Cinética de la extracción de pectina obtenida del bagazo de sábila (Aloe barbadensis Mill)

Danibett Ramírez Hernández; María Moreno Quintero; Caridad Curbelo Hernández; Lourdes Crespo Zafra

Cinética de la extracción de pectina obtenida del bagazo de sábila (Aloe barbadensis Mill.)

PRODUCTOS NATURALES

Cinética de la extracción de pectina obtenida del bagazo de sábila (Aloe barbadensis Mill)

Kinetics of the pectin extraction from aloe vera bagasse (aloe barbadensisMill)

Danibett Ramírez Hernández,^I,III María Moreno Quintero,^I Caridad Curbelo Hernández,^II Lourdes Crespo Zafra^III

^I Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda. Falcón, Venezuela.
^II Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echevarría". La Habana, Cuba.
^III Universidad de Camagüey "Ignacio Agramonte Loynaz". Camagüey, Cuba.

RESUMEN

Objetivo: evaluar la cinética del proceso de extracción de pectina a partir del bagazo de sábila mediante hidrólisis ácida.
Métodos: se aplicó la técnica de hidrolisis ácida a escala de laboratorio para extraer pectina del bagazo de sábila. La cinética fue estudiada a tres temperaturas (70, 80, 90 °C). A cada corrida experimental se le asignó un tiempo previamente definido: 15, 30, 60, 90 y 120 minutos. Como variable respuesta se definió la concentración de pectina en la fase líquida (g/mL). Los valores de concentración para cada tiempo fueron ajustados a la ecuación básica de lixiviación y los resultados de la constante cinética (k), y concentración de saturación del solvente (Cs) fueron determinados haciendo uso del Microsoft EXCEL. Se estimó la energía de activación a partir de la ecuación de Arrhenius.
Resultados: la mejor extracción ocurrió a la temperatura de 90 °C y la mayor cantidad de pectina se obtuvo en un tiempo de 60 minutos. El valor de la energía de activación se es de 43,09 kJ/mol.
Conclusiones: la cinética de la lixiviación del bagazo de sábila cumple con un modelo de primer orden. La extracción de pectina con ácido clorhídrico es de naturaleza química, es decir, existe una interacción química entre el soluto y el disolvente.

Palabras clave: cinética; extracción de pectina; bagazo de sábila.

ABSTRACT

Objective: To assess the kinetics of the pectin extraction process based on aloe vera by using acid hydrolysis.
Methods: the acid hydrolysis technique was applied on a lab scale in order to extract pectin from aloe vera bagasse. Kinetics was measured at three different temperatures (70, 80 and 90°C). Each experimental run was given a previously set time, that is, 15, 30, 60, 90 and 120 min. Pectin concentration in liquid phase was taken as the response variable (g/mL). The concentration values for each time were set to fit into the basic lixiviation equation and the kinetics constant (k) results, as well as the solvent saturation concentration (Cs) were then calculated by using Microsoft EXCEL. Activation energy was estimated by means of Arrhenius equation.
Results: The best temperature for the extraction process was 90°C. The largest amount of pectin was obtained in 60 minutes. The value for the activation energy was 43.09 kJ/mol.
Conclusions: Aloe vera bagasse lixiviation kinetics meets the highest order model. Pectin extraction with hydrochloric acid is of chemical nature, that is to say, there is a chemical interaction between the solute and the solvent.

Keywords: kinetics; pectin extraction; aloe vera bagasse.

INTRODUCCIÓN

Las pectinas, son productos considerados de alto valor agregado, son ampliamente usadas como ingredientes funcionales en la industria de los alimentos y como fuente de fibra dietética, debido a su capacidad gelificante.^1,2 Aunque las pectinas se encuentran ampliamente distribuidas en el reino vegetal, incluyendo los desechos orgánicos,³ tradicionalmente, la industria utiliza pulpa de manzana y cáscaras de cítricos, principalmente de limón y naranja, como materia prima para producirla. El consumo mundial de pectina está constantemente en aumento, sobrepasando las 20 000 toneladas anuales, siendo Estados Unidos, Dinamarca y Alemania los principales países productores de pectina comercial.⁴

