Elaboración De Aceites Esenciales A Partir De Desechos De La Industria Citrícola

ELABORACIÓN DE ACEITES ESENCIALES A PARTIR DE DESECHOS DE LA INDUSTRIA CITRÍCOLA

Tabla de contenido

I.- INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................................

3

II.- Fundamento teórico ..........................................................................................................

4

III.- Aceites esenciales de los cítricos .................................................................

6

IV.- Desarrollo Experimental .............................................................................................

10

V.- Diagrama de flujo. ..........................................................................................................

11

Conclusión.....................................................................................................................................

14

Bibliografía ................................................................................................................................

15

I.- INTRODUCCIÓN

El interés social por la conservación del medio ambiente ha resultado en la aparición de legislaciones ambientales más severas y cambios de política fiscal que buscan impulsar a la industria química y reducir su impacto ambiental. Por tal motivo, está ganando interés la utilización de residuos agroindustriales, como materia prima de bajo costo, para la obtención de productos químicos finos por biotransformación. Esta opción de transformar desechos en nuevas materias primas se perfila como una alternativa atractiva para obtener compuestos que son económica o técnicamente inviables de conseguir por síntesis química tradicional. El

sureste

de

México

es

una

de

las

principales

regiones

productoras de cítricos del país, donde se genera un gran volumen de desechos sólidos de cítricos (cáscara). Este desecho proviene de la obtención de jugos y, normalmente, se envía a tiraderos a suelo

abierto,

por

lo

que

genera

un

problema

serio

de

contaminación. Esta situación hace deseable el aprovechamiento de los

desechos

para

la

generación

de

productos

de

alto

valor

agregado, como la obtención de aceites esenciales que se extraen de las células localizadas en el flavedo (parte externa coloreada de la cáscara) de los frutos cítricos. Los aceites esenciales de cítricos están compuestos en su mayoría por terpenos.

ELABORACIÓN DE ACEITES ESENCIALES A PARTIR DE DESECHOS DE LA INDUSTRIA CITRÍCOLA. II.- Fundamento teórico México al pertenecer al grupo de los países productores líderes en cuanto al cultivo de cítricos, y teniendo en cuenta que una gran parte de su producción se destina a consumo interno, lo convierte en un generador importante de desechos sólidos de cítricos (por ejemplo, de cáscara), ya que alrededor del 50% del fruto corresponde sólo a la cáscara (Rojas et al. 2009). El cultivo de cítricos representa zonas rurales de nuestro país. Se dependen de esta actividad, la que de frutos cítricos, con un valor pesos (ASERCA, 2010).

una fuente importante de ingreso en estima que cerca de 67, 000 familias genera más de 6 millones de toneladas superior a los 8 mil 50 millones de

Este desecho proviene de la industria citrícola, principalmente del procesado de la fruta para la obtención de jugos. Dicho residuo normalmente se envía, como ya quedó dicho, a tiraderos a suelo abierto, lo que genera un problema serio de contaminación. Esta situación hace deseable el aprovechamiento de los residuos citrícolas para la generación de cantidades abundantes de aceites cítricos a bajo costo para usar en procesos biocatalíticos, obteniendo derivados oxigenados de alto valor por sus aplicaciones cosméticas y farmacéuticas En las últimas décadas se han fortalecido mundialmente los procesos biocatalíticos debido a grandes tendencias de la síntesis química actual, como el desarrollo sostenible, la química verde y los procesos ambientalmente benignos. Las diversas industrias que buscan seguir e implementar estas pautas, en su mayoría se encuentran dedicadas a la elaboración continua de productos farmacéuticos, alimenticios y agroindustriales (Bommarius y Riebel, 2004; Pinheiro y Marsaioli, 2007). Entre la diversidad natural de componentes susceptibles de biotransformación se destacan los compuestos poliaromáticos, esteroides, alcaloides, cumarinas y terpenoides. Desde el punto de vista industrial es deseable emplear sustancias de alta biodisponibilidad, económicas y de fácil obtención, por esta razón los monoterpenos son sustratos valiosos para la producción biotecnológica de compuestos aromatizantes y productos farmacéuticos (Giri, et al., 2001). Los monoterpenos son compuestos naturales de cadena ramificada, compuestos de diez carbonos formados de dos unidades isoprénicas. Están ampliamente distribuidos en la naturaleza y cerca de 400 diferentes compuestos naturales han sido identificados.

