1. ANTECEDENTES 1.1. INTRODUCIENDO LA OLEORRESINA CAPSICUM (OC) 1.1.1. DEFINICIÓN Y PROPIEDADES DE LA OLEORRESINA CAPSICUM La oleorresina capsicum es un aceite viscoso de color intenso, con aroma típico al chile. Es el extracto del fruto fresco, maduro o seco, de pimientos capsicum (Capsicum annuum, Capsicum chínense y Capsicum frutescens). Contiene una mezcla compleja de aceites esenciales, ceras, materiales coloreados y varios capsaicinoides. También contiene ácidos de resinas y sus ésteres, proteínas, aminoácidos, terpenos y productos de oxidación o polimerización de tales terpenos. La ZARC®, la primera compañía creadora de los aerosoles para defensa personal a base de capsaicinoides, define a la oleorresina capsicum como una mezcla compleja de aceites esenciales, ceras, materiales coloreados y varios capsaicinoides, También contiene ácidos de resinas y sus ésteres, terpenos y productos de oxidación o polimerización de tales terpenos. Un kilogramo de oleorresina Capsicum es equivalente a una cantidad entre 18 y 20 kilogramos de chile bien molido, de buen grado. Esta proporción puede variar dependiendo del tipo de chile procesado. Puede ser utilizada a temperaturas de hasta 180ºC. Generalmente se empaca, almacena y transporta en contenedores de plástico (grado alimenticio) con capacidad para 2 o 5 kg.

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1.1.2. VENTAJAS DE LA OLEORRESINA CAPSICUM (OC) En términos generales, las oleorresinas presentan muchas ventajas en cuanto a su utilización y manejo en escala industrial:








Más higiénicas que las especies en polvo, debido a que están libres de bacterias. Fácilmente estandarizadas para aplicaciones de saborización Ricas en carotenoides y en general en antioxidantes de origen natural Están libres de enzimas Alta vida de anaquel bajo condiciones adecuadas de almacenamiento Requieren menor espacio de almacenamiento que las especies en presentaciones comunes y son de fácil manejo en operaciones de distribución No existe riesgo asociado con incremento de humedad o ataques de hongos u otros microorganismos, como en especies secas o en polvo (Krishna De, 2003 )

En particular, la oleorresina capsicum (OC) tiene las siguientes ventajas sobre las presentaciones de picantes en polvo para uso industrial:
Consistencia: particularmente en el sector alimenticio, la oleorresina capsicum puede entregar una pungencia consistente y equivalente a la predicha por el productor, cumpliendo con las especificaciones de calidad y minimizando fluctuaciones.
Variedad: dado que la concentración de capsacicinoides (principio activo de la oleorresina, que le da pungencia) puede variarse de modo independiente sin alterar las características globales del producto, la OC constituye un aditivo versátil y aplicable en casi cualquier necesidad industrial.
Compatibilidad: dado que la percepción de la pungencia puede verse fácilmente afectada por la formulación final del alimento o producto, debe verificarse la compatibilidad de los capsaicinoides con el resto de los componentes de una fórmula. La OC puede ser elaborada a partir de una gran variedad de solventes que le dan flexibilidad en este sentido.
Potencial uso como colorante: la OC puede o no contener pigmentos naturales, en función de su finalidad y método de obtención.
Homogeneidad: la OC es un líquido homogéneo que no presenta separación de fases durante ninguna etapa de su procesamiento
Etiquetado y regulación federal: de acuerdo a las normativa internacional en materia de salud, la OC y extractos pueden ser etiquetados como “Saborizantes naturales” (basado en el Código 21 de Regulaciones Federales de EUA, CFR)

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1.1.3. EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE LA OLEORRESINA CAPSICUM La calidad de la oleorresina y la diversidad de usos que pueda dársele estarán directamente relacionadas con su nivel de pungencia. La medición de la pungencia debida a los capsaicinoides presentes en la oleorresina capsicum (y en los chiles, de manera natural), se realiza a través de la Escala Scoville. Esta escala se basa en un examen de análisis sensorial, aplicado a un grupo de personas. La prueba consiste en diluir el extracto con agua azucarada, n número de veces, hasta que el picor ya no pueda ser detectado por los examinadores. El número de veces que ha sido diluido el extracto dará el nivel en la escala. Aunque la escala es imprecisa debido a que la prueba en la que se basa está sujeta a la subjetividad humana, el número de unidades Scoville reportado para cada una de las especies de chile dará una idea de la posible concentración de capsaicinoides en el fruto, pues se sabe que el nivel de pungencia es directamente proporcional a la cantidad de capsaicinoides. La utilidad de la escala Scoville radica, entonces, en que será una herramienta muy valiosa para seleccionar la materia prima óptima sin necesidad de hacer un análisis instrumental óptimo. La tabla 5.1 muestra el rango de unidades Scoville (SHU) para algunos de los productos más populares del mercado elaborados a partir de oleorresina capsicum, y por ende, que contienen niveles importantes de capsaicinoides. Tabla 5.1. Nivel de pungencia, en SHU, que aportan algunos productos “picantes” disponibles en el mercado RANGO SCOVILLE 2,000,000 - 5,000,000 600 - 800 2,500 - 5,000 7,000 - 8,000

PRODUCTO aerosol de pimienta de la policía Tabasco Sauce (Green Pepper) Tabasco Sauce (Chile) Salsa Tabasco (Habanero)

1.1.4. LOS CAPSAICINOIDES: PRINCIPIO ACTIVO DE LA OLEORRESINA CAPSICUM Los capsaicinoides son una mezcla de amidas primarias monosustituídas, presentes de forma natural en la mayoría de las variedades de chiles, y responsables de la pungencia que los caracteriza. Son producidos de forma natural por glándulas ubicadas en la placenta del chile. Actualmente, se atribuye la pungencia de los chiles a por lo menos 5 capsaicinoides (ver tabla 5.2). Otros capsaicinoides han sido aislados de algunas variedades de chiles (Nobuyiki et al, 2005), sin embargo, su presencia y contribución a la pungencia es mínima, por lo que no se profundizará en su estudio.

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Tabla 5.2. Tipos de capsaicinoides, porcentaje típico en el chile, estructura química y nivel de pungencia en SHU NOMBRE

ABREVIATURA

PORCENTAJE TÍPICO EN EL CHILE

PUNGENCIA (SHU)

Capsaicina

C

69%

15,000,000

Dihidrocapsaicina

DHC

22%

15,000,000

Nordihidrocapsaicina

NDHC

7%

9,100,000

Homodihidrocapsaicina

HDHC

1%

8,600,000

Homocapsaicina

HC

1%

8,600,000

ESTRUCTURA QÚIMICA

1.1.5. PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE LOS CAPSAICINOIDES Los capsaicinoides exhiben propiedades muy particulares que desde hace varias décadas han despertado el interés científico:







Propiedades sensoriales (pungencia intensa) Actividad antibacterial contra agentes patógenos Actividad antioxidante Potencial actividad como anticancerígeno (Surh et al, 1996) Efectos sobre el sistema nervioso de los organismos, asociados a la transmisión del dolor Propiedades desinflamantes

Las propiedades de los capsaicinoides no sólo los convierten en un recurso de alto valor en la industria alimenticia, sino que además aumentan su campo de aplicación a otros rubros como la medicina. Sin embargo, todas las aplicaciones industriales de los capsaicinoides demandan su previo aislamiento de la materia prima, con lo cual se ha planteado la necesidad de extraerlos o concentrarlos. Página | 4

1.2. USOS Y APLICACIONES DE LA OLEORRESINA CAPSICUM 1.2.1. INDUSTRIA ALIMENTARIA Los capsaicinoides presentes de forma natural en los chiles siempre han sido empleados como agentes saborizantes en la cocina de algunos países asiáticos y americanos, formando parte integral de la cultura e identidad de algunos de ellos, como México. Con el auge de las cocinas china y mexicana, y fomentado por los fenómenos migratorios, la popularidad del chile como parte de la dieta se expandió alrededor del planeta. Rodríguez (2001) menciona que estudios recientes del American Trade Association (ASTA), indican que durante 1998, el 39% del total de aderezos y saborizantes producidos en la industria alimentaria a nivel mundial fueron sabores picantes. Los productores de sabores para alimentos procesados están convencidos de que el consumidor está en búsqueda de productos estimulantes y con sabores intensos. La pungencia de los capsaicinoides es aprovechada para realzar sabores, provocar El éxito de un saborizante radica en encontrar el óptimo balance entre el sabor y la pungencia. En este sentido, el productor requiere capsaicinoides aislados, libres de agentes tóxicos y de buena calidad para agregarlos en las dosis adecuadas, de acuerdo a su fórmula. De este modo, la oleorresina capsicum es demandada en:








Producción de refrescos y bebidas gasificadas Producción de aderezos (mayonesas, mostazas, …) Producción de salsas dulces y picantes Elaboración de botanas Elaboración de dulces y confitería Elaboración de condimentos artificiales de bajo contenido de colesterol y bajo porcentaje de sodio Síntesis de imitaciones de aromas, sabores y esencias naturales en general

En general, el consumo de capsaicinoides como parte de la dieta en el ser humano ha ido aumentando y continúa en ascenso. El consumo diario de capsaicinoides en los Estados Unidos y Europa se estima es de aproximadamente 1.5 mg / día*persona, mientras que en La India, Tailandia y México es de entre 25 y 200 mg / día*persona (European Comission of Health…, 2002) Es evidente que el consumo es mucho más significativo en los principales países productores de chile, por motivos culturales, sin embargo, factores externos como el crecimiento poblacional desmesurado y el bajo rendimiento de las actividades agrícolas, han ocasionado que en algunos países el consumo de capsaicinoides rebase su capacidad para (1) producirlos, y (2) aislarlos y procesarlos. Por otro lado, el crecimiento de las ciudades y la modernización de la vida han aumentado la demanda de alimentos procesados sobre los alimentos orgánicos, de modo que se plantea evidente la necesidad de resolver el problema de obtención de oleorresina capsicum.

