Rendimiento de extracci n por
hidrodestilaci n del aceite esencial de Piper aduncum L. (matico)
mediante un modelo cin tico
Extraction
yield by hydrodistillation of Piper aduncum L. (matico) essential oil
using a kinetic model
Rendimento
da extra o por hidrodestila o do leo essencial de Piper aduncum L.
(matico) usando um modelo cin tico
Frank Fern ndez Rosillo
, Lenin Qui ones Huatangari1, Telemia Sarai Ojeda Gaona1,
Daniela del Pilar Alfaro Montero1, Royler Jeimis Yalta Meza , Eliana Milagros Cabrejos
Barrios 1, Alexander Huam n Mera
RESUMEN
Los
aceites esenciales tienen demanda en la industria de alimentos, farmac utica y
cosm ticos. La investigaci n tuvo como objetivo estimar el rendimiento de
extracci n por hidrodestilaci n de aceite esencial de Piper aduncum L.
(matico) mediante un modelo cin tico. La metodolog a consisti en procesar el
material vegetal (recolectar, secar bajo sombra y triturar hojas de matico),
extraer aceite esencial (hidrodestilaci n mediante dos equipos clevenger bajo
cuatro escenarios) y modelar la cin tica de extracci n por hidrodestilaci n del
matico. El rendimiento del aceite esencial de matico en los cuatro escenarios
planteados se ajusta al modelo matem tico de la cin tica sigmoidal. Por tanto,
los modelos determinados brindan una evoluci n cualitativa y aproximada del
comportamiento de la cin tica de extracci n y del rendimiento del aceite
esencial de matico.
Palabras
claves: Modelamiento
matem tico, extracto de plantas, metabolitos secundarios, m todos de extracci n.
ABSTRACT
Essential oils are in demand in the food, pharmaceutical and
cosmetic industries. The research aimed to estimate the extraction yield by
hydrodistillation of Piper aduncum L. (matico) essential oil using a
kinetic model. The methodology consisted of processing the plant material
(harvesting, shade-drying and crushing matico leaves), extracting essential oil
(hydrodistillation using two clevenger units under four scenarios) and modelling
the kinetics of matico hydrodistillation extraction. The yield of matico
essential oil in the four scenarios is in accordance with the mathematical
model of sigmoidal kinetics. Therefore, the models determined provide a
qualitative and approximate evolution of the behaviour of the extraction
kinetics and the yield of matico essential oil.
Keywords: Mathematical modelling, plant extract, secondary
metabolites, extraction methods.
RESUMO
Os leos
essenciais s o muito procurados nos setores aliment cio, farmac utico e
cosm tico. A pesquisa teve como objetivo estimar o rendimento da extra o por
hidrodestila o do leo essencial de Piper aduncum L. (matico) usando um
modelo cin tico. A metodologia consistiu no processamento do material vegetal
(colheita, secagem sombra e tritura o das folhas de matico), na extra o do
leo essencial (hidrodestila o usando duas unidades de clevenger em quatro
cen rios) e na modelagem da cin tica da extra o por hidrodestila o do matico.
O rendimento do leo essencial de matico nos quatro cen rios est de acordo com
o modelo matem tico da cin tica sigmoidal. Portanto, os modelos determinados
fornecem uma evolu o qualitativa e aproximada do comportamento da cin tica de
extra o e do rendimento do leo essencial de matico.
Palavras-chave: Modelagem matem tica, extrato
vegetal, metab litos secund rios, m todos de extra o.
Los compuestos fitoqu micos contenidos en las
plantas son fuentes de sustancias qu micas que se utiliza en la industria
alimentaria y otras industrias qu micas (Haqqyana et al., 2020). Sin embargo,
el aceite esencial (AE) es un fitoqu mico importante que se obtiene a partir de
material vegetal; debido a estas caracter sticas, el mercado del AE est
creciendo (Irshad et al., 2019). Son fracciones l quidas vol tiles que
proporcionan aromas y sabores caracter sticos a las plantas (Le n et al., 2015).
Su actividad biol gica (propiedades antibacterianas, antioxidantes,
antiinflamatorias, antis pticas o larvicidas), es una alternativa natural
(Firenzuoli et al., 2014) para el desarrollo de aplicaciones, debido a la
creciente preferencia por aditivos naturales (Lainez-Cer n et al, 2022). La
extracci n de los AE se puede realizar por m todos convencionales como la
destilaci n con arrastre de vapor, hidrodestilaci n (HD) y espacio de cabeza
Head-space (HS); adquiere importancia la extracci n con fluidos supercr ticos
utilizando di xido de carbono (CO2) como solvente, y extracci n por
hidrodestilaci n asistida por radiaci n microondas (Le n et al., 2015). La HD
utiliza agua como solvente, lo cual es una ventaja porque no deja residuos
t xicos al final de la extracci n (Souza et al., 2020).
