Actualmente, la investigación científica y tecnológica en el mundo ha asumido un papel fundamental en la generación, aplicación y evolución de los procesos para el aprovechamiento y uso de los distintos productos naturales provenientes de las plantas. Los procesos de extracción han permitido que los extractos naturales y compuestos bioactivos se puedan utilizar en la industria alimenticia, farmacéutica, nutracéutica y cosmética.
En años recientes, la ideología y conciencia por los productos de origen natural (pigmentos, bioactivos y/o compuestos fitoquímicos) ha crecido, lo que ha llevado a un aumento en su demanda y consumo, estimándose que para 2024, el valor del mercado de compuestos nutracéuticos sea de 860 mil millones de pesos mexicanos. Lo anterior ha inducido a explorar y desarrollar nuevos métodos de extracción de dichos compuestos, con un mayor grado de eficiencia, seguridad e inocuos.
Alternativa: La extracción por fluidos supercríticos
La técnica de extracción por fluidos supercríticos ha tenido relevancia en la aplicación de la obtención de los productos naturales bajo el concepto de tecnología verde. Este método promete revolucionar los procesos de extracción, ya que ha mostrado ser amigable con el medio ambiente por ser un proceso no tóxico, seguro para la salud y por mantener la integridad y calidad de los metabolitos de interés. En este artículo, describimos su uso y la aplicación de fluidos supercríticos en los procesos de extracción para la obtención de productos naturales de alta calidad.
Como su nombre lo indica, la extracción por fluidos supercríticos (EFS) es un proceso que utiliza un fluido supercrítico como agente de extracción. El fluido supercrítico es una sustancia que se encuentra en condiciones termodinámicas de presión y temperatura críticas, bajo estas condiciones, la sustancia o fluido se difunde como un gas a través de los sólidos, pero a su vez, se comporta como líquido con la capacidad de disolver y arrastrar los constituyentes presentes en la materia prima.
La capacidad de solvatación de un fluido supercrítico radica en función de la densidad de la sustancia, la cual se puede modificar incrementando o reduciendo la presión o temperatura. En condiciones críticas de Temperatura (Tc) y Presión (Pc), se presentan fenómenos y propiedades específicas. Por ejemplo, si elevamos la temperatura, la densidad de una sustancia tiende a reducir y cuando se eleva la presión de un gas, su densidad se incrementa, pero cuando se encuentran en condiciones supercríticas, ese comportamiento sigue siendo el mismo. Para entender este proceso, es necesario comprender y analizar el diagrama de fases de un fluido supercrítico, en el cual se muestran los estados de la materia que se pueden tener al combinar presión y temperatura (Figura 1). El punto donde los tres estados coexisten (sólido, líquido y gaseoso), se conoce como el punto triple. El punto o estado crítico, corresponde a la condición donde se comienza a perder el equilibrio y también pertenece al punto donde pueden coexistir las diferentes fases de la sustancia.
Es evidente que la gama de disolventes que se pueden emplear en la extracción por fluidos supercríticos es limitada y, más aún, cuando se habla de productos de origen natural, los cuales suelen ser sensibles a la degradación por temperatura o disolventes, o están limitados a ser utilizados debido a su efecto toxicológico. En el cuadro siguiente se presentan algunas sustancias usadas en la extracción de fluidos supercríticos y sus condiciones críticas de Tc y Pc. De estos compuestos, el más empleado para la extracción de productos naturales es el dióxido de carbono (CO2), debido a que se considera el fluido supercrítico ideal por su costo, es no inflamable, no tóxico, no contamina y está disponible en grandes cantidades.
El CO2 alcanza sus condiciones críticas a condiciones relativamente fáciles (Tc = 31.1 °C y Pc = 73.8 bar), además, puede ser recirculado y reutilizado. En la actualidad, las aplicaciones de los fluidos supercríticos no solo son para la extracción, sino que también pueden emplearse en reacciones catalíticas, limpieza de procesos y en procesamiento de polímeros o semiconductores.
Figura 1. Diagrama de fases de una sustancia, en la que se señala el punto crítico.
Disolventes usados en procesos de fluidos críticos
Variables presentes en la extracción por fluidos supercríticos
El diseño de los sistemas de extracción por fluidos supercríticos es relativamente simple, aun cuando es un proceso presurizado, se debe poner atención a su funcionamiento para evitar accidentes. Su operación y buen funcionamiento requiere de una serie de variables que se deben tener presentes para la optimización del proceso. Entre los parámetros se encuentran: presión, temperatura, densidad del solvente, fuerza de penetración, transferencia de masa, difusividad, viscosidad, flujo del solvente, tiempo y volumen (Figura 2).
Adicionalmente, se deben tener contemplados algunos factores ajenos al funcionamiento del equipo como son: cualidades y propiedades de la materia prima (tamaño de partícula, forma, porosidad, tipo y característica de la matriz, porcentaje de humedad, etc.). Asimismo, es importante definir las condiciones de operación del equipo, siempre contemplando la matriz de extracción y el producto de interés.
Figura 2. Esquema del sistema para el proceso de extracción por fluidos supercríticos.