De manera particular, los derivados oxigenados de los terpenos, comúnmente conocidos como terpenoides tienen fuertes y agradables olores. Muchos de estos terpenoides son considerados como Gras (por sus siglas en inglés, “Generalmente Reconocidos como Seguros”) y cuando son obtenidos de fuentes naturales, pueden ser adicionados a alimentos sin ser considerados como aditivos. Por otro lado, varios monoterpenos disponibles tal como (-)- α-pineno, (-)-β-pineno y (+)-limoneno, son usados en grandes cantidades en la industria química para la conversión en más terpenoides de gran valor (Van der Werf, et al., 1997). Los terpenos pueden ser sometidos a procesos de transformación microbiana con el fin de lograr conversiones a compuestos de interés comercial. La mayoría de estas transformaciones microbianas han sido realizadas sobre monoterpenos, como el limoneno, que es un monoterpeno, componente importante en los aceites de las cáscaras de cítricos. Dicho monoterpeno es susceptible a la oxidación para generar compuestos de interés en la industria farmacéutica, de los alimentos y en la agricultura. Del exocarpo (cáscara) de los cítricos puede extraerse hasta un 95 % del aceite esencial, destacando el monoterpeno limoneno como componente principal del aceite esencial (Ager, 1999; Duetz et al., 2003). El limoneno es ampliamente utilizado como sustrato puro para la síntesis química de otros compuestos ya que es susceptible a la oxidación para generar compuestos de interés en la industria farmacéutica, de los alimentos y en la agricultura, debido a que el limoneno es un candidato ideal para la generación de oxi-derivados. Los

derivados

más

notables

del limoneno por sus aplicaciones son compuestos oxigenados como α -terpineol, alcohol perílico, carveol, carvona y mentol cuyos precios aproximados son hasta 100 veces mayores que el del limoneno (Duetz et al., 2003). Dichos compuestos tienen aplicaciones como quimioterapéuticos, tratamiento contra una gran variedad de cánceres (Xu et al., 2004), insecticida natural (De Carvalho y Da Fonseca, 2006), como saborizantes, en la industria de aromas y perfumes, antifúngico, desinfectante (Tan y Day, 1998; Marostica y Pastore, 2007), entre otras. Representación de la estructura química del limoneno y algunos d e sus  productos oxidados más importantes.

En el Departamento de Investigación en Alimentos de la Universidad Autónoma de Coahuila, se está trabajando en el desarrollo de estrategias de aprovechamiento de monoterpenos a partir de residuos industriales, basadas en el establecimiento de nuevas formas de obtención de lo compuestos, así como en su transformación para su posterior aplicación industrial.

III.- Aceites esenciales de los cítricos Los aceites esenciales se pueden definir como aceites volátiles odoríferos de origen vegetal. Los aceites esenciales son, en su mayor parte, insolubles en agua, solubles en disolventes orgánicos Y varían desde color amarillo o café hasta incoloros. Estos aceites tienen la volatilidad suficiente para destilarse intactos; sin embargo en la mayor parte de los casos también pueden arrastrarse con vapor. Un aceite esencial generalmente es una mezcla de compuestos.

Algunas de las muchas aplicaciones de los aceites esenciales son las siguientes: Aplicación como aromatizantes, alcoholaturas, perfume, Elaboración de un shampoo para cabello, de una crema vinílica con olor para los tableros de los automóviles, de un desengrasante para pisos o alfombras o de una pastilla para baño. El color amarillo o anaranjado de las naranjas en la piel, la pulpa y el zumo se debe a la fracción de carotenoides que tienen. Los carotenoides son una subclase de terpenos (pigmentos) que otorgan el color a muchas frutas y verduras amarillas, naranjas y rojas. El componente más abundante de la corteza de la naranja es el limoneno (95% aproximadamente), que es un hidrocarburo terpénico monocíclico. Los componentes que dan la calidad y aroma son oxigenados, principalmente aldehídos y cetonas, alcoholes y ésteres. Realmente, el aceite esencial de corteza de naranja puede considerarse como una disolución de un 5% de compuestos oxigenados aromáticos en limoneno y otros hidrocarburos. Estos son en su mayoria terpenos y sesquiterpenos. Los aldehídos contribuyen, de modo principal, al aroma típico del aceite esencial. Son importantes el neral y el genarial, cuya mezcla se designaba como citral. Entre las cetonas son interesantes la carvona, la piperona y la nootkatona. Se han encontrado muchos alcoholes alifáticos, saturados e insaturados, como el metanol, n-hexanol, etc. Algunos de estos alcoholes se encuentran también en forma de ésteres fórmicos, acéticos y butíricos. El butirato de etilo parece contribuir mucho al aroma típico de la naranja.