Estudios destacan la variabilidad gen tica de la
especie Piper aduncum de acuerdo con sus patrones de distribuci n
espacial (Negreiros & Miqueloni, 2015). P aduncum es considerada
especie prioritaria para la conservaci n de los recursos gen ticos en Brasil
debido al inter s comercial de su AE (Potzernheim et al., 2012), utilizada en
la medicina popular en Brasil (Silva et al., 2013). De la misma forma es
empleada en la medicina tradicional ecuatoriana por sus propiedades
antis pticas y antibi ticas (Scalvenzi, 2014). Por lo tanto, se ha recopilado
las actividades biol gicas y constituyentes qu micos activos que han sido
aislados de P aduncum (Morais et al., 2023), tambi n, se realiz el
estudio fitoqu mico y la concentraci n de flavonoides de las hojas (V squez,
2015). De igual importancia el AE posee acci n insecticida, fungicida y
bactericida, con una amplia utilizaci n en el sector agrario y medicinal (Dousseau
et al., 2014): Desarrollaron un acaricida bot nico para el manejo integrado de
varroosis (Pino et al., 2011), como agente de control biol gico de hongos
fitopat genos (Scalvenzi et al., 2016), para des rdenes gastrointestinales y
genitourinarios (Arroyo et al., 2014), actividad insecticida sobre Aedes
aegypti, Aedes albopictus y Culex quinquefasciatus Say (Leyva et al., 2020),
efecto de reducci n e inhibici n en el desarrollo del hongo M. roreri (Huaman
& Cabezas, 2019) y efecto protector de la cirrosis inducida en ratas
(Arroyo et al., 2012).
La modelizaci n matem tica de la hidrodestilaci n se
utiliza para simular la extracci n de AE sin necesidad de procedimientos
experimentales para conocer el comportamiento. Por lo tanto, en base a los
resultados se plantea estrategias para evaluar la selecci n de condiciones a
trav s de las variables del proceso (Borges et al., 2022). En consecuencia, se
han desarrollado modelos matem ticos para explicar la extracci n de AE por
hidrodestilaci n (Benyoussef & Saibi, 2013), (Stanisavljević et al.,
2010); sin embargo, se han reportado diversos enfoques matem ticos que abordan
el objeto de estudio: Se ha descrito los efectos de las variables de extracci n
sobre el rendimiento del AE a trav s de la metodolog a de superficie de
respuesta para optimizar condiciones de extracci n (Labri et al., 2022),
(Teixeira et al., 2016), (Haloui et al., 2018), (Moreno et al., 2010a),
(Haqqyana et al., 2021). Tambi n, se han desarrollado modelos que explican el
mecanismo f sico del proceso de extracci n basados en los fundamentos de la
transferencia de masa (Franco-Vega et al., 2016). En suma, para seleccionar un
modelo matem tico para la simulaci n del proceso, se utiliza conocimientos
sobre la distribuci n del AE en los materiales vegetales y los resultados
experimentales sobre la cin tica de producci n (Katiyar, 2017). En este
contexto, el objetivo fue determinar rendimiento de extracci n por
hidrodestilaci n del aceite esencial de Piper aduncum L. mediante un
modelo cin tico.
MATERIALES
Y M TODOS
Recolecci n
y procesamiento del material vegetal
Recolecci n
e identificaci n
Las hojas de Piper
aduncum L. se recolectaron de sus h bitats silvestres en el distrito de
Ja n, departamento de Cajamarca en el Per ; ubicadas en el sistema de
coordenadas Universal Transversa de Mercator (UTM) con X=741031, Y= 9370222 a
los 1151 m.s.n.m. Adem s, se tom en cuenta la poca de recolecci n (julio
2023).
Corte y
traslado del material vegetal
El corte del
material vegetal se realiz evitando contaminantes, residuos de otras especies
de plantas, polvo y tierra, se etiquet y traslad el material en bolsas
pl sticas herm ticas (Teixeira et al., 2016) al lugar de procesamiento de
las muestras.
Secado bajo
sombra
Fueron
utilizadas hojas sin presencia de golpes, cortes o lesiones (Moreno et al., 2010). Se tendi el material
vegetal permitiendo el intercambio de aire, de esta manera evitar incremento de
humedad y contaminaci n por hongos. Se coloc en un lugar con sombra a
temperatura ambiente durante 72 horas.
