Antioxidantes naturales a partir de fuentes residuales

La tendencia generalizada a la sustitución de aditivos sintéticos por otros de origen natural que los consumidores perciben como una alternativa más segura y saludable, unido a diversos resultados que ponen en duda la seguridad de determinados antioxidantes sintéticos, ha incentivado la búsqueda de nuevas fuentes naturales que permitan la obtención de compuestos antioxidantes.

Los residuos de origen agroindustrial y forestal, cuya eliminación supone en muchos casos un problema medioambiental, además de un coste adicional, pueden ser fuentes económicas y fácilmente disponibles de compuestos antioxidantes.

El proceso seguido: etapas de extracción, concentración y/o purificación, para la obtención de estos aditivos naturales posee gran influencia en el rendimiento, la composición y las propiedades de los productos obtenidos. Asimismo, desde un punto de vista industrial, ambiental y toxicológico es importante promover el desarrollo de procesos de bajo impacto ambiental bajo la perspectiva de la sostenibilidad.  La recuperación y/o fraccionamiento de compuestos antioxidantes presentes en extractos acuosos o en efluentes industriales puede llevarse a cabo eficazmente mediante la tecnología de membranas, pues esta técnica representa una alternativa a los procesos convencionales de concentración de compuestos activos presentes en medios líquidos.

Antioxidantes naturales

Numerosos estudios confirman la importancia de los antioxidantes naturales en los sistemas alimentarios y biológicos. En los primeros ayudan a mantener las cualidades nutricionales y organolépticas de los productos protegiendo contra la peroxidación lipídica gracias a su capacidad de captar radicales libres, quelar metales o actuar como agentes reductores, mientras que en los sistemas biológicos, junto con los antioxidantes endógenos, ayudan a prevenir el estrés oxidativo causado por los radicales libres y a proteger frente a la aparición de diversas enfermedades degenerativas y cáncer.

Los compuestos fenólicos son uno de los grupos de antioxidantes naturales más abundantes y ampliamente distribuidos en la naturaleza. Son metabolitos secundarios de las plantas y forman parte de su sistema de defensa frente a agresiones externas. Su estructura básica consiste en un anillo aromático unido a uno o más grupos hidroxilo y otros derivados funcionales como ésteres o glucósidos, variando desde moléculas simples como los ácidos fenólicos hasta compuestos altamente polimerizados como los taninos. La actividad antioxidante de estos compuestos está determinada por su estructura. Además de su actividad antioxidante, los compuestos fenólicos poseen diversas actividades biológicas como antialérgica, antiinflamatoria, antimicrobiana o anticarcinogénica.

Tecnología de membranas

La concentración de compuestos extraídos a partir de materias primas de origen natural se lleva a cabo convencionalmente mediante procesos que implican el empleo de altas temperaturas y suponen un alto consumo energétic o. La tecnología de membranas supone una alternativa ventajosa debido al empleo de bajas temperaturas, la ausencia de transición de fase y/o el bajo consumo energético del proceso (Murakami y col., 2011).

Una membrana puede definirse como una barrera semipermeable que separa dos fases y restringe o favorece el transporte de uno o más componentes a través de ella de una manera selectiva (Mulder, 1997). A diferencia de la filtración convencional, la corriente de alimentación fluye de manera paralela a la membrana limitando la deposición de sólidos sobre la superficie de la membrana disminuyendo el ensuciamiento de la misma. La corriente que atraviesa la membrana se denomina permeado, mientras que los componentes que no la atraviesan constituyen la corriente de retenido (Figura 1).

El transporte de componentes a través de la membrana se consigue mediante la aplicación de una fuerza impulsora (gradiente de concentración, presión, temperatura o potencial eléctrico). Los procesos basados en la aplicación de un gradiente de presión se clasifican en microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (OI). Las membranas de MF suelen operar a presiones inferiores a 2 bar y permiten la separación de partículas en suspensión. Las membranas de UF retienen macromoléculas y coloides con pesos moleculares entre 1 y 300 kDa y trabajan a presiones entre 2 y 10 bar. Mediante los procesos de NF es posible separar compuestos con pesos moleculares entre 30 y 1000 Da operando a presiones de hasta 40 bar. Las membranas de OI retienen esencialmente todos los solutos disueltos en agua, incluyendo pequeños iones como el sodio (Murakami y col., 2011) (Figura 2).

Ejemplos de aplicación

El empleo de tecnología de membranas para la concentración y purificación de compuestos fenólicos con capacidad antioxidante es un tema de creciente interés. En la tabla 1 se recogen algunos ejemplos de la aplicación de esta tecnología para la recuperación y concentración de estos compuestos obtenidos de distintas matrices vegetales, incluyendo el extracto bruto obtenidos mediante tecnología convencional a partir de corteza u hojas del mate (Murakami y col., 2011; Prudêncio y col., 2012), salvia (Paun y col., 2011), romero (Peshev y col., 2011) o flor de Jamaica (Cissé y col., 2011).