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1.2.1.1.

LEGISLACIÓN DE LA OC PARA USO ALIMENTICIO

Como cualquier otro aditivo de alimentos, la oleorresina capsicum debe estar reglamentada por la Secretaría de Salud, en México. Las Normas Oficiales Mexicanas en materia de Salud no incluyen ningún apartado que regule el procesamiento y síntesis de aceites esenciales y oleorresinas. Dado que el mercado de oleorresinas ha tenido un desarrollo importante durante los últimos años, es probable que la legislación correspondiente surja en los próximos cinco años. A nivel internacional, la legislación más importante en materia de oleorresinas es la emitida por Los Estados Unidos de América, y la Unión Europea. La legislación norteamericana, a través del Department of Health and Human Services, y de acuerdo al Code of federal Regulations (CFR), Título 21, Capítulo I, Sección 101.22, clasifica a la oleorresina capsicum como un saborizante natural. De hecho, en los Estados Unidos de Norteamérica, todas las oleorresinas utilizadas en la industria de alimentos procesados, entran en la categoría de Saborizantes Naturales. La CFR del Gobierno de los Estados Unidos de América, establece las siguientes restricciones en la elaboración de OC, como parte del reglamento en materia de Saborizantes Naturales como aditivos de alimentos:


La Oleorresina capsicum (OC) es la combinación de sabores y colores principales obtenidos del fruto Capsicum annuum L, por extracción utilizando cualquiera de los siguientes solventes, o combinaciones de ellos: Acetona, Alcohol etílico, Dicloruro de etilo, Hexano, Alcohol isopropílico, Alcohol metílico, Cloruro de metilo, Tricloroetano.




El contenido residual de solvente de extracción en la OC no debe rebasar los límites establecidos en las partes de la 170 a la 189, del Capítulo I, Título 21, del Code of Federal Regulations, USA. Estos apartados del código pueden ser accesados en la página oficial del Code of Federal Regulations del Gobierno de los Estados Unidos: http://www.cfsan.fda.gov/~lrd/fcf17080.html

La Unión europea, a través del General Food Law, establece las restricciones para la elaboración de OC:
La OC utilizada en la industria de alimentos no debe contener ningún elemento o substancia en cantidades toxicológicamente peligrosas.
Los usos y métodos empleados en la producción de saborizantes, incluyendo tanto los procesos físicos tradicionales como métodos avanzados enzimáticos o microbiológicos, para la producción de la oleorresina, debe ser definido y reportado detalladamente a las autoridades.
De manera complementaria, el Artículo 18 de la General Food Law establece que:
Todo productor y/o distribuidor de alimentos procesados debe ser capaz de identificar a cualquier persona u organismo que lo haya provisto de materias primas.
Productores y/o distribuidores de alimentos deben poseer sistemas y procedimientos de identificación para reportarse a sus compradores En materia de higiene, cualquier procedimiento de elaboración de alimentos debe tener un sistema HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points) Página | 6

1.2.2. DEFENSA PERSONAL El uso de agentes químicos en defensa personal no es óptimo cuando son aplicados a ciertas personas, incluyendo aquellas con niveles altos de resistencia al dolor, bajo la influencia de drogas y/o alcohol, enfermos mentales o personas altamente agitadas. Actuando sobre el sistema nervioso central, los agentes químicos inducen dolor al activar células receptoras a través de transmisores neurológicos dentro del cerebro. Consecuentemente, cualquier interrupción de este proceso (drogas o endorfinas) puede resultar en una disminución de los niveles registrados de dolor. A diferencia de los irritantes químicos tradicionales, la oleorresina capsicum (OC) es un agente inflamatorio natural. También, el mecanismo de acción difiere substancialmente: OC funciona por inflamación en tanto que Cloroacetofenona (CN) y el Ortoclorobencilidenmalononitrilo (CS) lo hacen por irritación. No se requiere ningún procedimiento especial de descontaminación para OP porque es biodegradable y, a diferencia de los irritantes químicos, no persiste en la ropa o en las áreas afectadas. Los procedimientos sugeridos de descontaminación son ventilación, acceso a agua y remoción de lentes de contacto. Como agente inflamatorio, OC causa una inflamación inmediata de los ojos y de las vías respiratorias. Además, hay una intensa sensación de ardor en los ojos, garganta y áreas de la piel expuestas al agente. Cuando se le inhala, el tracto respiratorio se inflama y la respiración se dificulta, limitándose a tomas de aire cortas y sin fuerza. Los efectos físicos pueden incluir cierre involuntario de los ojos, tos sofocante, falta de coordinación y fuerza en la parte superior del cuerpo y náusea. También pueden ocurrir efectos sicológicos tales como desorientación y miedo. Cuando se le usa adecuadamente, OC es efectivo tanto en humanos como en animales. Además, los efectos acumulativos físicos y sicológicos hacen que este agente pueda usarse en individuos intoxicados o altamente agitados . DuVemay hace notar que los efectos resultantes de la aplicación de OC, (ejemplo, respiración forzosa y restringida), no favorecen niveles de actividad física alta como por ejemplo ofrecer resistencia o pelear con la policía. 1.2.3. MEDICINA Y CUIDADO PERSONAL La oleorresina capsicum es aprovechada en algunos fármacos por sus efectos sobre las membranas mucosas y su acción para aliviar malestares como tos, resfriados, bronquitis, asma y garganta irritada y congestionada. OC puede ser utilizada como agente rubifaciente, lo cual significa que aumenta la circulación en ciertas localizaciones del cuerpo. Es por ello que se usa ampliamente en cremas que combaten la artritis. Algunos investigadores han encontrado evidencias de que la capsaicina de la OC engruesa la pared estomacal, despertando un posible uso en el tratamiento de úlceras. Varias fórmulas alimenticias destinadas a la pérdida de peso contienen capsaicina y OC, ya que los capsaicinoides aceleran el metabolismo Los capsaicinoides son utilizados como agentes antiinflamatorios, en vista de que tienen el efecto de dilatar los vasos sanguíneos.

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OC también ha recibido mucha atención por su potencial uso como anestésico, pues se sabe que los capsaicinoides desplazan el umbral del dolor, y por otro lado la capsaicina destruye la llamada “sustancia P”, la cual se encarga de transportar la señal del dolor hacia el cerebro. La capsaicina es además el principio activo de muchas cremas para el tratamiento de dolor muscular, dolor de espalda, como artritis, reumatismo o lumbago. Es posible, además, que el chile ayude a quemar calorías, reducir las molestias provocadas por picaduras y mordeduras de insectos, brindar efectos antiinflamatorios, combatir la hipotermia, prevenir el cáncer, mejorar la circulación de la sangre y auxiliar en el tratamiento de la caspa y la resequedad del cuero cabelludo. 1.3. MATERIAS PRIMAS Las únicas materias primas de la oleorresina capsicum son el chile o pimiento, y un solvente de extracción. El chile representa, hasta el momento, la única fuente de capsaicinoides conocida. 1.3.1. EL CHILE El chile es un fruto natural, que comprende a todas las especies del género capsicum, y que se caracteriza por su alto contenido de capsaicinoides. Puede tener forma cúbica, cónica o esférica. Su interior es hueco, y se encuentra dividido en dos o cuatro costillas verticales interiores que sostienen a las semillas. La carnosidad varía según la especie El pimiento capsicum comprende un 38% de pericarpio, un 2% de la vaina interior, un 56% de semillas y un 4% de tallos. La propiedad que separa a la familia Capsicum de otros grupos vegetales y que es la quintaesencia del pimiento chile, es un alcaloide denominado capsaicina, una sustancia cristalina excepcionalmente potente y acre, que no existe en ninguna otra planta. La capsaicina es la fuente de la acritud y el calor en el pimiento capsicum. La cantidad de capsaicinoides presentes en los chiles varía considerablemente de especie a especie, pero incluso puede llegar a ser considerablemente distinto entre plantas de la misma especie, cuyo crecimiento se llevó a cabo en tierras distintas y bajo condiciones ambientales diversas. La especie, las condiciones del crecimiento, el tipo de suelo, y el clima, entre otros factores, alteran las condiciones bioquímicas en las células de los chiles, que originan que la cantidad de capsaicinoides varíe de manera individual en cada fruto. Como resultado de los niveles no constantes de capsaicinoides, procesar los chiles directamente para dar picor a los alimentos no sería conveniente, pues los productos tendrían niveles de picor inconsistentes. Por este motivo, los procesadores de alimentos prefieren trabajar con extractos, cuya concentración de capsaicinoides (y el nivel de picor) sean constantes y conocidos, para aplicarlos directamente y en dosis controladas a sus productos y así obtener el alimento final con la pungencia controlada. La ventaja del chile que se utiliza para la industria es que no requiere cubrir requisitos tan numerosos ni tan estrictos en el envasado y la imagen exterior, como sucede con el chile fresco para consumo. En este rubro se necesita simplemente que el producto esté saludable y maduro. Página | 8