Trituraci n
y molienda de hojas
Las hojas
secas se molieron utilizando un molino para granos adaptado con motor el ctrico
durante un periodo suficientemente corto para obtener una distribuci n uniforme
al tama o de las part culas.
Figura
1. Recolecci n
y procesamiento del matico
Hidrodestilaci n
de aceite esencial de matico
El AE de hojas
de matico se extrajo por hidrodestilaci n en dos aparatos Clevenger (Figura 2)
durante 2 horas. Cada 15 minutos despu s de la primera gota se estim el
volumen para cada uno de los cuatro escenarios y con la proporci n de masa
vegetal con agua destilada de 1/11 (Tabla 1). Para la separaci n del AE
obtenido en los tubos de ensayo, se retir con una jeringa de 5 ml la cual est
adaptada a un conducto de pl stico para extraer la mayor cantidad de aceite y
colocarlo en frascos de color oscuro con tapa. Los cuales se rotularon
identific ndose el: Nombre del material vegetal, volumen de AE obtenido, tiempo
de extracci n y fecha. Finalmente se almacen los frascos a temperatura
inferior a 20 C (Cordova & Velasquez,
2021).
Figura
2. Hidrodestilaci n y
separaci n de matico
Tabla
1. Caracter sticas de cuatro
escenarios
|
Escenarios
|
Descripci n
|
|
E1
|
150 g de masa vegetal,
450 C temperatura m xima del equipo, 1650 mL de agua destilada
|
|
E2
|
200 g de masa vegetal,
450 C temperatura m xima del equipo, 2200 mL de agua destilada
|
|
E3
|
250 g de masa vegetal,
400 C temperatura m xima del equipo, 2750 mL de agua destilada
|
|
E4
|
300 g de masa vegetal,
400 C temperatura m xima del equipo, 3300 mL de agua destilada
|
La ecuaci n
(1) se utiliz para estimar el rendimiento del aceite de Matico (Phat et al., 2020):
|
|
(1)
|
es el rendimiento obtenido de los AE
(%), 
es el volumen aceite de matico
extra do; (mL), y 
es la cantidad de contenido vegetal
que se utiliza (g) (Radivojac et al., 2021).
Modelamiento
de la cin tica en el proceso de extracci n
La cin tica de
la hidrodestilaci n de los AE de algunos materiales vegetales se desv a de los
modelos cin ticos exponenciales. De hecho, se observa una variaci n sigmoidea
del rendimiento del aceite esencial con el tiempo. El modelo sobre cin tica de
extracci n de aceites empleado es dado por la ecuaci n (2) (Ait et al., 2019).
|
|
(2)
|
Donde 
es el rendimiento de aceite esencial
en el tiempo de destilaci n despu s de la primera gota de evaporaci n 
, 
es el rendimiento asint tico a
tiempo infinito, 
es la constante de Thomas y 
una constante que depende de
par metros operativos como la masa de material vegetal y el caudal de vapor. La
determinaci n de , y 
fueron determinados a trav s de
regresi n no lineal empleando el software Origin versi n 2023b.
RESULTADOS
En la Tabla 2, se muestran los valores ajustados por
la ecuaci n (2), para cada uno de los cuatro escenarios. Adem s de los
estad sticos empleados para validar el modelo de cin tica sigmoidal.
Tabla
2.
Valores de los par metros del modelo cin tico sigmoidal
|
Escenarios
|
|
|
|
|
Error
|
|
E1
|
1.247
|
0.067
|
66.916
|
0.998
|
0.024
|
|
E2
|
1.029
|
0.063
|
57.395
|
0.998
|
0.022
|
|
E3
|
1.100
|
0.058
|
53.480
|
0.998
|
0.025
|
|
E4
|
1.040
|
0.051
|
68.575
|
0.997
|
0.024
|
es el coeficiente de determinaci n entre los datos
modelados y los obtenidos en el experimento.
Figura 3. Rendimiento
del aceite esencial de matico obtenido en cuatro escenarios.
El comportamiento del modelo de cin tica en los
cuatro escenarios es reflejado en la Figura 3. Sin embargo, se presentan un
comportamiento sigmoidal de las curvas y estas no sobrepasan el 1.3% del
rendimiento de extracci n.
