Modelamiento de la extracción de compuestos bioactivos presentes en el ají charapita (Capsicum frutescens) mediante extracción asistida por ultrasonido

Abstract

Modelamiento de la extracción de compuestos bioactivos presentes en el ají charapita (Capsicum frutescens) mediante extracción asistida por ultrasonido El Perú se destaca como uno de los países con mayor diversidad de ajíes, y el ají charapita es una de las especies más representativas de la Amazonía. Sin embargo, los escasos estudios en torno a los ajíes nativos peruanos limitan su uso industrial, y supone un riesgo de extinción para estas especies. El objetivo de la presente investigación fue modelar matemáticamente el proceso de extracción asistida por ultrasonido (EAU) de compuestos bioactivos del ají charapita rojo, ya que con este modelamiento se facilitaría el escalamiento industrial del proceso. Para ello el trabajo se dividió en dos etapas, la primera fue la optimización de los parámetros de extracción, potencia ultrasónica (20-60%), proporción etanol:agua (25:75-75:25) y proporción soluto:solvente (1:10-1:30), mediante un diseño experimental de cara centrada (FCD) con metodología de superficie de respuesta, se buscó maximizar el rendimiento total de extracción (RTE), contenido total de fenoles (CTF) y contenido total de carotenoides (CTC). En la segunda etapa se modeló la cinética de extracción con las mejores condiciones obtenidas en la primera fase, aquí se evaluó cuál de los tres modelos cinéticos (Peleg, dos sitios y ley de potencia) ajustaba con mayor exactitud los datos conseguidos en la parte experimental, adicionalmente a los extractos obtenidos en la fase dos se les evaluó la capacidad antioxidante mediante ensayos ABTS y DPPH. Toda la parte experimental se desarrolló en el Laboratorio de Ingeniería de Procesos (LABIP) perteneciente a la Facultad de Ingeniería Agroindustrial. Los resultados experimentales fueron ajustados a modelos polinomiales de segundo orden, con los cuales se generaron gráficas de superficie de respuesta. La proporción etanol:agua fue la variable que más afectó la extracción, seguido de la relación soluto:solvente y en menor medida la potencia. Las mejores condiciones dependieron del tipo de compuesto, pero se vio que para obtener valores máximos de las tres variables de respuesta simultáneamente, se debería trabajar con una proporción etanol:agua de 25:75, relación soluto:solvente de 1:20, y potencias de 25%. Los valores más altos alcanzados en los experimentos fueron 33,24%, 3,58 mg de GAE/g materia seca (ms) y 874,21 μg de β-caroteno/g ms para rendimiento total de extracción (RTE), contenido total de fenoles (CTF) y contenido total de carotenoides (CTC), respectivamente. Las cinéticas se caracterizaron por una etapa de lavado rápido y una difusión lenta, además permitieron establecer que 180 s de ultrasonido son suficientes para maximizar la extracción. Aunque los tres modelos estudiados mostraron valores elevados de R2 (> 98%) y bajos RMSD, el modelo de Peleg y el cinético de dos sitios, fueron los que tuvieron el mejor ajuste de los datos experimentales. Tanto la optimización como el estudio de las cinéticas facilitará el escalamiento industrial y los extractos podrían usarse en el desarrollo de nuevos productos en la industria de alimentos, farmacia y cosméticos.Modeling the extraction of bioactive compounds present in “Charapita” chili pepper (Capsicum frutescens) by ultrasound-assisted extraction Peru stands out as one of the countries with the greatest diversity of chili peppers, and the “Charapita” chili pepper is one of the most representative species of the Amazon. However, the scarce studies on native Peruvian chili peppers limit their industrial use, and pose a risk of extinction for these species. The objective of this research was to mathematically model the ultrasound-assisted extraction (UAE) process of bioactive compounds from the red Charapita chili pepper, since this modeling would facilitate the industrial scaling of the process. For this purpose, the work was divided into two stages. The first was the optimization of the extraction parameters, ultrasonic power (20-60%), ethanol:water ratio (25:75-75:25) and solute:solvent ratio (1:10-1:30), using a face-centered experimental design (FCD) with response surface methodology, seeking to maximize total extraction yield (TEE), total phenol content (TPC) and total carotenoid content (TCC). In the second stage, the extraction kinetics was modeled with the best conditions obtained in the first phase. In the second stage, the extraction kinetics was modeled with the best conditions obtained in the first phase, in this stage it was evaluated which of the three kinetic models (Peleg, two sites and power law) adjusted more accurately the data obtained in the experimental part, additionally the extracts obtained in phase two were evaluated for their antioxidant capacity by ABTS and DPPH assays. All the experimental part was developed in the Process Engineering Laboratory (LABIP) belonging to the Faculty of Agroindustrial Engineering. The experimental results were adjusted to second-order polynomial models, with which response surface plots were generated. The ethanol:water ratio was the variable that most affected extraction, followed by the solute:solvent ratio and potency to a lesser extent. The best conditions depended on the type of compound, but it was seen that to obtain maximum values of the three response variables simultaneously, one should work with an ethanol:water ratio of 25:75, solute:solvent ratio of 1:20, and potencies of 25%. The highest values achieved in the experiments were 33.24%, 3.58 mg GAE/g dry matter (ms) and 874.21 μg β-carotene/g ms for total extraction yield (TEY), total phenol content (TPC) and total carotenoid content (TCC), respectively. The kinetics were characterized by a fast washing step and slow diffusion, furthermore, they allowed establishing that 180 s of ultrasound is sufficient to maximize extraction. Although the three models studied showed high R2 values (> 98%) and low RMSD, the Peleg model and the two-site kinetic had the best fit to the experimental data. Both the optimization and the study of the kinetics will facilitate industrial scale-up and the extracts could be used in the development of new products in the food, pharmaceutical and cosmetic industries.