Los chiles destinados a la transformación industrial no necesitan cumplir para su venta, con requisitos tan estrictos como en consumo fresco. Las únicas condiciones a exigir, son las de estar sanos, esto es, libres de plagas o cualquier otro contaminante que pudiera afectar la salud del consumidor. 1.3.1.1.

EL MERCADO MUNDIAL DEL CHILE

La producción mundial de chiles ha tenido un crecimiento espectacular en los últimos 10 años, con un 43% de incremento en la superficie y con un 96% en los volúmenes de producción. Este aumentos en la producción de chiles, principalmente los picosos, se debe a la creciente demanda de este fruto en todas su presentaciones (fresco, seco y procesado), tanto para consumo directo como para usos industriales. Según los datos más recientes de FAOSTAT (2005), la superficie mundial sembrada de chiles asciende a 1 642 885 hectáreas, con una producción de 23 647 318 toneladas. De todo el mundo China es el país que presenta una mayor participación en la producción de chiles, con una producción anual de 12 028 000 toneladas. Esto es el 51% de la producción mundial de chiles. México ocupa el segundo lugar en volumen de producción y el tercero en superficie cosechada, con 140 693 hectáreas y 1 853 610 toneladas anuales, participando con el 9% de la producción mundial en toneladas. La tabla 5.3 presenta a los cinco principales productores de chile, su áreas de cultivo, rendimientos y producción. Tabla 5.3. Los cinco principales productores de chile a nivel mundial, su áreas de cultivo, rendimientos y producción (FAOSTAT, 2005) PAÍS China México Turquía España Otros TOTAL

ÁREA (has) 602500 140693 88000 22700 768992 1622885

RENDIMIENTO (ton/Ha) 19.96 13.17 20 45.4

PRODUCCIÓN (ton) 12028000 1853610 1760000 1030500 6975208 23647318

La información de la tabla 5.3 se encuentra esquematizada en la figura 5.1.

Figura 5.1. Producción mundial de chiles, en porcentaje de participación (FAOSTAT, 2005)

A México le siguen Turquía, España, Estados Unidos, Nigeria, Corea y Ghana en superficie. Los países que presentan rendimientos más altos son aquéllos que emplean tecnologías de alta precisión para la Página | 9

aplicación de riegos y fertilizantes, entre los que se encuentran Kuwait, Israel, Japón y España, presentando rendimientos de arriba de 40 ton/ha. El rendimiento logrado en México es de 13.17 ton/ha, mientras que el rendimiento promedio mundial es de 14.38 ton/ha, debido principalmente a la mediana a baja tecnología de producción que tienen la mayoría de las regiones del país. Cabe señalar que dentro de los productores de chile se encuentra un gran número de países latinoamericanos y asiáticos, sin embargo, su contribución individual en la producción individual en la producción mundial no es significativa El comercio mundial de chiles ha presentado un aumento constante desde 1993. El volumen de las importaciones se ha incrementado 112%, mientras que su valor lo ha hecho en 147%. Las exportaciones han aumentado en estos diez años un 95%, mientras que su valor lo ha hecho en 147%, según datos de la FAOSTAT (2005). Estados Unidos, Alemania y Francia son los tres países con mayor participación en las importaciones, representando entre los tres el 51% del volumen y el 54% del valor de las importaciones. Le siguen Reino Unido y Canadá (ver figura 5.2).

Figura 5.2 Importaciones mundiales de Chile, en porcentaje de participación por toneladas importadas (FAOSTAT, 2005)

Si bien es cierto que no se consume el producto en estos países en el mismo volumen que en América Latina o Asica, éstos destinan una mayor superficie al cultivo de otros productos de mayor demanda en sus mercados, de ahí que abastezcan sus necesidades de chile en los mercados externos. Por otro lado, estos países importan el producto en forma de materia prima para posteriormente aplicarle un proceso de industrial que permita exportarlo hacia otros mercados.

Figura 5.3. Exportaciones mundiales de chile, en porcentaje de participación por toneladas exportadas (FAOSTAT, 2005)

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Los principales países exportadores de chiles según datos de la FAOSTAT (2005), son España, México y Holanda, que entre los tres abarcan más del 66% del volumen y 74% del valor económico de las exportaciones mundiales (figura 5.3). En este punto destaca Holanda, país que ni siquiera figura en el top 5 de productores, pero que por sus altísimos rendimientos (asociados a buenas tecnologías de siembra y cultivo) y casi nulo consumo interno se coloca como el tercer lugar en exportaciones. Es relevante mencionar la situación de México, que es el segundo productor y también el segundo exportador, pese a que una gran parte del volumen producido se queda para autoconsumo. 1.3.1.2.

PRODUCCIÓN DEL CHILE EN MÉXICO Y VARIEDADES MÁS IMPORTANTES

México destaca a nivel mundial por tener la mayor variabilidad genética de Capsicum annuum, que ha dado origen a un gran número de variedades o tipos de chile, entre los que destacan el serrano, jalapeño, pasilla, guajillo y de árbol. Existen especies que son empleadas para producto fresco, encurtido y deshidratado, y las especies que se producen en mayor cantidad son: Capsicum annuum L. (jalapeño, serrano, pasilla, guajillo, ancho, mulato, pimiento morrón y chile bell), Capsicum frutescens L. (chile manzano) y Capsicum chínense (chile habanero). Los principales tipos de chile cultivados y disponibles en el país, su rango de pungencia y su contenido de capsaicinoides se indican en las tablas 5.4 (para chile fresco) y 5.5 (para chile seco). Tabla 5.4. Principales variedades de chile fresco cultivado y disponible en México, nivel de pungencia, contenido de capsaicina y producción anual en el país CHILE

NIVEL DE PUNGENCIA (SHU) Habanero 200,000 - 350,000 De árbol 15,000 - 30,000 Jalapeño 2,500 - 8,000 Serrano 10,000 - 23,000 Manzano 2,500 - 3,000 Poblano 1,000 - 1,500 Bell Pepper 0 * López-Carrillo et al, 2005 ** SIAP - SAGARPA, 2004

CONTENIDO DE CAPSAICINA* (mg/g) 8.55 2.35 2.08 0.32 0.2 0.08 0

PRODUCCIÓN ANUAL EN MÉXICO** (ton/año) 4589 104 229508 109567 70 28479 51808

Tabla 5.5. Principales variedades de chile seco disponible en México, nivel de pungencia, contenido de capsaicina y producción anual en el país CHILE

RANGO DE PUNGENCIA

SHU Piquín 50,000 – 100,000 Pasilla 1,000 - 2,000 Chipotle 10,000 – 23,000 Ancho 2,500 - 3,000 Guajillo ND * López-Carrillo et al, 2005 ** SIAP - SAGARPA, 2004

CONTENIDO DE CAPSAICINA* (mg/g)

PRODUCCIÓN ANUAL EN MÉXICO** (ton/año)

mg/g 1.44 0.65 0.52 0.2 0.11

ton/año 38 236 (Jalapeño) 1995 2112

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La figura 5.4 resume la información presentada en las tablas 5.4 y 5.5.

Figura 5.4. Producción de las principales variedades de chile en México, en porcentajes de producción

México es un gran consumidor, con un consumo per cápita en 2001 de 8.7 kilogramos. La SAGARPA (2002) declaró que durante el 2002 México era el tercer productor mundial de chile, con 180 mil toneladas al año. Para el 2005, Díaz (2006) reporta que el país ocupaba ya el segundo lugar, sólo después de China. No obstante, los mexicanos representan al tercer mayor consumidor mundial del producto fresco, después de EU y Malasia, de modo que la mayor parte de la producción se destina a consumo interno, con lo que el volumen de exportación se reduce significativamente. 1.3.1.3.