DISCUSI N
Se ha obtenido el AE a trav s del m todo de
extracci n de hidrodestilaci n a trav s del aparato tipo Clevenger de las hojas
de P. aduncum que es la parte de la planta m s utilizada (Durofil et al.,
2021). El trabajo de investigaci n ratifica la influencia del pretratamiento en
el rendimiento y la cin tica de extracci n del AE (Marković et al., 2018),
por lo tanto, el estado del material vegetal influye en la cantidad de aceite
obtenido y en la cin tica de extracci n (Meyer et al., 2018). Incluso el tipo
de material vegetal de la misma planta podr presentar diferente cin tica
(Rinc n et al., 2012).
El rendimiento de extracci n de AE para el primer
escenario (1.25%) es superior o igual a otros trabajos, que han empleado
diferentes m todos de extracci n o diferente tipo de extracci n. Por ejemplo,
cuando las hojas se secaron al aire y se hidrodestilaron en un aparato de tipo
Clevenger durante 5 horas obtuvieron un rendimiento de 0.96%. El rendimiento
del aceite esencial oscil entre 0.7% y el 1.3% (Potzernheim et al., 2012).
Mediante destilaci n por arrastre de vapor de agua con un rendimiento de 1.1% (Ingaroca
et al., 2019). Se extrajo de hojas y espigas utilizando las t cnicas de
arrastre con vapor de agua e hidrodestilaci n, donde el mejor rendimiento
(2.15%) fue obtenido por el m todo de hidrodestilaci n aplicado a las espigas
del material (Albarrac n & Gallo, 2003). Se obtuvieron los AE de hojas y
espigas mediante hidrodestilaci n obteni ndose rendimientos menores de 0.57%
para hojas (Cicci & Ballestero, 1997). El mejor rendimiento fue de 0.8843%
y se obtuvo cuando el tiempo fue de 120 minutos y la relaci n masa/disolvente
fue de 1:5 kg/ L (Bed n & Le n, 2022).
El modelamiento cin tico de la curva de extracci n,
difiere a los modelos cin ticos presentados en (Sovov et al, 2006), el modelo
de desorci n propuesto por Tan y Liou (Tan & Liou, 1989), formulaci n
modificada para la cin tica de pseudo primer orden (Shahwan, 2015). Adem s, el
valor del coeficiente de determinaci n es mayor que 0.997 para los cuatro
escenarios y de igual manera el error es menor que 0.022; lo que permite
afirmar que el modelo cin tico se ajusta satisfactoriamente a los datos
experimentales del proceso de extracci n de aceites esenciales de P. aduncum.
De la Figura 3, se infiere que hasta los 120 minutos del proceso de extracci n
despu s de la primera gota de evaporaci n, el rendimiento se estabiliza.
Una comprensi n profunda de la cin tica juega un
papel clave en la mejora de procesos industriales existentes (Dao et al.,
2021), es as , que la cin tica del proceso de extracci n de aceites esenciales
fue estudiada a trav s de modelos cin ticos de primer y segundo orden (Phat et
al., 2020), (Dao et al., 2022). Sin embargo, algunas plantas, s lo el modelo
sigmoidal se ajusta a los datos experimentales (Milojević et al, 2013). Se
construy una base de datos de 132 cin ticas de extracci n a partir de trabajos;
este an lisis mostr dos tipos de cin ticas que se diferencian por la presencia
o no de un punto de inflexi n (Ait et al., 2019), (Benyoussef et al., 2005).
Deber an realizarse estudios con diversas variables operativas para obtener un
modelo general aplicable a todos los materiales vegetales, desde el laboratorio
hasta escala industrial.
CONCLUSIONES
El rendimiento de extracci n de aceite esencial
obtenido por el m todo de hidrodestilaci n de las hojas de Piper aduncum
colectados en la Provincia de Ja n, Per presenta un comportamiento sigmoidal y
se ajusta a un modelo cin tico. Al determinar el rendimiento de extracci n de
los cuatro escenarios durante dos horas despu s de la ca da de la primera gota;
el escenario donde se obtuvo mayor rendimiento de AE fue cuando se consider
150 g de masa vegetal, 1650 mL de agua destilada y 450 C temperatura m xima del
equipo.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el financiamiento de la
Vicepresidencia de Investigaci n de la Universidad Nacional de Ja n, Proyecto
de Investigaci n PROINTEC 2020. Adem s, a la Oficina de Centros de Producci n
de bienes y servicios por el apoyo log stico en la parte experimental del
estudio. A los ingenieros forestales Jhon Franklin Oblitas Troyes y Jorge
Antonio Fern ndez Jibaja por su colaboraci n en la recolecci n e identificaci n
de la especie.
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