El aceite esencial de naranja se puede obtener de varias maneras:

a) Destilación por arrastre de vapor. Este método produce la cocción de la cáscara y no rompe los sacos oleiféricos que contienen el aceite esencial para lograr arrastrarlo. b) Destilación al vacío. Se obtiene poca cantidad de aceite. c) Extracción por destilación al vacío. Se somete a un proceso de raspado de cáscaras y se produce una emulsión. Se lleva a cabo la destilación  fraccionada y se obtiene un aceite con características organolépticas de baja calidad. d) Extracción por presión. Al aumentar la presión de extracción se destroza la cáscara y se produce una mezcla de esencia con jugo. Si se disminuye la presión, el aceite contenido en los sacos oleiféricos no sale. e) Extracción con éter. Presenta una alta volatilidad, se tiene un costo extra para enfriar el éter, el rendimiento es bajo y el aceite de baja calidad.  f) Extracción con etanol. El agua de enfriamiento es suficiente, se obtiene aceite calidad excelente y las características organolépticas son buenas.

El aceite esencial se posteriores oxidaciones deben ser ingeridos, ni alejados de los niños.

debe guardar en un frasco ámbar, para evitar con la luz y el aire. Los aceites esenciales no aplicados sobre las mucosas y los ojos. Tenerlos Algunos aceites pueden ser irritantes para las

pieles sensitivas (en particular los aceites “picantes”). Entonces es

recomendado no aplicar los aceites puros sobre la piel sino diluidos en aceite vegetal (almendra, avellana). Algunos aceites son fotosensibilizantes (cítricos: naranja, petitgrain). Después de la aplicación de estos aceites, no exponerse al sol. Para extraer aceite de las cáscaras de naranja, se necesita que los frutos hayan alcanzado un grado suficiente de maduración, estén sanos y sean del tamaño adecuado. Muchos factores influyen y afectan las características de las frutas cítricas y por consiguiente, en la composición del aceite esencial, desde las condiciones climáticas en el momento de la cosecha, la estructura y composición del suelo, hasta las prácticas de cultivos entre otras y una vez que se tiene la fruta se puede hacer énfasis en dos factores característicos primordiales que están relacionados y nos pueden afectar; la temperatura y el tiempo, ya que la combinación de ambos nos crean un estado de putrefacción el cual

nos puede formar esporas u otros microorganismos dañinos. No es recomendable almacenar las cáscaras de las frutas cítricas sino tratarlas de inmediato y tenerlas listas para el proceso de extracción. Inmediatamente después de la selección de cáscaras, deben ser lavadas e inmersas en lechada de cal, cuya la acción sobre las substancias pépticas, evita el ataque de microorganismos provocadores de fermentaciones y putrefacciones de las cáscaras. Una vez que se tienen las cáscaras volteadas y debidamente lavadas, se exponen a la luz del sol. Este proceso de secado dura aproximadamente tres días para un secado óptimo entonces se empiezan a moler. Las cáscaras secas y molidas, se recolectan y se colocan en costales. El equipo debe ser lavado con anticipación utilizando vapor e hipoclorito de sodio y enjuagado al final con agua destilada, y entonces se alimenta con el solvente, se colocan los costales homogéneamente en el tanque extractor, y se sella con la tapa del tanque, quedando listo el equipo para comenzar la extracción. Para la selección del solvente para el proceso de extracción, se pueden considerar varios solventes específicos para la extracción de los aceites esenciales de las frutas cítricas, entre los cuales podemos nombrar los siguientes: el éter, el isopropanol, el hexano, el metanol y el etanol. En algunos casos se había utilizado el éter en hojas de naranjo, pero su rendimiento es bajo dado su alta volatilidad. Por lo tanto la utilización de los solventes de este tipo de prácticas, dependerá de la utilización práctica que se le quiera dar al aceite que se va a obtener. El isopropanol, por ejemplo, es recomendado en la fabricación de perfumes debido a sus buenas propiedades aromáticas. El hexano también es un buen solvente en estas extracciones, sin embargo es más tóxico. El solvente recomendado es el etanol potable, por la gran variedad de aplicaciones que se pueden tener, incluso en alimentos. La inconveniencia es que es uno de los más caros. La extracción sólido líquido consiste en la disolución de un componente (o grupo de componentes) que forman parte de un sólido, empleando un disolvente adecuado en el que es insoluble el resto del sólido, que denominará inerte. Para llevar a cabo el proceso es necesario:

* El contacto del disolvente con el sólido a tratar, para disolver el componente soluble, o soluto. * Separación de la disolución y el resto del sólido (con la disolución adherida al mismo).

La disolución separada se denomina flujo superior o extracto; recibiendo el nombre de refinado, flujo inferior o lodos el sólido inerte acompañado de la disolución referida por el mismo. Los dos apartados anteriores constituyen un estadio, etapa o unidad de extracción, que recibe el nombre de ideal o teórica cuando la disolución correspondiente al flujo superior tiene la misma composición que la retenida por el sólido en el flujo inferior. Por otro lado, la operación de destilación utilizada después de la extracción se aplicó porque no se puede llevar a cabo la recuperación del etanol en la columna de extracción. Se recupera en gran medida en la extracción pero se tiene que detener la recuperación para evitar que se quede sin materia el serpentín donde se calienta la mezcla con vapor. En la columna de destilación se logra la pureza deseada del aceite. Este proceso utiliza fases de vapor y liquido, esencialmente a la misma temperatura y presión en las zonas que estas coexisten. Se utiliza el relleno aleatorio u ordenado y las bandejas de platos, para que dos fases entren en contacto intimo. La alimentación que se debe separar en fracciones, se introduce en uno o más puntos a lo largo de la estructura de la columna. Debido a la acción diferente de la fuerza de gravedad entre la fase vapor y liquida, el liquido fluye hacia abajo, cayendo en cascada de plato a plato, mientras que el vapor asciende por la columna, para entrar en contacto con el líquido en cada uno de los platos. El líquido que llega al fondo de la columna se vaporiza parcialmente en un calderin que genera vapor recalentado que asciende por la columna. El resto de líquido se retira como producto de fondo. El vapor que llega a la parte superior de la columna se enfría y condensa como liquido en el condensador superior. Parte de este líquido regresa a la columna como reflujo, para proporcionar un caudal liquido. El resto de la corriente superior se retira como producto destilado. La razón por la cual se usa destilación después de la extracción es porque no se puede llevar a cabo la recuperación del etanol en la columna de extracción. Se recupera en gran medida (30 litros) pero se tiene que detener la recuperación para evitar que se quede sin materia el serpentín donde se calienta la mezcla con vapor. En la columna de destilación se logra la pureza deseada del aceite ya que se logran destilar 1.96 litros más de etanol y finalmente nos quedaron 550ml de aceite en el fondo de la columna. La columna de destilación utilizada tiene instalado un sistema electrónico el cual nos permitió observar perfiles de temperatura con respecto al tiempo gracias a termopares instalados en el fondo, en el domo y en el enfriador. La operación de destilación fue detenida al observar que la temperatura en el domo comenzó a subir, lo cual indica que se está rebasando la temperatura de destilado del etanol.

IV.- Desarrollo Experimental 4.1. Materiales

    

Equipo de arrastre de vapor. Vasos de precipitado. Pipetas. Matraz Erlenmeyer. Secador.

4.2. Reactivos

 

Cáscara de naranja. Etanol 96%.

 4. 3. Pro ce di mi en to

      

Separación de la materia de interés. lavado de la materia prima. Esterilizar la cáscara con cal y retirar el residuo de pulpa. Secado de la cáscara en cámara secado. Selección de aquella que presente las condiciones requeridas. trituración de la cáscara, a malla 5mm. Extracción sólido líquido por arrastre de vapor con alcohol etílico al 96%.

Tomar muestras cada determinado tiempo y medir su concentración con el refractómetro.