Esta demanda de pectina hace que la búsqueda de materias primas potenciales sea una tarea constante para la ciencia y la industria. Específicamente en aquellos países con alto consumo y niveles elevados de importación de este producto comercial, se evaluan cultivos tradicionalmente no utilizados, así como los residuos generados del procesamiento de frutas y vegetales.⁴ Un ejemplo se tiene en el procesamiento de las hojas de sábila. Al llevarse a cabo la molienda de la pulpa se obtienen grandes volúmenes de un residuo denominado bagazo, el mismo constituye un recurso económico para la obtención de este componente de amplio uso en las industrias alimentaria y farmacéutica.⁵

La extracción de solutos valiosos, como la pectina, a partir de residuos agroindustriales constituye un proceso de transferencia de masa sólido-líquido, de tal manera que cuando se ponen en contacto estas dos fases que tienen diferente composición, los componentes de la fase sólida pueden separarse por disolución selectiva de la parte soluble con un disolvente adecuado. Esta operación se conoce también como lixiviación. El sólido debe estar finamente dividido para que el disolvente líquido pueda hacer un mejor contacto con el material. Por lo general, el componente deseable es soluble, mientras que el resto del sólido es insoluble.^6,7

En este sentido, el objetivo de la presente investigación está dirigido a evaluar la cinética del proceso de extracción de pectina a partir del bagazo de sábila, aspecto importante para el diseño de los reactores correspondientes, así como establecer las condiciones de operación de dicho proceso.

MÉTODOS

La materia prima utilizada en este estudio fue el bagazo generado como desecho en una industria productora de jugos de sábila en el estado Falcón, Venezuela, la cual procesa las hojas de esta planta provenientes de diferentes sembradíos ubicados en el estado.

El estudio cinético fue realizado a escala de laboratorio bajo las mejores condiciones de extracción, a tres temperaturas (70, 80, 90 °C). A cada corrida experimental se le asignó un tiempo previamente definido: 15, 30, 60, 90 y 120 minutos siguiendo el procedimiento descrito a continuación:

1. Se pesaron muestras de 5 g de bagazo previamente tratado y se sometieron a una hidrólisis ácida, en solución diluida de ácido clorhídrico, cuyas condiciones experimentales se presentan en la tabla 1.

2. Se separó el sólido del líquido utilizando una bolsa de tela (filtro convencional para café) y se realizó un prensado manual (se ejerce presión con las manos) a fin de obtener la mayor cantidad de líquido posible, el sólido se desechó.

3. Se adicionó el agente precipitante (etanol absoluto) en proporción 1:1,5 v/v, respecto al volumen de líquido obtenido, con el fin de que precipitara la pectina y se dejó reposar durante 4 horas.

4. Se separó la pectina precipitada del alcohol mediante un filtro de tela similar al usado anteriormente.

5. Se lavó la pectina con alcohol absoluto para retirar iones y mejorar el color. La cantidad del alcohol utilizada fue suficiente para cubrir la pectina en el filtro.

6. La pectina obtenida se secó a una temperatura de 40°C durante 4 horas, y así obtener pectina sólida que luego se pesó.

Como variable respuesta se definió la concentración de pectina en el líquido (g/mL). Los valores de concentración para cada tiempo fueron ajustados a la ecuación básica de lixiviación (ecuación 1).⁸

donde: C: concentración pectina en la solución para un tiempo t (g/mL), Cs: concentración de saturación del solvente (g/mL), k: constante cinética de la velocidad de extracción (min-1), t: tiempo de extracción (min).

Los valores de la constante cinética (k), y concentración de saturación del solvente (Cs) fueron determinados haciendo uso del Microsoft EXCEL.

Para determinar la naturaleza del proceso de extracción de pectina fue necesario evaluar la dependencia de la constante cinética de la velocidad de extracción con la temperatura, conociendo que cumplía con la ecuación de Arrhenius (ecuación 2)

donde: k₀ es el factor pre-exponencial de frecuencia (min-1), Ea: energía de activación (kJ/mol), R: constante universal de los gases (8,31 J/mol K), T: temperatura (K).