EL CHILE JALAPEÑO

El chile jalapeño, es un tipo de chile fresco, color verde o verde oscuro, de forma cónica alargada. Mide en promedio unos 6 cm de largo y 2.5 cm de ancho. Se le da este nombre porque se dice que antiguamente se cultivaba en Jalapa, Veracruz desde donde se comercializaba a otras partes, actualmente ya no se cultiva ahí, pero es un Chile muy famoso y utilizado en la Gastronomía Veracruzana. En la Capital también se le llama Chile Cuaresmeño porque antiguamente sólo lo llevaban durante la época de cuaresma. Cuando llega a su estado de maduración toma un color rojo intenso y se utiliza indistintamente como el verde. En las versiones secas es de los más importantes pues se convierte en el Chipotle.

En México el chile jalapeño se cultiva en 140 mil hectáreas, y es la hortaliza picante que más se produce, comercializa, empaca e industrializa para el mercado fresco, de las cuales se consumen aproximadamente una 600 toneladas diarias; 300 de poblanos y otras 300 de serranos (SAGARPA, 2002). 1.3.1.4.

PRECIOS DEL CHILE JALAPEÑO EN MÉXICO

La CONAPROCH, una comisión destinada al estudio del chile que forma parte de la SAGARPA, recopiló los precios mensuales de chile jalapeño durante el 2005. La información se presenta en la figura 5.5. Se observa que en 2005, el precio promedio del jalapeño fue de MXN$ 5.54, que comparado con los precios promedio del chile verde (MXN$ 6.92) y chile ancho (MXN$ 38.94), se colocó como el chile más barato del país en 2005. Página | 12

Figura 5.5. Precio mensual del chile jalapeño en los tres principales centros de abasto del país (CONAPROCH, 2006)

Hasta la fecha de elaboración de este proyecto, la Secretaría de Economía, a través del Sistema Nacional de Información e Integración de Mercados, ha publicado el comportamiento de los precios del jalapeño hasta el año 2004, por lo que se decidió utilizar la información más actualizada presentada por CONAPROCH. El precio más reciente corresponde al reportado durante la semana comprendida entre el 12 y el 16 de noviembre de 2007, y es de MXN$ 5.90 / kg (Secretaría de Economía, 2007).

1.3.2. EL SOLVENTE DE EXTRACCIÓN Los capsaicinoides son compuestos predominantemente no polares, al contener una larga cadena alifática y un anillo bencénico en su estructura. No obstante, la presencia de grupos polares como lo son un grupo amino, un grupo carboxilo, un grupo hidroxilo y un grupo éster, le quitan a los capsaicinoides el carácter de “extremadamente no polar”, convirtiéndolos en moléculas con características de solubilidad interesantes. Por ejemplo, los capsaicinoides son prácticamente insolubles en agua, pero bastante solubles en solventes orgánicos de relativamente baja volatilidad, como los alcoholes y alcanos de alto peso molecular, ésteres, y muchos otros compuestos. Como regla general, puede decirse que un buen solvente de extracción de capsaicinoides será aquél que posea los mismos grupos funcionales que éstos, y que además tenga una polaridad similar, es decir, el mismo balance entre grupos polares y no polares en su estructura. A continuación se presentan algunos ejemplos de buenos solventes de extracción de capsaicinoides:
Cloroformo
Hexano
Pentano
Acetona
Etiléter
Acetato de etilo
Cloruro de metilo
Etanol
2-propanol Página | 13





Metanol Ácido acético

Existe una buena cantidad de investigación en torno a la extracción de capsaicinoides encaminada a la obtención de OC de pungencias variables, para distintas aplicaciones. A la fecha de elaboración de este proyecto, se encontraron 12 trabajos diferentes, reportando como “óptimos” a 12 distintos solventes de extracción. Cada trabajo presenta ligeras variaciones en sus metodologías, que son las que posiblemente pudieron haber ocasionado las diferencias en recuperaciones, que finalmente orillaron a cada uno de los autores a reportar sus propuestas como las óptimas. La tabla 5.6 muestra esta recopilación de solventes óptimos reportados, producto de la revisión de varios trabajos de investigación disponibles en la literatura. Tabla 5.6. Solventes de extracción óptimos sugeridos en la literatura (elaboración propia) FUENTE

SOLVENTE(S) PROPUESTO(S)

University of Maryland (2006)

Dietiléter

Torres (2005) Huang et al () Barbero (2006) Sharma (2004) Ahmed et al (2002)

Pentano, Hexano, Butano, Propano Acetonitrilo Metanol, Etanol, Mezcla Etanol-Agua Etanol, Acetonitrilo, Acetona Etanol 96% (v/v)

Paterek et al (2003)

Hexano, Cloruro de metilo, solución acuosa ácida (pH= 2), solución acuosa alcalina (pH= 12)

AOAC (1999) Santamaría et al (2000) Gnayfeed et al (2001)

Etanol 96% (v/v) Etanol 96% (v/v), Mezclas Etanol-Agua CO2, Propano

Barbero (2006)

Metanol, Etanol, Acetona, Acetato de Etilo, Mezclas Etanol-Agua

Rodríguez et al (ND) Méndez (2005) Amaya et al (1997) Celis (2005)

Etanol 96% (v/v) Etanol 96% (v/v) Acetona Ácido acetico

Para extracción de capsaicinoides a presión atmosférica, la literatura sugiere que el solvente óptimo para extracción de capsaicinoides a presión atmosféricas es: etanol puro (AOAC, 1999) (Santamaría et al, 2000) (Méndez, 2005), acetona (Amaya et al, 1997), acetonitrilo (Sharma et al, 2004) (Huang et al, ND), pentano (Torres, 2005), propano (Gnayfeed et al, 2001), ácido acético (Celis, 2005); y aunque algunos autores sugieren el uso de mezclas de varios solventes y/o disoluciones acuosas, únicamente dos de ellos reportan haber experimentado con mezclas binarias Etanol-Agua en composiciones variables: por un lado Barbero et al (2006), en dos de sus trabajos enfocados al estudio de la extracción presurizada y la extracción asistida por microondas, respectivamente; y por otro lado Santamaría et al (2000), quien reporta el uso de mezclas acuosas de etanol varios porcentajes para la obtención selectiva de capsaicinoides y carotenoides. Uno de los motivos para experimentar con mezclas etanol-agua, es que el costo de solvente se reduciría de manera importante, además de que se manejaría una oleorresina con un grado de inflamabilidad y toxicidad bastante inferior. Por otro lado, el procesamiento de esta mezcla binaria traería, al menos indirectamnte, temperaturas de maceración ligeramente superiores a las esperadas con etanol grado industrial, encaso de que se eligiera maceración a presión constante como método de extracción. La figura 5.6 muestra el diagrama T-x,y EtOH, para el equilibrio líquido-vapor en un sistema binario etanol-agua a presión constante de 598 mmHg.

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T - xEtOH,yEtOH (base volumen)

96 94

Interfaz de Burbuja Interfaz de Rocío

T (°C)

92 90 88 86 84 82 80 78 76 74 72 70 0

0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 xEtOH,yEtOH (base volumen)

0.9

1

Figura 5.6. Diagrama T-x,y EtOH, que muestra el equilibrio líquido-vapor para un sistema binario etanol-agua a presión constante de 598 mmHg. Predicho en Aspen Plus, Método UNIQUAC, con los parámetros faltantes predichos con UNIFAC

El uso de una mezcla etanol-agua sobre otros solventes está ligada, entonces, a la búsqueda de mejores condiciones de seguridad para los operadores de la planta. La legislación de la Unión Europea, a través de la comisión para las Comunidades Europeas, establece que puede utilizarse etanol como solvente de extracción en la producción de la oleorresina capsicum para consumo alimenticio. Tanto el ingrediente activo de la oleorresina (capsaicinoides), como el solvente de extracción elegido en este proyecto (etanol), se clasifican como sustancias aptas para consumo humano directo, subclasificadas como sustancias de tipo GRAS (Generally Recognized As Safe). La mayoría de sustancias GRAS no tienen restricción en cuanto a la cantidad utilizada, en materia de seguridad. La legislación norteamericana también aprueba el uso de etanol grado industrial como solvente de de oleorresinas para uso alimenticio, al incluirlo como uno de los materiales sugeridos.

1.3.2.1.

PRECIOS DE ETANOL

Los precios de venta del etanol, al igual que los del chile jalapeño, han presentado variaciones importantes en lo últimos meses y años, debido principalmente a su reciente incorporación como biocombustible, y a la caída en la producción mundial de sus materias primas. Página | 15

A manera de referencia, se presentan los precios internacionales de etanol grado industrial durante el año 2007 (figura 5.7).

