Obtención de componentes bioactivos de residuos de la industria cafetera mediante disolventes supramoleculares

Resumen

1. Introducción o motivación de la tesis La industria agroalimentaria genera billones de toneladas de subproductos y residuos anualmente. Existe un interés creciente en la valorización de esta biomasa mediante la recuperación de compuestos bioactivos para el desarrollo de alimentos ¨funcionales¨y nutraceúticos. Solamente la industria del café genera alrededor de 2 billones de toneladas de residuos agrícolas anualmente, tales como cascarilla, pulpa, aguas residuales y borras, lo cual representa una amenaza para el medio ambiente. En este ámbito y con el fin de afrontar uno de los grandes retos de la química verde, existe una creciente demanda de desarrollo y aplicación de disolventes alternativos a los disolventes orgánicos convencionales. Se persigue así la finalidad de incrementar el rendimiento en los procesos de extracción y de reducir los costes, toxicidad y el impacto ambiental asociados. Las investigaciones desarrolladas en esta Tesis Doctoral han tenido como objetivo la síntesis y aplicación de disolventes supramoleculares (SUPRAS) para la recuperación de sustancias bioactivas a partir de biomasa procedente de residuos del café. Los SUPRAS son líquidos nanoestructurados producidos en disoluciones coloidales de compuestos anfifílicos a través de un fenómeno espontáneo y secuencial de auto-ensamblaje y coacervación. Hasta la fecha han sido ampliamente empleados en extracciones con fines analíticos [1-4], sin embargo su aplicación en la extracción de compuestos bioactivos de residuos ha sido escasa. En esta Tesis se han desarrollado SUPRAS biocompatibles con el fin de posibilitar su posterior aplicación en la industria alimentaria, farmaceútica o cosmética. Los SUPRAS presentan excelentes propiedades de solubilización así como una fácil implementación operacional (procesos de síntesis y extracción poco costosos y rápidos) para su aplicación procesos de extracción industriales. 2. Contenido de la investigación El contenido de la Memoria de esta Tesis Doctoral se ha estructurado en cuatro Capítulos, precedidos de una Introducción en la que se desarrollan aspectos teóricos y prácticos de interés para la síntesis y aplicación de los SUPRAS en procesos de extracción. Adicionalmente, se presentan los aspectos más relevantes del proceso de producción y transformación del café, los residuos generados y las metodologías actuales para su aprovechamiento. Capítulo 1. Disolventes verdes para la extracción de compuestos con alto valor añadido a partir de residuos agroalimentarios. En la industria agroalimentaria se producen grandes cantidades de subproductos, fracciones no comestibles y residuos de la producción de alimentos, desde la etapa recepción de las materias primas hasta el consumo final. La valorización de esta biomasa para obtener compuestos de alto valor añadido ha sido objeto de múltiples investigaciones en la última década. El uso de técnicas verdes en este ámbito es esencial para reducir los impactos ambientales en la salud y el medio ambiente. En este estudio de revisión se discuten los principales tipos de disolventes verdes empleados hasta la fecha para valorización de residuos y subproductos agroalimentarios y se evalúa su potencial para reemplazar los disolventes orgánicos convencionales, en busca de procesos más sostenibles y menos contaminantes. Se revisa así el uso de fluidos supercríticos, disolventes neotéricos (líquidos iónicos y disolventes eutécticos), bio-disolventes y disolventes supramoleculares. Se analizan los parámetros que afectan la eficiencia de extracción, las ventajas y limitaciones para el escalamiento industrial de cada tipo de solvente. Capítulo 2. Valorización de borras de café mediante la extracción de compuestos bioactivos con disolventes supramoleculares En este estudio se evaluó el potencial de los disolventes supramoleculares (SUPRAS) para la valorización de borras de café, principal residuo de la preparación de la bebida de café. En este trabajo se evaluaron SUPRAS de agregados hexagonales inversos sintetizados con dos anfifilos (ácido decanoico y 1-hexanol) y dos fases hidro-orgánicas (etanol-agua y tetrahidrofurano-agua) en la extracción de compuestos bioactivos a partir de borras de café. El proceso de extracción se optimizó a partir del rendimiento obtenido en la extracción cafeína y ácido clorogénico (5-CGA) y fue óptimo para SUPRAS de 1-hexanol en mezclas de etanol-agua. Los rendimientos de extracción para cafeína y ácido clorogénico fueron de 3.32 mg g−1 y 4.3 mg g−1, respectivamente. En las condiciones óptimas de extracción, se determinó el perfil de compuestos bioactivos empleando cromatografía liquida acoplada a espectrometría de masas en tándem; adicionalmente se evaluó el contenido total en compuestos fenólicos y las propiedades antioxidantes y antimicrobianas de los extractos. Los extractos presentaron una alta capacidad antioxidante por los métodos ABTS, DPPH y FRAP, acordes al alto contenido de polifenoles totales (60.1 mg 5-CGA / mg) y efecto antimicrobiano frente a S. aureus, B. cereus, S. enterica y P. putida. Los SUPRAS presentaron ventajas en términos de rapidez (1 minuto