V.- Diagrama de flujo. Se lección de la materia de interés

Lavado de la materia prima

Añadir cal

Esterilizado de la cascara

Secado de la cascara en cámara de secado

Selección de materia a las condiciones requeridas

Triturar la cascara a malla 5mm.

Añadir alcohol etílico al 96%

Extracción solido por arrastre de vapor

Retirado de la pulpa

Terminado el proceso de extracción, se da paso a la recuperación del solvente en este mismo equipo. Se logra concentrar aún más la disolución extraída, así como la recuperación de gran parte del solvente utilizado.

Conclusión

No

cabe

duda

que

el

aprovechamiento

de

los

residuos

agroindustriales, en este caso de los provenientes de la industria citrícola,

constituye

una

alternativa

para

solucionar

los

problemas de contaminación que se generan en dicho sector, además de promover la creación de ciencia y tecnología dedicadas a la extracción

de

transformación

los y

aceites

aplicación;

esenciales abriendo

de

para

su

posterior

esta

manera

nuevas

oportunidades de generación de empleos y haciendo a las empresas mexicanas más competitivas.

Bibliografía http://www.postgradoeinvestigacion.uadec.mx/CienciaCierta/CC29/7.html http://fluentesdemexico.com/citricos/ Ager, D. J. (1999). Handbook of Chiral Chemical. Marcel Dekker. New York. pp 435-439. Extracción De Aceite Escencial De Cascara De Naranja. BuenasTareas.com. Recuperado 11, 2010, de http://www.buenastareas.com/ensayos/Extracci%C3%B3n-De-Aceite-Escencial-De-Cascara/1079189.html Aserca. Apoyos y Servicios a la Comercialización Agropecuaria. Revista Claridades Agropecuarias. (2010). Número 197. Enero 2010. Http://www.infoaserca.gob.mx/claridades/revistas/197/ca197-32.pdf  Bommarius, A. S. and Riebel, B. R. (2004). Biocatalysis. Fundamentals and Applications. Wiley-VCH, Weinheim. pp 225-231. De Carvalho, C. C. C. T. and Da Fonseca, M.M.R. (2006). Biotransformation of Terpenes. Biotechnology Advances. 24, 134-142. Duetz, W. A., Bouwmeester, H., and van Beilen, J. B. (2003). Biotransformation of Limonene by Bacteria, Fungi, Yeasts and Plants. Applied Microbiology and Biotechnology. 61, 269 -277. Fao. Food and Agriculture Http://faostat.fao.org/

Organization

of

the

United

Nations.

(2011).

Estudios

estadísticos.

Giri, A., Dhingra, V., Giri, C. C., Singh, A. (2001). Biotransformations Using Plant Cells, Organ Cultures and Enzymes Systems: current trends and future prospects. Biotechnology Advances. 19, 175-199.

Rojas, J. P., Perea, A., Stashenko, E.E. (2009). Obtención de aceites esenciales y pectinas a partir de subproductos de jugos cítricos. Vitae, Revista de la Facultad de Química Farmacéutica. Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia. Vol 16. No. 1. pp 110-115.

Marostica, M. R. and Pastore, G.M. (2007). Production of R-(+)- α-terpineol by the Biotransformation of Limonene from Orange Essential oil, Using Cassava Waste water as Medium. Food Chemistry. 101, 345-350.

Pinheiro, J., and Marsaioli, A. J. (2007). Microbial Monooxygenases Applied to Fragrance Compounds. Journal Molecular Catalyses B: Enzym. 44, 78-86.

Tan, Q., Day, D.F. (1998). Bioconversion of Limonene to Microbiology and Biotechnology. 49, 96-101.

-terpineol by Immobilized Penicillium digitatum. Applied

α

Van der Werf, M. J., de Bont, J. A. M. and Leak, D. J. (1997). Opportunities in microbial Biotransformation of  Monoterpenes. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnoloogy. 55, 149-177.

Xu, M., Floyd, H. S., Greth, S. M., Chang, W-C.L., Lohman, K. (2004). Perillyl Alcohol-mediated Inhibition of Lung Cancer Cell Line Proliferation: Potential Mechanisms for its Chemotherapeutic Effects. Toxicology Applied and Pharmacology. 195, 232-246.