Figura 5.7. Precios de etanol grado industrial (en USD$/gal) en EUA durante el período comprendido entre enero 2007 y septiembre 2007 (Hart, 2007)

Se observa en la figura 5.7 que el precio internacional del solvente ha caído de manera importante durante los últimos dos meses, teniendo un precio actual de aproximadamente USD$ 0.32 /litro. En México, Muñoz (2007) puntualiza que producir etanol cuesta de $ 6 a 7 pesos por litro (a partir de caña de azúcar). El precio del etanol industrial grado alimenticio, es de alrededor de MXN$ 10ºº, ya con impuestos (en México, diciembre 2007). 1.4. PASOS EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE LA OLEORRESINA CAPSICUM El tratamiento industrial al que es sometida la materia prima puede variar y/o puede saltarse algunos pasos, pero en general sigue la cronología presentada en la figura 5.8:

COSECHA

LAVADO

SECADO

MOLIENDA

ANÁLISIS INSTRUMENTAL

EXTRACCIÓN EVAPORACIÓN

Figura 5.8. Diagrama cronológico del proceso de producción de OC

1.4.1. COSECHA Desde que el chile brota en la planta, se comienzan a bio-sintetizar capsaicinoides en la placenta, en muy bajas cantidades. A medida que el fruto comienza a crecer y a madurar en la planta, la concentración comienza a incrementarse hasta llegar a un valor máximo (valor óptimo) después del Página | 16

cual, la cantidad de capsaicinoides comienza a decrecer como consecuencia de su oxidación con peróxido de hidrógeno también presente en el fruto. Iwai et al. (1979) sugirieron que la producción de capsaicinoides se incrementa con la maduración hasta alcanzar un límite máximo, a partir del cual disminuye súbitamente hasta en un 60%. Bernal et al. (1993), fueron los primeros en afirmar que los capsaicinoides dentro de los chiles se degradan por efecto de la oxidación con peróxidos. Contreras et al (1998) estudiaron el perfil de concentraciones de capsaicinoides en chile habanero, de árbol y piquín, a diferentes tiempos de maduración y cosecha, para determinar un tiempo de cosechado óptimo que maximice la concentración de los capsaicinoides en la materia prima. Concluyeron que para chile habanero y de árbol, el tiempo óptimo de cosecha era de alrededor de 50 días a partir del brote del chile en la planta, mientras que para chile piquín este tiempo era de 40 días. Ruiz et al (2002) reportan para chile jalapeño, que el tiempo óptimo de maduración es de 25 días después del brote, con un tiempo diario de exposición solar de 16 horas, en promedio. Pordesimo et al (2004) realizaron un extenso estudio sobre el comportamiento de la concentración de capsaicinoides en el chile jalapeño durante su crecimiento en planta, antes de la cosecha. Una de sus contribuciones más valiosas se relaciona con lo referente al estado de maduración del fruto: concluyeron que no había una diferencia significativa en el nivel de capsaicinoides en el chile jalapeño “verde” (sin madurar) y el chile jalapeño “rojo” (más maduro). Esto indicaría que no hay necesidad de clasificar o seleccionar los chiles antes de la extracción, con lo cual se evita un paso en la preparación de las materias primas. 1.4.2. LIMPIEZA Este paso muchas veces es obviado, pero no deja de ser fundamental. Los objetivos de la limpieza son:
Remover tierra, piedras, lodo, raíces, hojas, y demás materia orgánica que por alguna razón vino adjunta al chile
Asegurar que el chile viene en buen estado de maduración, es decir, remover aquellos frutos en estado de putrefacción o que tengan evidencias de plaga o contaminación. 1.4.3. SECADO Para operaciones de maceración y extracción sólido-líquido de materiales orgánicos, algunos autores aconsejan el secado previo de la materia prima, ya que éste rompe la pared celular, facilitando el acceso del solvente en el interior de la estructura del sólido. Por otro lado, el secado favorece un contacto más efectivo entre el solvente y el material orgánico, pues al romperse la pared celular se maximiza el área de transferencia de masa que propicia un mejor flujo interfacial. Sin embargo, el secado puede ser contraproducente si no se lleva a cabo de forma controlada. Esto debido a que exige un tratamiento térmico adicional de la materia prima, independiente a la maceración, que puede generar una degradación térmica adicional /ver apartado de Degradación térmica de los capsaicinoides). Además, deben considerarse los costos de operación del secador a utilizar, y después de un análisis económico concluir si el aumento esperado en la recuperación de

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capsaicinoides que pudiera traer el secado realmente justificaría el incremento en costos fijos y de operación asociados a esta operación. Sharma et al (2004) reportan para el secado de chile habanero un tiempo de 24 horas, a una temperatura de 65ºC. El secado es, pues, una opción que puede o no descartarse durante la síntesis del proceso de producción de la oleorresina. La decisión de incluir este paso o no dependerá de factores más bien de índole económica, así como de las características finales deseadas en el producto. 1.4.4. EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO La extracción de capsaicinoides para la obtención de OC es una extracción tipo sólido-líquido. La literatura reporta una gran variedad de técnicas de extracción, desarrolladas a nivel de laboratorio para la obtención de OC para distintos fines. Pese a que algunas de las metodologías consiguen buenas recuperaciones, su implementación industrial todavía está obstaculizada por los altos costos del equipo, la falta de tecnología en la industria y la todavía escasa comprensión del proceso que impide modelarlo y controlarlo de manera óptima. La tabla 5.7 presenta un resumen de los métodos de extracción de capsaicinoides de chile, reportados en la literatura. La extracción de capsaicinoides típicamente se ha logrado a través de los métodos más simples como la maceración y extracción Soxhlet, dado que las limitaciones tecnológicas actuales y la gran complejidad de algunas técnicas novedosas siguen encareciendo su implementación en la industria.

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Extracción a reflujo

AOAC (1999) Etanol 96% (v/v)

No especificado

Serrano, Habanero, De Árbol

Soxhlet

Paterek et al (2003)

Hexano, Cloruro de metilo, solución acuosa ácida (pH= 2), solución acuosa alcalina (pH= 12)

Maceración con reflujo

Ahmed et al (2002) Verde

Maceración

Sharma (2004)

Etanol

Habanero

Etanol, Acetonitrilo, Acetona

Ebullición del solvent

Ebullición del solvent

Ebullición del solvent

Ebullición del solvent

50 - 200ºC (presurizado)

Cayena

Metanol, Etanol, Mezcla Etanol-Agua

Maceración presurizada

Barbero (2006)

Ebullición del solvent Ebullición del solvent

Habanero

Pentano, Hexano, Butano, Propano

Ebullición del solvent

EXTRACCIÓN

TEMPERATUR A DE

Acetonitrilo

Maceración con reflujo

Torres (2005)

Salsas

TIPO DE CHILE EXTRAÍDO

Dietiléter

SOLVENTE

Huang et al ()

Maceración

EXTRACCIÓN

TIPO DE

University of Maryland (2006)

FUENTE

PROPORCIÓN

Sin evaporación

Rotavapor

Calentamiento con baño de agua

Calentamiento con baño de agua

25 g chile fresco : 200 ml solvente

40 g chile seco : 350 ml solvente

1 g chile : 100 ml etanol

15% (p/v)

0.7 g chile : 10 ml solvente

227 g chile : 500 ml solvente

Calentamiento con baño de agua hasta 64°C, a presión atmosférica

Sin evaporación

3ml de salsa : 12 ml solvente

CHILE:SOLVENTE

Calentamiento y aplicando vacío

EVAPORACIÓN

5 horas

18 horas

3 horas

1 hora

NE

2 minutos de mezclado/moli enda, 8 horas de sedimentación

15 minutos

EXTRACCIÓN

TIEMPO DE

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Sin secado

Secado a 70°C durante 12 horas

Sin secado

Sin secado / Con secado: a 65°C durante 24 horas

Sin secado

Sin secado

Sin secado

SECADO

Tabla 5.7. Técnicas de extracción de capsaicinoides desarrolladas por varios autores, y reportadas en la literatura (elaboración propia)

Extracción asistida con microondas

Maceración

Rodríguez et al (ND)

Extracción en agitador rotatorio a 120 rpm, con tratamiento enzimático previo de la materia prima Extracción supercrítica

EXTRACCIÓN

Barbero (2006)

Gnayfeed et al (2001)

(Santamaría et al, 2000)

FUENTE

Ebullición del solvent

Capsicum annuum, Capsicum frutescens, Capsicum chinense

Etanol

50 - 200ºC

No especificado

Metanol, Etanol, Acetona, Acetato de Etilo, Mezclas Etanol-Agua

Variable

50ºC

EXTRACCIÓN

DE

TEMPERATURA

No especificado

Guajillo

TIPO DE CHILE EXTRAÍDO

CO2

Etanol 96% (v/v), Mezclas EtanolAgua

SOLVENTE

Sin evaporación

Sin evaporación

Sin evaporación

Sin evaporación

EVAPORACIÓN

Entre 3:1 y 10:1 (chile:solvente)

Entre 0.1 – 1 g de chile, y 15 – 50 ml de solvente

Variable

1:50 (p/v) chile/solvente

3 horas

5 - 20 minutos

Variable

7 horas

TIEMPO DE EXTRACCIÓN

PROPORCIÓN CHILE:SOLVENTE

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Sin secado

Sin secado

Sin secado

Sin secado

SECADO

Tabla 5.7. (continuación) Técnicas de extracción de capsaicinoides desarrolladas por varios autores, y reportadas en la literatura (elaboración propia).