de extracción) y simplicidad del proceso (etapas simples de agitación y centrifugación a temperatura ambiente). Se evitan así los altos costos asociados al requerimiento de altas temperaturas o alta presión que son comunes en extracción con disolventes orgánicos convencionales o fluidos supercríticos. Capítulo 3. Extracción de compuestos bioactivos de pulpa de café empleando disolventes supramoleculares. Se investigó el potencial de los SUPRAS para la extracción de compuestos bioactivos presentes en la pulpa de café, que es uno de los mayores subproductos generado en la transformación primaria por las vías semi-seca y húmeda. Se emplearon SUPRAS de agregados hexagonales inversos de ácido octanoico y decanoico dispersos en mezclas de etanol-agua, producidos espontáneamente a través de auto-ensamblaje y coacervación. Los SUPRAS generados fueron caracterizados en composición y los de ácido octanoico generaron los rendimientos más altos en la extracción de cafeína y ácido protocatéquico (3.6±0.3 mg g-1 y 0.9±0.1 mg g-1, respectivamente). El proceso de extracción implicó una baja relación muestra disolvente (1:4) y operaciones simples (5 minutos de mezclado y 10 minutos de centrifugación a temperatura ambiente). Finalmente, se determinó el perfil de alcaloides y compuestos fenólicos en los extractos de SUPRAS (cromatografía liquida acoplada a espectrometría de masas en tándem) así como las propiedades antioxidantes (45% por DPPH y 91% por ABTS). Se constató también que la eficiencia de extracción empleando SUPRAS fue significativamente superior respecto a la obtenida empleando disolventes orgánicos convencionales, como son metanol, etanol, acetona y acetonitrilo. Capítulo 4. Disolventes supramoleculares para la extracción y pre-tratamiento de aguas residuales de la transformación primaria del café. En este último Capítulo se investigó el uso de los disolventes supramoleculares (SUPRAS) para la recuperación de compuestos bioactivos de aguas residuales del café, un residuo abundante en los métodos de procesamiento por vía húmeda y semi-húmeda. Se emplearon de nuevo SUPRAS de agregados hexagonales inversos de 1-hexanol o ácido decanoico espontáneamente en el agua residual a través de un proceso de auto-ensamblaje. El proceso de extracción se evaluó en condiciones pasivas (sin requerimiento de energía) y generó una recuperación de cafeína entre 53 a 64 mg por litro de agua residual. Los extractos presentaron una buena capacidad antioxidante (52% por el método ABTS) y a cafeína extraída fue estable en los extractos de SUPRAS durante su almacenamiento (4 – 24 ºC durante 2 meses). Adicionalmente, el proceso de extracción con SUPRAS mejoró algunos parámetros de calidad del agua, como la demanda bioquímica de oxígeno, conductividad y sólidos suspendidos totales, por lo cual se consideró que este proceso podría mejorar el tratamiento posterior del agua residual, previo al vertimiento en cuerpos hídricos. Posteriormente, se discuten de forma global y crítica los resultados de esta Tesis, destacando los aspectos más innovadores. Por último, se presentan las conclusiones obtenidas. Finalmente, se incluyen los siguientes anexos: (A) artículos publicados en revistas internacionales derivados de las investigaciones realizadas en esta Tesis (B) Otros artículos científicos y dos capítulos de libro resultados desarrollados como trabajo preliminar o paralelos al desarrollo de la Tesis y relacionados con el aprovechamiento de los residuos del café y (C) contribuciones tipo oral y póster a congresos nacionales e internacionales (pertenecientes a trabajos de los anexos A y B). 3. Conclusión Los SUPRAS presentaron propiedades ventajosas para la recuperación de compuestos bioactivos de residuos agroindustriales. Sus se seleccionaron en base a su uso alimentario con el fin de facilitar su posterior implementación industrial. Los extractos mostraron un alto enriquecimiento en compuestos bioactivos (polifenoles y alcaloides), buenas propiedades antioxidantes y ciertas propiedades antimicrobianas. En general los SUPRAS ofrecieron estrategias de valorización de una alta eficiencia de extracción combinada con un procesamiento rápido (varios minutos), simple (sin energía adicional, simple agitación o incluso sin agitación en muestras líquidas) y barato (por el bajo coste de los reactivos). Estas estrategias simples y baratas abren vías sostenibles para añadir valor a la agrocadena del café en zonas en vía de desarrollo de Colombia. 4. Bibliografía [1] A. Ballesteros-Gomez, M.D. Sicilia, S. Rubio, Supramolecular solvents in the extraction of organic compounds. A review, Anal. Chim. Acta. 677 (2010) 108–130. [2] N. Caballero-Casero, S. García-Fonseca, S. Rubio, Restricted access supramolecular solvents for the simultaneous extraction and cleanup of ochratoxin A in spices subjected to EU regulation, Food Control 88 (2018) 33–39. [4] F.J. López‐Jiménez, M.L. Lunar, M.D. Sicilia, S. Rubio, Supramolecular solvents in the analytical process, Encyclopedia of Analytical Chemistry, American Cancer Society (2014) 1–16. [5] C. Caballo, M.D. Sicilia, S. Rubio, Supramolecular solvents for green chemistry, the application of green solvents in separation processes, Chapter 5, Elsevier (2017) 111–137.