Optimización del proceso de extracción de antocianinas y polifenoles totales a partir de residuos de arándanos (Vaccinium corymbosum L. cv. Legacy) mediante extracción con CO2 supercrítico, solventes presurizados, ultrasonido y extracción convencional

Abstract

Como producto del procesamiento del arándano en la industria de jugo, se generan residuos que podrían causar impacto negativo al medioambiente. La revalorización de esta materia prima rica en compuestos polifenólicos permitiría la utilización de estos compuestos en la formulación de ingredientes funcionales. Por ello, este estudio tiene por objetivo optimizar la extracción convencional (EC), extracción asistida por ultrasonido (EAU), extracción acelerada de solventes (ASE) y extracción con CO2-supercrítico (CO2-SC) de residuos de arándanos cv. Legacy, utilizando como metodología un diseño Box-Behnken (15 experimentos) para cada uno de los métodos de extracción. Se evaluó para el caso de la extracción convencional el efecto de la concentración de solvente (etanol-agua 50-100% v/v), temperatura (20-60°C) y tiempo de extracción (60-120 min), para EAU: se empleó como variables; la amplitud del proceso (20-90 %), tiempo (10-60 min.) y concentración de solvente (etanol-agua 20-80% v/v), para ASE: concentración de solvente (etanol-agua 20-80% v/v), temperatura (40-60°C) y ciclos estáticos de extracción (1-5) y finalmente para la extracción CO2-SC se analizó como variables la presión (200-400 bar), temperatura (40-60°C) y cosolvente (etanol puro 0-10%). Se realizó optimización múltiple en base a polifenoles totales, antocianinas totales y actividad antioxidante, obteniendo resultados para EC: Antocianinas totales fluctuaron entre 7,33-12,75 miligramos equivalentes de cianidina-3-glicósido (mg EC3G) /g residuo y polifenoles totales entre 9,40-44,2 miligramos equivalentes de ácido gálico (mg EAG) /g residuo. La optimización indica que, a 60°C, 84,66 min de extracción y mezcla de etanol del 50,4% v/v permiten obtener mayor nivel de compuestos polifenólicos. En cuanto a la metodología ASE para antocianinas totales se recuperaron entre 8,24-18,46 mg EC3G/g residuo y polifenoles totales entre 16,6-46,2 mg EAG/g residuo. La optimización indica que, a 41,3 °C, 1 ciclo de extracción y mezcla de etanol-agua del 79,8% permiten obtener mayor nivel de compuestos polifenólicos Una situación distinta ocurrió con el CO2-SC donde se obtuvo menor contenido de antocianinas totales (0,01-6,69 mg EC3G/g residuo) y polifenoles totales (0,10-7,50 mg EAG/g residuo), el cosolvente es un factor con influencia positiva para ambos parámetros. La condición óptima de extracción fue de 400 bar, 51,8 °C y 10 % de cosolvente. Finalmente, para la EAU se obtuvieron valores de antocianinas totales entre (6,83-13,11 mg EC3G/g residuo) y polifenoles totales (9,50-32,40 mg EAG/g residuo) con condiciones óptimas correspondientes a la combinación entre una amplitud del 90% durante 10 minutos con una mezcla de etanol-agua igual a 57,97 %v/v. Además, mediante HPLC se identificaron y cuantificaron 5 de las principales antocianinas individuales presentes en arándanos: delfinidina 3-O-glucósido, petunidina 3-O-glucósido, peonidina 3-O-glucósido, cianidina 3-O-glucósido y malvidina 3-O-glucósido. También con la ayuda de UPLC-DAD-MS se identificaron 32 antocianinas en los extractos óptimos de cada metodología utilizada para esta tesis. Se concluye que es factible recuperar compuestos polifenólicos del residuo de arándanos cv Legacy. Se obtuvo una mayor extracción polifenólica en general mediante la extracción acelerada de solventes. Sin embargo, la extracción con ultrasonido y la extracción con CO2-SC podrían ser opciones viables por las ventajas que presenta especialmente por ser consideradas metodologías amigables con el ambiente y utilizar solventes adecuados para la industria alimentaria.

In the blueberry juice industry, high amounts of residues are generated after juice extraction, which negatively impacts the environment. The revalorization of this raw material rich in polyphenolic compounds would allow the use of these compounds in the formulation of functional ingredients. Therefore, this study aims to optimize conventional extraction (CE), ultrasound-assisted extraction (UAE), accelerated solvent extraction (ASE) and supercritical-CO2 (SC-CO2) extraction of blueberry cv. Legacy, using as methodology a Box-Behnken design (15 experiments) for each extraction technology. For conventional extraction the effect of solvent concentration (ethanol-water 50-100% v/v), temperature (20-60°C) and extraction time (60-120 min) was evaluated. In UAE process variables were the amplitude of the process (20-90%), time (10-60 min.) and solvent concentration (ethanol-water 20-80% v/v); for ASE: solvent concentration (ethanol-water 20-80% v/v), temperature (40-60°C) and static extraction cycles (1-5) and finally for CO2-SC extraction, pressure (200-400 bar), temperature (40-60° C) and cosolvent (0-10% pure ethanol). Multiple optimizations were performed based on total polyphenols, total anthocyanins, and antioxidant activity. The following results were found, for EC: Total anthocyanins ranged from 7.33 to 12.75 milligrams cyanidin-3-glycoside equivalent (mg EC3G) /g residue and total polyphenols between 9.40 to 44.2 milligrams gallic acid equivalent (mg GAE) /g residue. The optimization indicates that, at 60°C, 84.66 min of extraction and an ethanol mixture of 50.4% v/v, it is possible to obtain a higher level of polyphenolic compounds. Regarding the ASE methodology, total anthocyanins ranged from 8.24 to 18.46 mg EC3G/g residue and total polyphenols between 16.6-46.2 mg GAE/g residue. The optimization indicates that 41.3 °C, 1cycle of extraction and a 79.8% ethanol-water mixture allow a higher level of polyphenolic compounds to be obtained A different situation occurred with CO2-SC which showed a lower content for total anthocyanins (0.01-6.69 mg EC3G/g residue) and total polyphenols (0.10-7.50 mg GAE/g residue). The co-solvent is a factor with a positive influence on both parameters. The optimal extraction condition was 400 bar, 51.8°C and 10% cosolvent. Finally, for the UAE, total anthocyanin values ranged from 6.83 to 13.11 mg EC3G/g residue and total polyphenols fluctuated from 9.50 to 32.40 mg GAE/g residue. These values were obtained with the combination (optimal conditions) of 90% amplitude for 10 minutes and ethanol-water mixture 57.97% v/v. In addition, using HPLC, 5 of the main individual anthocyanins present in blueberries were identified and quantified: delphinidin 3-O-glucoside, petunidin 3-O-glucoside, peonidin 3-O-glucoside, cyanidin 3-O-glucoside and malvidin 3-O-glucoside. Also, by UPLC-DAD-MS analysis 32 anthocyanins were identified. It is concluded that it is feasible to recover polyphenolic compounds from blueberry residue cv Legacy. There was an overall higher yield by accelerated solvent extraction. However, ultrasound and CO2-SC extraction could be viable options for the advantages, especially since they are considered environmentally friendly methodologies and suitable solvents for the food industry.