Tipos de extracción por fluidos supercríticos
El desarrollo de la EFS se puede realizar de forma estática o dinámica. La forma estática consiste en mantener presurizada y aislada la cámara de extracción por un tiempo determinado y al final el sistema se abre para colectar el extracto. Entre sus ventajas está que se logra una mejor penetración e impregnación en la matriz, favoreciendo la saturación y el equilibrio de reparto incrementando el rendimiento de extracción.
En cuanto a la extracción dinámica, el sistema se encuentra abierto, el solvente es alimentado de forma continua hasta concluir el proceso. Este método ayuda a mantener una saturación apropiada, beneficiando la recuperación y reduciendo los tiempos de proceso, pero hace uso de mayores cantidades del fluido.
La técnica de fluidos supercríticos es altamente eficiente para la extracción de compuestos no polares, lo cual también se había convertido en una de sus limitaciones, pero ahora se conoce que se pueden adicionar pequeñas cantidades de un co-disolvente o modificador, el cual permite alterar la polaridad del disolvente induciendo cambios en sus propiedades de afinidad lo que eleva su capacidad de disolver.
Co-disolventes
Los co-disolventes también conocidos como modificadores o segundo disolvente, son sustancias que se emplean para modificar el intervalo de polaridad del fluido supercrítico. Entre los disolventes usados como modificadores se encuentran el etanol, metanol, n-hexano, agua, entre otros, siendo el etanol el de mayor uso. Los procesos donde se ocupan los modificadores para la extracción de metabolitos de interés cada día son más comunes.
La técnica de EFS tradicionalmente se ha utilizado para matrices sólidas, aunque también es posible utilizarla en matrices líquidas. Esta técnica se emplea para la obtención de metabolitos de interés de aceites esenciales, caldos de fermentación, jugos concentrados de frutas o vegetales, entre otros.
Aplicaciones de la extracción con EFS
Las primeras aplicaciones que tuvo la EFS fue para descafeinar café (Figura 3), pero también se aplica para la extracción de la teobromina de la cáscara del cacao, o para la eliminación de los compuestos responsables del sabor amargo de las cervezas. Asimismo, se ha utilizado para el procesamiento de residuos petroleros o el saneamiento de áreas contaminadas y en procesos catalíticos.
En la actualidad, la demanda de productos naturales se ha incrementado, por lo que el uso de la EFS se ha optimizado para el aprovechamiento de los recursos biológicos con actividades benéficas para la salud, principalmente provenientes de plantas. Los compuestos presentes en los aceites esenciales u oleorresinas obtenidas por la EFS, son ácidos grasos insaturados, triacilglicéridos, flavonoides, terpenos, terpenoides, esteroides, triterpenos, fenantrenos, alcaloides, hidratos de carbono, fitoesteroles, tocoferoles, compuestos fenólicos, polisacáridos, entre otras biomoléculas que estén presentes en la materia prima.
La EFS es una técnica que está revolucionando la forma en que se obtienen los productos naturales. Su aplicación se encuentra en pleno crecimiento y cada día más sectores la integran en sus sistemas productivos, de ahí el interés de dar a conocer este método de extracción por fluidos supercríticos, la cual podemos considerarla una alternativa verde para la obtención de productos naturales.
Agradecimientos:
Al COPOCYT-Fondo Fideicomiso 23871, por el apoyo otorgado.
Para Saber Más:
Domínguez L. y Parzanese M. (2010). Tecnologías para la industria alimentaria fluidos supercríticos- Ficha No. 1. Alimentos Argentinos-MinAgri.
http://www.alimentosargentinos.gob.ar/contenido/sectores/tecnologia/Ficha_01_Fluidos.pdf
Pico-Hernández S.M., Jaimes-Estévez J., López-Giraldo L., Murillo-Méndez C.J. (2019). Extracción supercrítica de compuestos bioactivos de la cascara de cacao: estudio de los principales parámetros. Rev. Fac. Ing. Univ., (91), 95-105.
http://www.scielo.org.co/pdf/rfiua/n91/2357-53280-rfiua-91-00095.pdf
Román M.A.P., Rivera C.M.N., Cardona L.M.B., Muñoz L.M., Gómez D.D., Passaro C.C., Quiceno J.M.R. (2016). Guía de extracción por fluidos supercríticos: fundamentos y aplicaciones. Sena, Rionegro-Antioquia, 1-48.
Abrahám Heriberto García Campoy
Doctor en Nanociencias y Micronanotecnologías por el Instituto Politécnico Nacional, cuenta con 12 artículos indexados, pertenece al Sistema Nacional de Investigadores nivel candidato. Fue galardonado con el Premio al Mejor Desempeño Académico ciclo escolar 2018-2019 por el IPN. En los últimos años, ha trabajado en el área de bionanotecnología, fusionando las bondades de los metabolitos secundarios con los nanomateriales para el cuidado de la salud. Actualmente realiza una estancia posdoctoral en el Laboratorio Proteómica y Biomedicina Molecular en la División de Biología Molecular en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT).
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Ana Paulina Barba de la Rosa
Doctora en Biotecnología Vegetal por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Unidad Irapuato. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores nivel 3 y ha formado un grupo de investigación en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT), donde trabaja desde hace 20 años.
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