En este sentido se realizaron experiencias a diferentes temperaturas, para determinar Ea a partir de la representación lineal de la ecuación de Arrhenius en su forma logarítmica: (ecuación 3)

A partir de la pendiente se calculó el valor de Ea. Una vez determinada la energía de activación se estableció la naturaleza de la lixiviación del bagazo de sábila para la extracción de pectina. Cuyo valor indica, si el proceso es controlado por la transferencia de masa o por reacción química ⁹ en función de lo siguiente:

E_a<12 kJ/mol el proceso es controlado por la difusión

E_a>40 kJ/mol el proceso es controlado por la reacción química

RESULTADOS

La cantidad de pectina extraída del bagazo de sábila a cada temperatura estudiada se presenta en la tabla 2. Los datos experimentales fueron ajustados según la ecuación 1.

La figura 1 muestra el comportamiento de la cinética de la lixiviación del bagazo de sábila a 70, 80 y 90 °C.

Para evaluar los parámetros de la ecuación 1 fue necesario linealizarla, quedando de la siguiente forma:

A partir de los datos experimentales para cada temperatura y haciendo uso del Microsoft EXCEL fueron determinados los valores de k y Cs. (Tabla 3)

Mediante el Microsoft EXCEL se obtuvo el gráfico de lnk vs 1/T (figura 2).

Asignando a la ordenada y abscisa de la figura 2 las variables correspondientes se obtuvo:

Y a partir de la pendiente se obtuvo el valor de la energía de activación (Ea), resultando:

DISCUSIÓN

El tratamiento matemático del proceso de lixiviación resulta complejo, debido a su carácter multicomponente y no estacionario,¹⁰ sin embargo, varios autores coinciden en un modelo para describirla y la califican como la ecuación básica de la lixiviación.¹¹ Por tanto, es posible suponer que la ecuación 1 que implica un mecanismo de primer orden, puede representar la cinética de la lixiviación de productos naturales de forma adecuada, corroborado por Rodríguez y Curbelo⁸ en sus estudios sobre la lixiviación de la corteza del mangle rojo en agua.

De acuerdo con estos resultados, la cinética de la lixiviación de pectina del bagazo de sábila cumple con un modelo de primer orden; similar resultado obtuvieron Galeas¹²y Aguilar y Canizales¹³ cuando estudiaron la hidrólisis ácida de la corteza de limón variedad Tahití y de cascarilla de cebada respectivamente.

En la medida que se incrementa la temperatura la extracción de pectina se favorece, lo cual se corresponde con los resultados reportados por otros investigadores,^8,10,12 alcanzando un límite de tiempo en el que la concentración es máxima y después disminuye, con lo cual se determina la frontera entre dos fases de extracción la solubilización de la protopectina y la descomposición de la pectina soluble.¹² En la curva generada para la temperatura de 90 °C la mayor cantidad de pectina se obtuvo en un tiempo de 60 minutos, siendo este el resultado esperado de acuerdo con Moreno.⁵

A medida que se incrementa la temperatura, la constante cinética de la velocidad de extracción aumenta.^8,14 Del mismo modo se observa un buen grado de ajuste de la ecuación, siendo en todos los casos el coeficiente de determinación (R²) superior al 95 %.

El valor de la energía de activación se corresponde con un valor de 43,09 kJ/mol, que según Habashi⁹ al ser mayor que 40 kJ/mol indica que la extracción de pectina con HCl es de naturaleza química, es decir, existe una interacción química entre el soluto y el disolvente. No obstante, por estar el valor de la energía de activación relativamente cercano al límite que establece la ocurrencia de fenómenos difusionales y de reacción química (12-40 kJ/mol), puede considerarse también los efectos difusionales. Además, con un valor del coeficiente de determinación (R²) igual a 0,981, se considera un buen grado de ajuste de la dependencia de la constante cinética (k) con la temperatura.

La cinética de la lixiviación de pectina del bagazo de sábila cumple con un modelo de primer orden. La extracción de pectina con HCl es de naturaleza química, es decir, existe una interacción química entre el soluto y el disolvente.

AGRADECIMIENTOS

Al convenio Cuba-Venezuela, por auspiciar la Maestría en Análisis de Procesos en la Industria Química de la Universidad de Camagüey "Ignacio Agramonte Loynaz".

CONFLICTO DE INTERESES

No declarado por los autores

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Recibido: 13 de enero de 2016
Aprobado: 5 de marzo de 2016

Danibett Ramírez Hernández. Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda. Av. Rafael González. Sector universitario. Complejo académico El Sabino. Falcón, Venezuela. Telefono:(+58)2692479033. Dirección electrónica: danibettrh879@gmail.com, mariumoreno@gmail.com

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