Supercritical extraction of bioactive compounds from vegetable matrices and their encapsulation with supercritical fluid advanced techniques

Resumen

En este trabajo se obtuvieron selectivamente, a partir de microalgas y un residuo agroindustrial, extractos de aceite ricos en compuestos bioactivos de considerable interés nutricional mediante la extracción con fluidos supercríticos, usando CO2 como disolvente principal. Específicamente se extrajo aceite rico en hidroxitirosol de alperujo seco. De las microalgas Dunaliella salina y Tetraselmis suecica se obtuvo aceite rico en carotenoides (beta-caroteno) y ácidos grasos de alto interés nutricional, respectivamente. El estado inicial de la materia prima fue crucial para maximizar el rendimiento de la extracción y mejorar la calidad del extracto. Pequeñas partículas con contenido de humedad en equilibrio con el ambiente mejoraron el contacto con el fluido y por lo tanto la tasa de extracción. Como era de esperar, el rendimiento de la extracción aumentó significativamente con la presión, ya que está directamente relacionado con el aumento de la densidad y la capacidad disolvente del sc-CO2. En términos generales, un aumento de la temperatura redujo los rendimientos de extracción total debido a la reducción de la densidad de sc-CO2, aunque tuvo un impacto positivo en la difusión intra-partícula y la cinética, pero también pudo mejorar la selectividad a los compuestos bioactivos cuya presión de vapor era alta. Finalmente, el aumento del caudal aumentó la velocidad superficial del disolvente en el lecho fijo de la materia prima, lo que benefició la turbulencia y redujo la capa de película de fluido alrededor del sólido, aumentando así los coeficientes de transferencia de materia externa. Por el contrario, un caudal excesivamente grande disminuyó el tiempo de residencia en el extractor, lo que redujo el tiempo para la solubilización del aceite y su transporte a la fase global. Para mejorar el rendimiento o la selectividad de la extracción, y para reducir la presión de operación y el consumo de CO2, se exploró añadir un co-disolvente al fluido supercrítico. Sin embargo, considerando las dificultades económicas y prácticas involucradas en la elección de un co-disolvente en condiciones supercríticas, se implementó una evaluación teórica. En concreto, se utilizó la teoría de solubilidad de Hansen para predecir el mejor co-disolvente para sc-CO2 en la solubilización de los compuestos bioactivos de interés dentro de un intervalo específico de condiciones de operación. Para todos los compuestos explorados en esta tesis, el mejor fue el etanol por las interacciones específicas que establecía, sobre todo de dispersión. Además, esta teoría fue capaz de predecir la mejora no lineal de la miscibilidad de los compuestos en la mezcla disolvente supercrítica con la fracción de co-disolvente, lo que concordaba con los datos experimentales. Ello se asoció con la reducción del volumen molar de la mezcla y a la auto-asociación de las moléculas de co-disolvente que se produce en grandes concentraciones. Finalmente, se exploró la tecnología de Extracción Supercrítica de Emulsiones (ESE) para nanoencapsular los compuestos bioactivos obtenidos. Primero se investigó la micronización de etilcelulosa, que es un recubriente adecuado para encapsular compuestos alimentarios. Se partió de una emulsión acetato de etilo-agua donde la etilcelulosa se disolvió en el disolvente orgánico. El sc-CO2 se usó para extraerlo en continuo, generando una suspensión de nanopartículas de etilcelulosa estabilizadas por Tween 80 en agua. El uso de una columna de relleno posibilitó una alta capacidad de producción en una planta de pequeño volumen con gran homogeneidad. Además, fue posible afinar la formulación inicial de la emulsión para obtener partículas de etilcelulosa de tamaños variados dentro de una distribución estrecha y baja polidispersidad. La técnica también probó su eficacia en la encapsulación de astaxantina en este recubriente sin comprometer su actividad antioxidante, proporcionando una estructura adecuada para su liberación controlada.