El empleo de membranas de filtración ha permitido el fraccionamiento de compuestos fenólicos de alto y de bajo peso molecular a partir de extractos de raíz de morera (Yu y col., 2007). El empleo secuencial de membranas de UF y NF permitió obtener un concentrado final de compuestos fenólicos presentes en extractos acuosos de semilla de jambul, con una capacidad antioxidante comparable a la del antioxidante sintético BHT (butilhidroxitolueno) (Balyan y Sarkar, 2016).

La tecnología de membranas puede emplearse para la recuperación de compuestos fenólicos de naturaleza antioxidante presentes en efluentes industriales. Las membranas de UF o la combinación de etapas de UF y de NF han permitido la obtención de concentrados finales con capacidad antioxidante a partir de las aguas residuales procedentes del procesado de la oliva o de la alcachofa (Codini y col., 2013; Cassano y col., 2011).

Recuperación de antioxidantes de vinazas y residuos forestales

El principal residuo de la industria vitivinícola es el bagazo resultante del prensado de la uva. En las empresas vitivinícolas donde se utiliza este bagazo para la obtención de aguardiente, se genera un nuevo residuo constituido por el bagazo agotado tras el proceso de destilación. Durante el proceso de destilación se genera además una corriente líquida residual denominada vinaza con un alto contenido en compuestos fenólicos que dificulta su posterior depuración. El bagazo destilado se prensó para recuperar todo el líquido embebido en él, obteniéndose una corriente líquida con una concentración en compuestos fenólicos de 4,4 g equivalentes de ácido gálico (EAG)/L. El sólido resultante se sometió a una etapa de extracción con agua obteniendo un extracto acuoso con un contenido en compuestos fenólicos de 0,23 g EAG/L.

El empleo de diferentes membranas de UF y NF permitió aumentar en hasta 6 veces el contenido en compuestos fenólicos respecto a la corriente inicial. La incorporación de una etapa de extracción con acetato de etilo de los concentrados permitió elevar la pureza de los productos finales. Cuando las vinazas de vino blanco se procesaron mediante combinaciones de distintas membranas de MF, UF y NF, el producto final obtenido presentó un contenido en compuestos fenólicos de alrededor del 45%.

Como consecuencia de la actividad forestal se generan diversos residuos cuyo principal tratamiento es la quema o amontonamiento. El desarrollo de aplicaciones alternativas para estos residuos podría contribuir a su revalorización y a una utilización integral de los recursos disponibles. Las hojas de castaño se extrajeron con agua obteniendo un extracto acuoso con un contenido en compuestos fenólicos de cerca del 34%. Esta corriente se procesó mediante una secuencia de membranas de UF consiguiendo aumentar el contenido en compuestos fenólicos en un 18%. El concentrado final se sometió a una etapa de precipitación con etanol obteniendo un producto final con una pureza en compuestos fenólicos del 46%.

Se evaluaron las propiedades antioxidantes de los productos obtenidos mediante diferentes ensayos in vitro (Tabla 2). La capacidad antioxidante de los extractos frente a distintos radicales fue superior a la presentada por el antioxidante sintético BHT y comparable a la del BHA (butilhidroxianisol). Los productos obtenidos a partir de vinazas y de hojas de castaño mostraron actividad frente a distintas especies reactivas de oxígeno (ERO) y nitrógeno (ERN) y se comprobó su seguridad para uso tópico en ensayos de irritabilidad cutánea y la ausencia de toxicidad y los efectos beneficiosos de su ingesta en estudios in vivo (Pereiro y col., 2011).

Conclusiones

Los procesos de filtración con membranas resultan eficaces para la recuperación y concentración de compuestos fenólicos presentes en efluentes líquidos. Los productos finales obtenidos presentaron capacidad antioxidante comparable a la de antioxidantes sintéticos y compuestos puros y potential para aplicaciones nutracéuticas y cosméticas.

Beatriz Díaz-Reinoso, Andrés Moure, Herminia Domínguez, José Luis Alonso Grupo EQ-2

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Vigo

 Referencias
Balyan, U. y Sarkar, B. 2016. Food Bioprod.  Process. 98, 29.
Cassano, y col., 2011. Water Res. 45 (10), 3197.  
Cissé, M. y col.,. 2011. Food Res. Int. 44(9), 2607.
Conidi, C., y col., 2015. Sep. Purif. Technol. 153.
Machado, M.T.C., y col., 2015. Food  Bioprod. Proces. 95, 304.
Mulder, M. 1997. Kluwer Academic Publishers. Dordrecht, Boston.
Murakami, A.N.N, y col., 2011. LWT - Food Sci. Technol. 44 (10), 2211.
Paun, G., y col., 2011. Chem. Bioch. Eng. Q. 25 (4), 453.
Pereiro y col., 2011. Revista de Toxicología28, 81.
Peshev,D. y col., 2011. Chem. Eng. Res. Des. 89, 318.
Prudêncio, A.PA., y col., 2012. Food  Bioprod. Process. 90, 399.
Yu, Z.-R. y col., 2007.. Food Sci. Technol-LEB 40, 900.