1.4.4.1.

MACERACIÓN

La maceración consiste en la transferencia selectiva de uno o varios componentes de un sólido hacia un líquido soluble. Este líquido, llamado solvente, debe tener una gran afinidad química con el componente que se desea extraer. Además es deseable que su volatilidad sea moderada (punto normal de ebullición entre 0 y 200°C), y su toxicidad baja. En la maceración, la recuperación aumenta con la temperatura debido a que la solubilidad de los sólidos es directamente proporcional y particularmente sensible a esta variable. Sucede lo mismo con la presión, aunque el efecto no es tan significativo como con la temperatura, y por otro lado, operar a presiones altas resulta más costoso que trabajar a temperaturas elevadas. Podría decirse que el beneficio de trabajar a presiones elevadas radica en el hecho de que muchos de los mejores solventes son tan volátiles que su uso en lixiviaciones a presión atmosférica se dificultaría (Barbero, 2006). Es evidente que la máxima temperatura operable en maceración es la de vaporización del solvente, pues un contacto gas-líquido resulta mucho menos eficiente que uno líquido-sólido. Por este motivo, por lo general las lixiviaciones se realizan en condiciones de burbuja. En cuanto a presión, prácticamente no existe un límite técnico, pero el aspecto económico con frecuencia obliga a trabajar a presiones atmosféricas. 1.4.4.2.

MACERACIÓN CON REFLUJO

La maceración con reflujo es una modificación a la técnica tradicional de maceración en la que se busca la recuperación del solvente, por condensación directa, y así reducir los costos de operación. Por ende, Esta técnica se lleva a cabo estrictamente en condiciones de burbuja del solvente. Al equipo de maceración se le coloca un enfriador, acoplado en la parte superior, que condensa y restaura el solvente que por calentamiento escapa en forma de vapor. La temperatura del medio de enfriamiento debe ser lo suficientemente baja, y la longitud del condensador lo suficientemente grande para minimizar las pérdidas de solvente. 1.4.4.3.

EXTRACCIÓN SOXHLET

En la extracción Soxhlet, el material sólido que se desea extraer es colocado dentro de un sujetador vertical, conocido como cartucho de extracción o cartucho Soxhlet, y solvente líquido es colocado en un matraz de bola, el cual está acoplado justo debajo del cartucho. En la parte superior se encuentra acoplado un condensador refrigerado con agua de enfriamiento. De forma paralela al cartucho Soxhlet se encuentran dos tubos conductores de vapor y líquido: el primer conducto se encarga de conducir el solvente evaporado desde el matraz de bola hasta el extremo inferior del refrigerante, sin pasar por el cartucho; el segundo tubo con forma de “U” invertida, se conoce como sifón y se encarga de transportar el líquido condensado de regreso hacia el matraz, en donde volverá a evaporarse para cerrar el ciclo. El funcionamiento del equipo Soxhlet podría describirse de la siguiente forma: el solvente se evapora en el matraz de bola por calentamiento, sube por el tubo y llega al condensador, en donde regresa a su forma líquida. En este punto, cae y moja al material que se encuentra empacado dentro del cartucho de extracción, lugar en donde se da el contacto sólido-líquido a la temperatura de saturación del solvente, y se lleva a cabo la transferencia de masa interfacial y selectiva de componentes hacia el solvente. Conforme el cartucho se comienza a inundar con solvente, el sifón se empieza a llenar hasta Página | 21

rebasar la altura de la “U” invertida. Cuando esto ocurre, el líquido cae y regresa al matraz, en donde vuelve a ser evaporado para completar el ciclo. El proceso se interrumpe cuando se alcanza la concentración deseada de un componente en el solvente. La figura 5.9 muestra el set-up típico de un sistema Soxhlet.

Figura 5.9. Diagrama de un equipo Soxhlet

1.4.4.4.

EXTRACCIÓN SUPERCRÍTICA

El estado supercrítico se alcanza cuando la temperatura y presión de una sustancia exceden sus valores críticos. El fluido supercrítico tiene las características tanto de un gas como de un líquido. Las ventajas de los solventes supercríticos sobre los subcríticos son: Su poder como solvente depende sólo de su densidad, la cuál puede ajustarse fácilmente cambiando la presión o la temperatura Tiene un coeficiente de difusión mayor y una menor tensión superficial y viscosidad que un solvente líquido, favoreciendo la transferencia de masa aún más. Un sistema de extracción supercrítica típico se muestra en la figura 5.10. La materia prima es colocada en un contenedor equipado con válvulas de control de temperatura y presión para mantener las condiciones de extracción deseadas. El contenedor es presurizado con el fluido (solvente de extracción) con una bomba. Luego el solvente y los materiales disueltos en él son transportados a tanques separadores, en donde se baja la presión y/o se aumenta la temperatura para separar al solvente del extracto. el extracto es recuperado en el fondo de los tanques. Mientras tanto, el fluido es regenerado y reciclado.

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Figura 5.10 Sistema típico de extracción supercrítica

El CO2 se ha convertido en el solvente supercrítico por excelencia, debido a la reducción importante en sus precios y a las limitaciones que se tienen con otros solventes orgánicos. Además, el CO2 no es inflamable, no es tóxico y representa una buena alternativa para extraer hidrocarburos. Para extraer compuestos polares, algunos fluidos supercríticos como el freón-22, óxido de nitrógeno y hexano se han considerado. Ventajas
Más rápida que los procedimientos de extracción líquida tradicionales
Emplea menos disolvente que las extracciones tradicionales
Es muy selectiva
El extracto puede estar concentrado y puro al eliminarse inmediatamente el dióxido de carbono al acabar la extracción Desventajas
Costo elevado del equipo
La técnica es más compleja y difícil de optimizar
El efecto de la matriz es muy importante y no siempre existe un método desarrollado
No es muy efectiva para extraer compuestospolares y requiere la adición de modificadores 1.4.4.5.

FACTORES EN LA EXTRACCIÓN

La recuperación de capsaicinoides en la extracción depende de diversos factores:  Tipo de solvente y su afinidad físico/química con los capsaicinoides  Temperatura de extracción  Relación chile-solvente durante la extracción  Tiempo de extracción  Presión 1.4.4.5.1.

TIPO DEL SOLVENTE DE EXTRACCIÓN

Es el factor más importante en la extracción, y uno de los principales responsables e la eficiencia de proceso. La elección del solvente de extracción óptimo para extraer capsaicinoides se discute, así Página | 23

como los solventes reportados en la literatura se presentan en el apartado 4.f el solvente de extracción 1.4.4.5.2.

PRESIÓN

La presión tiene un efecto importante en las extracciones sólido-líquido. “Altas temperaturas y presiones pueden modificar considerablemente las propiedades físicas de los solventes de extracción con efecto de aumentar la selectividad” (Barbero et al, 2006). Por otro lado, realizar la extracción a presiones elevadas, del orden de 100 atm, de acuerdo a lo estudiado por Barbero et al (2006), automáticamente incrementa la temperatura de extracción, pues a mayores presiones la temperatura de equilibrio aumenta, cualquiera que sea el solvente. El aumento en la degradación térmica de los capsaicinoides, que está asociada a trabajar con temperaturas mayores, se evita removiendo todo el aire que pudiera estar presente en la celda presurizada. De este modo, Barbero et al (2006) aparentemente logran minimizar la degradación de capsaicinoides, extrayendo a temperaturas que van de 50 hasta 200ºC. Aunque aumentar la presión ofrece una reducción sustancial de la cantidad de solvente utilizado, disminuye el tiempo de análisis de extracción, y minimiza la degradación térmica, es una técnica muy costosa, ya que exige el uso de celdas presurizadas y equipo caro, delicado y poco accesible, de uso casi exclusivo para laboratorio, por lo que la implementación a nivel industrial de esta técnica no es factible. 1.4.4.5.3.

TEMPERATURA DE EXTRACCIÓN

En extracción sólido-líquido, aumentar la temperatura tiene el efecto de incrementar la velocidad de extracción, ya que mayores temperaturas aumentan la solubilidad de los sólidos en un líquido Sin embargo, la temperatura máxima para cada sistema estará limitada por el punto de ebullición del solvente, el punto de degradación del producto o del solvente, la solubilidad de impurezas y por motivos económicos (limitaciones en consumo de cargas térmicas) En la maceración con reflujo, se observa que la temperatura de extracción es función precisamente del tipo de solvente usado, ya que al ser una técnica que opera justo en el equilibrio líquido-vapor, la temperatura automáticamente queda limitada a la T de burbuja del solvente, a la presión del sistema. Por tal motivo, la temperatura de extracción dependerá totalmente del tipo de solvente elegido y de sus propiedades en el equilibrio. Después de aclarar este doble efecto que tiene la elección del solvente sobre la eficiencia de extracción, resulta evidente que es ésta la variable más importante a monitorear.

1.4.4.5.4.

