caroteno en comparación con CO2- SC puro. Similarmente, la solubilidad de !-caroteno en CO2-SC incrementó en un factor de 4 en comparación con CO2-SC puro (siendo 3,3 μmol/mol la solubilidad máxima de !- caroteno, a 333 K y 32 MPa), usando contenidos de trioleína entre 0,008 a 0,387 mmol/mol. La solubilidad de trioleína en el sistema ternario (CO2-SC + !-caroteno + trioleína) presentó desviaciones entre ± 0,1 mmol/mol en comparación con valores de solubilidad en sistemas binarios (CO2-SC + trioleína) reportados en literatura, indicando que el !-caroteno no afectó la solubilidad de trioleína, en cambio, la trioleína incrementó la solubilidad de !- caroteno, debido a que es más soluble en CO2 que el !-caroteno. Este incremento en la solubilidad de !-caroteno en CO2-SC fue inducido por un efecto co-solvente, tanto del etanol como de la trioleína. La mejora en solubilidad de !-caroteno, en presencia de etanol presentó una baja dependencia con la T y P de equilibrio, mientras que en presencia de trioleína la solubilidad de !-caroteno presentó un marcado incremento con la P de equilibrio, concluyendo que la mejora en solubilidad del efecto co-solvente depende del tipo de co-solvente y su concentración.Según lo reportado en literatura, el incremento de solubilidad en CO2-SC inducido por la presencia de un co-solvente sería en parte atribuido a un incremento en la densidad (!) de la mezcla del CO2-SC y co-solvente, sin embargo, la ! de CO2-SC en presencia de etanol y trioleína estimada bajo similares condiciones experimentales de T y P usando la ecuación de estado de Peng-Robinson (PR-EoS) con reglas de mezclado cuadráticas, incrementó un máximo de 2,92 y 0,31% para etanol y trioleína, respectivamente, en comparación con la ! de CO2-SC puro. Estos resultados sugieren que el elevado incremento en la solubilidad de !-caroteno en CO2-SC no depende de un incremento en la ! del CO2 asociado con la disolución de etanol o trioleína en la fase supercrítica. Por otro lado, el efecto co-solvente sobre la solubilidad de !-caroteno fue mayor en presencia de trioleína que de etanol, incluso usando un menor contenido de trioleína que etanol. Esto puede deberse a la preferencia por parte del !-caroteno por generar interacciones no-polar con la trioleína, lo cual favorece la disolución de !-caroteno en CO2-SC, comparado con interacciones polares entre !-caroteno y etanol. La presencia de trioleína también incrementaría la polarizabilidad del CO2, fenómeno al cual se atribuiría el incremento en solubilidad, comportamiento anteriormente observado para otros co-solventes no-polares.Con el fin de estudiar el efecto de trioleína sobre la solubilidad termodinámica de capsantina (principal carotenoide del pimentón rojo), aislada de hojuelas de pimentón rojo (Capsicum annuum L.) extruídas, se realizaron mediciones a P de 19 MPa a 34 MPa y T de 313 K ó 333 K, para ambos sistemas, binario (CO2-SC + capsantina) y ternario (CO2-SC + capsantina + trioleína). La solubilidad de capsantina en el sistema binario incrementó con la P (19 MPa a 34 MPa) y T (313 K a 333 K), alcanzando un valor un máximo de 1,97 μmol/mol a 32 MPa y 333 K. En el sistema ternario, el contenido de trioleína medido experimentalmente alcanzó un rango de 0,156 a 0,41 mmol/mol, el cual incrementó la solubilidad de capsantina en un factor de 3 en comparación con CO2-SC puro, alcanzando un valor máximo de 5,27 μmol/mol a 333 K y 32 MPa.El contenido de trioleína resultó ser equivalente a su solubilidad en el sistema binario (CO2- SC + trioleína) reportada en la literatura, y comparable, con los resultados obtenidos en el sistema ternario (CO2-SC + !-caroteno + trioleína), medidos bajo similares condiciones de equilibrio. El efecto co-solvente de trioleína sobre capsantina, también fue observado para !-caroteno, dónde la solubilidad del compuesto más soluble (trioleína) permaneció constante, mientras que la solubilidad del compuesto menos soluble (capsantina o !- caroteno) incrementó debido al efecto co-solvente exhibido por la trioleína. Según lo discutido para !-caroteno, un leve incremento en la densidad del CO2-SC en presencia de trioleína no podría explicar el gran incremento en la solubilidad de capsantina. El efecto cosolvente de trioleína sobre la capsantina, podría ser atribuido a las interacciones no-polares entre las tres cadenas de 18-carbonos del ácido graso (oleico) que conforman parte de la trioleína y la cadena de 22-carbonos no-polares que conforman el esqueleto de los carotonoides. Además, del posible incremento en la polarizabilidad del CO2 causado por la trioleína, la cual es aproximadamente 40 veces mayor que la polarizabilidad del CO2, lo cual podría incrementar la solubilidad de carotenoides en el sistema ternario.