RELACIÓN CHILE-SOLVENTE DURANTE LA EXTRACCIÓN

Está determinada por el equilibrio sólido-líquido del sistema ternario capsaicinoides-chile-etanol. Debido a que se desconoce este equilibrio, no es posible determinar una relación óptima chile: solvente de manera teórica, y sólo existe información empírica al respecto, como la reportada por varios investigadores o estándares como AOAC.

1.4.4.5.5.

TIEMPO DE EXTRACCIÓN

Siempre y cuando el producto sea térmicamente estable y no ocurran reacciones químicas con el solvente, puede afirmarse que un mayor tiempo de contacto entre el sólido y el solvente aumentará Página | 24

la eficiencia. Además, la agitación da una mayor eficiencia en la extracción debido a que disminuye la película de fluido que cubre la superficie del sólido en reposo y que actúa como una resistencia a la difusión. 1.4.4.5.6.

ÁREA DE CONTACTO SÓLIDO-LÍQUIDO

Para conseguir una extracción lo más rápida y completa posible de la sustancia sólida, se tiene que ofrecer al disolvente superficies de intercambio grandes y recorridos de difusión cortos. Esto se puede lograr triturando la sustancia sólida a extraer. Un tamaño de grano demasiado pequeño puede causar, por el contrario, apelmazamiento que dificulta el paso del disolvente. 1.4.4.6.

RECUPERACIÓN DE CAPSAICIONES EN LA EXTRACCIÓN

En la extracción a reflujo, la recuperación de capsaicinoides puede definirse como: Recuperación de capsaicinoides =

mg de capsaicinoides extraídos de 100 g de chile fresco 100 g de chile fresco

Está claro que se busca maximizar el rendimiento de extracción, pues en la medida en la que la se aumente la recuperación de capsaicinoides de la materia prima, se obtendrá un mayor beneficio de las misma cantidad de materias primas, se minimizará la generación de desperdicios, y se ahorrará en costo de equipo y costos de operación. 1.4.5. EVAPORACIÓN El proceso de evaporación esencialmente implica concentrar la oleorresina de la planta de pimiento capsicum por evaporación del solvente y, finalmente, extraer el solvente para alcanzar los límites de solvente residual. Las técnicas convencionales de concentración y extracción de solvente emplean evaporación en lotes. En este proceso, la oleorresina se cocina durante un período prolongado, lo que reduce directamente su calidad. 1.4.5.1.

DESTILACIÓN SIMPLE

Consiste en remover el componente más volátil de la mezcla por diferencia en puntos de ebullición. Representa un método sencillo, pero lento, para concentrar la oleorresina. La figura 5.11 muestra el armado del equipo de laboratorio para llevar a cabo este tipo de separación líquido-líquido.

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Figura 5.11. Ensamblado experimental de una destilación simple

1.4.5.2.

DESTILACIÓN A VACÍO (ROTAEVAPORADOR)

Consiste en un motor eléctrico que produce el giro de un tubo con un ajuste esmerilado al que se acopla un matraz de fondo redondo que contiene la disolución. Dicho matraz se sumerge parcialmente en un baño de agua, manteniendo el giro. La temperatura del baño no debe exceder de 35-40ºC, para la manipulación de los disolventes orgánicos más comunes. Acoplado al sistema, se encuentra un refrigerante por el que circula un líquido, por lo general agua, que produce la condensación del disolvente que se recoge en un colector. El conjunto constituye un sistema cerrado conectado a una bomba de vacío, bien una trampa de agua o un circuito de vacío. Es un método que, por sus complicaciones técnicas y altos costos de operación y mantenimiento, difícilmente llega a ser aplicable fuera del laboratorio. 1.4.6. TRATAMIENTO TÉRMICO: DEGRADACIÓN DE LOS CAPSAICINOIDES La degradación térmica de los capsaicinoides es la principal desventaja de procesar los chiles mediante la técnica de maceración. La oleorresina, siendo un producto natural, es térmicamente sensible y el proceso debe diseñarse para reducir al mínimo la degradación térmica y conservar la acritud total. (Zarc Internacional Inc, 2003). Schweiggert et al (2006) afirman que el procesamiento térmico al que son sometidos los capsaicinoides durante el secado y/o la extracción, a temperaturas de hasta 100ºC, ocasiona una degradación térmica que puede ir desde el 21.7 hasta el 28.3% del contenido inicial de capsaicinoides. Barbero et al (2006), mencionan que la degradación térmica de los capsaicinoides requiere la presencia de aire. Desde el punto de vista de factibilidad técnica y económica, resultaría muy difícil tratar de aislar la atmósfera oxidante del aire durante cualquier proceso de extracción, bajo cualquier técnica. Los principales productos de la descomposición térmica a 200ºC y presión atmosférica son la 8-methy1-6-nonenamida, vainillina y ácido 8-metil-6-nonenoico (Henderson et al, 1992). Página | 26

Ahmed et al (2001) reportan que la extracción de capsaicina del chile verde fresco a una temperatura de 100ºC, durante 15 minutos, ocasiona una pérdida de capsaicina del 19.1%. Por otro lado, Pordesimo et al (2004), quienes estudiaron la degradación térmica de los capsaicinoides presentes en chile jalapeño fresco durante el secado no-convectivo a varias temperaturas, aseguran que no existe una pérdida significativa de capsaicinoides por descomposición térmica, al menos operando a temperaturas entre 27 y 85ºC. Esto indicaría que la degradación térmica ocurre arriba de los 85ºC, pero por debajo de los 100ºC, de acuerdo a las experiencias reportadas por estos investigadores. Debe tenerse en cuenta que aún bajo condiciones térmicamente estables, como temperatura y presión ambientes, la degradación puede continuar hasta un 11.9% adicional (Schweiggert et al, 2006), de modo que se sugiere almacenar los extractos en frascos herméticamente cerrados, en refrigeración. De este modo, puede afirmarse que cualquier proceso de secado o extracción al que sea sometida la materia (chile jalapeño fresco), deberá operar preferentemente por debajo de los 85ºC, para garantizar la mínima descomposición térmica de los capsaicinoides y no mermar el rendimiento global del proceso de extracción. De igual forma, los tiempos de procesamiento térmico del chile deberán realizarse en períodos de tiempo tan cortos como sea posible, pero al mismo tiempo lo suficiente como para asegurar una buena eficiencia de extracción. Finalmente, todos los productos y subproductos valiosos que sean obtenidos en el proceso de extracción, y que vayan a pasar por tiempo de almacenamiento antes de ser enviados al cliente, deberán ser refrigerados. 1.5. ANÁLISIS INSTRUMENTAL 1.5.1. CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS DE ALTO RENDIMIENTO (HPLC) La Cromatografía líquida de alta resolución o High performance liquid chromatography (HPLC) es un tipo de cromatografía en columna utilizada para separar los componentes de una mezcla basándose en diferentes tipos de interacciones químicas entre las substancias analizadas y la columna cromatográfica. En la HPLC isocrática el compuesto pasa por la columna cromatográfica a través de la fase estacionaria (normalmente, un cilindro con pequeñas partículas redondeadas con ciertas características químicas en su superficie) mediante el bombeo de solvente (fase móvil) a alta presión a través de la columna. La muestra a analizar es introducida en pequeñas cantidades y sus componentes se retrasan diferencialmente dependiendo de las interacciones químicas o físicas con la fase estacionaria a medida que adelantan por la columna. El grado de retención de los componentes de la muestra depende de la naturaleza del compuesto, de la composición de la fase estacionaria y de la fase móvil. El tiempo que tarda un compuesto a ser eluido de la columna se denomina tiempo de retención y se considera una propiedad identificativa característica de un compuesto en una determinada fase móvil y estacionaria. La utilización de presión en este tipo de cromatografías incrementa la velocidad lineal de los compuestos dentro la columna y reduce así su difusión dentro de la columna mejorando la resolución de la cromatografía. Una mejora introducida a la técnica de HPLC descrita es la variación en la composición de la fase móvil durante el análisis, conocida como elución en gradiente. El gradiente utilizado varía en función de la hidrofobicidad del compuesto. El gradiente separa los componentes de la muestra como una función Página | 27

de la afinidad del compuesto por la fase móvil utilizada respecto a la afinidad por la fase estacionaria. A menudo, hace falta realizar una serie de pruebas previas por tal de optimizar el gradiente de forma que permita una buena separación de los compuestos. 1.5.2. CROMATOGRAFÍA EN CAPA FINA (TLC) La cromatografía en capa fina convencional (TLC) resulta muy útil para determinaciones cualitativas y semi-cuantitativas. Sin embargo, no reúne la suficiente precisión para hacer determinaciones cuantitativas de manera adecuada. 1.5.2.1.













Es una técnica muy versátil que puede ser aplicada a casi cualquier tipo de compuesto. Es robusta. Las separaciones se logran en un tiempo mínimo (del orden de los tiempos requeridos por HPLC). TLC es probablemente la única técnica que garantiza un éxito en la separación de una mezcla desconocida. Al ser un tipo de cromatografía de “columna abierta”, se puede visualizar el plato completo. No hay nada oculto como sucede a veces en cromatografía de gases, en donde algunos componentes no son eludidos bajo ciertas condiciones. Por lo tanto, cada vez que se separa una mezcla por TLC se obtendrá un resultado, incluso si éste no es el óptimo. Método adecuado para determinaciones esencialmente cualitativas, o semi-cuantitativas. Se pueden analizar varias muestras al mismo tiempo, a diferencia de otras cromatografías, en donde se tiene la limitación de analizar una sola muestra a la vez. Puede realizarse al mismo tiempo con otros trabajos de laboratorio. No se requiere preparación adicional de la mezcla. Ahorro de solvente, pues cada cámara requiere 5 ml de fase móvil aproximadamente. Bajo costo del equipo. Manejo del equipo es menos complicado que HPLC. 1.5.2.2.





VENTAJAS DE LA TLC SOBRE OTRAS CROMATOGRAFÍAS

DESVENTAJAS DE TLC SOBRE OTRAS CROMATOGRAFÍAS

Requiere mucha labor manual y organización por parte del analista Su nivel de resolución y precisión la hacen inconveniente para determinaciones cuantitativas. Sin embargo, al ser una de las técnicas más versátiles, pueden hacérsele modificaciones y/o implementaciones que mejores la sensibilidad del método. No obstante, tales modificaciones involucran el uso de equipo mucho más complejo y costoso. (Hamilton et al, 1987) 1.5.3. CROMATOGRAFÍA EN CAPA FINA DE ALTO RENDIMIENTO (HPTLC)

Una mejora importante a la TLC, que aumenta la sensibilidad y flexibilidad de la técnica, fue la introducción de platos cromatográficos de alto rendimiento, dando lugar a lo que se conoce como Cromatografía en Capa Fina de alto rendimiento (HPTLC)

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HPTLC se diferencia del TLC convencional en dos aspectos principales: (1) el tamaño de las partículas utilizadas en la manufactura de los platos, (2) la necesidad de utilizar equipo mucho más complejo y preciso para obtener mediciones satisfactorias. El menor tamaño de partícula y la mayor uniformidad de la sílica gel (i.e. la fase estacionaria) resulta en una mucho mayor eficiencia cromatográfica en HPTLC que en TLC convencional, sin contar que las separaciones en la técnica mejorada se realizan en mucho menor tiempo. Debido a que la calidad de la capa es fundamental en HPTLC, se debe poder especial cuidado durante la elección de los platos. 1.5.3.1.

VENTAJAS DE HPTLC

Las ventajas que ofrece HPTLC sobre TLC son:
Mayor resolución
Mayor sensibilidad
Mejor reproducibilidad
Mayor número de muestras por plato
Rendimiento aproximado al del HPLC, si se lleva la técnica cuidadosamente 1.5.3.2.





DESVENTAJAS: DE HPTLC

Mayor costo que TLC convencional, pues se requiere un mejor control en cada uno de los pasos de la técnica, lo cual involucra el uso de instrumentación más compleja (aplicadores de muestra, cámaras cromatográficas, …) Se reduce la simplicidad del método 1.5.3.3.

RECOMENDACIONES EN HPTLC

CAMAG (2005) recomienda que para determinaciones cuantitativas con HPTLC:
Los márgenes izquierdo y derecho de la placa sean siempre mayores a 15 mm.
La muestra sea aplicada 8 mm por arriba del borde inferior del plato, de manera que se garantice que la muestra quede por arriba del solvente.
El nivel de la fase móvil contenida en la cámara cromatográfica no deberá rebasar los 5 mm.
La distancia entre los bordes de las bandas debe ser por lo menos de 2 mm.
Se recomienda aplicar las muestras con mínimo 5 mm de separación unas de otras. 1.5.3.4.

CUANTIFICACIÓN EN HPTLC

Para hacer la cuantificación del analito, primero debe identificarse su mancha correspondiente sobre la placa. Para hacerlo, es necesario correr una placa con un estándar que contenga exclusivamente al analito disuelto en la misma sustancia que actúa como solvente en la muestra, utilizando estrictamente las mismas fases móvil y estacionaria. A partir de esta corrida puede calcularse experimentalmente un valor de coeficiente de reparto (Rf) a usar en la cuantificación. Otro modo de identificar al analito es buscando directamente su valor de Rf en la literatura.

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Existen cuatro principales técnicas para cuantificar el analito una vez que éste ya ha sido separado o asilado de la mezcla inicial: Raspado y redisolución, comparación visual, medición de áreas y densitometría. 1.5.3.4.1.

RASPADO Y REDISOLUCIÓN

Consiste en raspar el área de la capa cubierta por la mancha identificada como el analito , y al menos 10% más de área en los alrededores para asegurar la recuperación de todo el analito y así evitar errores asociados al esparcimiento circular de la muestra sobre la fase estacionaria. Toda la materia que sea raspada de la placa deberá ser re-disuelta, formando una nueva solución binaria que podrá ser cuantificada por otros métodos analíticos, como espectrofotometría o fluorescencia, los cuáles de no haberse separado el analito del resto de los componentes en la capa fina, no habría podido ser utilizado. Resulta evidente que bajo este método de cuantificación, la cromatografía en capa fina funge únicamente como técnica de separación y la cuantificación se realiza con un método distinto. 1.5.3.4.2.

COMPARACIÓN VISUAL

Consiste en comparar el tamaño y/o la intensidad de color de una mancha identificada como el analito en la muestra, con el tamaño y/o la intensidad de color de una serie de manchas correspondientes a estándares de concentración conocida. Las ventajas de esta técnica de cuantificación es que es rápida y no requiere equipo de medición. No obstante, los resultados son sólo aproximados (semi-cuantitativos), y la incertidumbre puede ir desde el 10 hasta el 30%. La precisión puede mejorarse cuando se conoce un valor estimado de concentración del analito, y en base a éste se preparan estándares en intervalos más cerrados que permiten hacer cuantificaciones más certeras. La comparación por tamaño es más fácil en TLC que en HPTLC, debido a que el tamaño de partícula más pequeño en los platos de HPTLC provoca que el tamaño de las manchas no cambie mucho durante la migración y repartición de componentes en las fases. Por este motivo, cuando se utilicen placas de HPTLC, es preferible hacer la comparación por intensidad y no por tamaño (Fried et al, 1999). Cabe destacar que el ojo humano puede detectar diferencias de tamaño de forma más precisa que diferencias en intensidad. 1.5.3.4.3.

MEDICIÓN DE ÁREAS

Este método involucra el uso de técnicas como planimetría, fotocopiado, fotografiado, cortado y pesado, y medición directa de áreas. Aunque el porcentaje de error disminuye a un intervalo de hasta 5-15%, estas técnicas son muy tediosas y lentas, por lo que ya no son muy utilizadas. Es la forma más sencilla de cuantificación en HPTLC. Para que resulte una técnica de cuantificación confiable, es necesario que se cumpla con dos requisitos: (a) todos los puntos de muestra (manchas iniciales, de muestreo) deben tener áreas iguales, tanto para las muestras como para los estándares; (b) muestras y estándares deben ser corridos lado a lado en la misma placa, con la misma fase móvil (Fried et al, 1999);

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(c) las concentraciones deben de ajustarse de modo que las muestras y los estándares queden en un intervalo cerrado de concentraciones, y así se logre ubicar una correlación fina y lineal; (d) los valores de los coeficientes de reparto (Rf) de las muestras y estándares para el analito estén dentro de un intervalo de entre 0.3 y 0.7 (Touchstone, 1978). La precisión de la técnica puede mejorarse haciendo repeticiones en la cuantificación (duplicado o triplicado), y usando un rango más estrecho de concentraciones de estándares, una vez que ya se encontró el orden de magnitud de las muestras. 1.5.3.4.4.

DENSITOMETRÍA

Es la medición instrumental de la absorbancia de luz visible, luz UV o fluorescencia, directamente sobre la placa cromatográfica. Las mediciones pueden hacerse ya sea por transmisión a través de la placa, o bien por reflexión de la luz. Debe elegirse la longitud de onda óptima con la máxima absorbancia. Los analitos que no absorben luz, no son coloreados o no poseen fluorescencia de manera natural y espontánea, pueden ser derivatizados ya sea antes o después de la cuantificación, por tratamiento con un lactante cromogénico o fluorogénico. Se requiere un scanner que convierta las manchas en un cromatograma, el cual contenga una serie de picos, similares a los obtenidos en un cromatograma de HPLC. La posición de los picos en el cromatograma de HPTLC está relacionada con la distancia de migración (i.e. con el coeficiente de reparto) de las manchas en la placa, y la altura o el área debajo de los picos se relaciona con la concentración de los componentes de las manchas. La señal medida representa la absorción, transmisión o reflexión de luz que incide en las manchas, comparada contra una porción vacía de la placa.

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