Recibido: 10 de diciembre de 2020
Aceptado: 27 de mayo de 2021
Disponible: 18 de junio de 2021
Los compuestos fenólicos han sido de gran relevancia para su aplicación en industrias como la farmacéutica y la alimentaria. Esto ha llevado al estudio de métodos de extracción eficientes en cuanto a rendimiento, capacidad antioxidante y costos de operación. La extracción asistida por ultrasonido ha reportado resultados superiores en comparación con los métodos de extracción convencionales, además de ser amigable con el medio ambiente. En este sentido, este artículo tiene como objetivo evaluar el efecto de los parámetros operativos reportados con mejores resultados de extracción asistida por ultrasonido para la obtención de polifenoles en diversas variedades de uva. La revisión fue realizada en bases de datos indexadas filtrada a publicaciones en el período comprendido entre 2013 y 2020. El análisis de los resultados reportados permitió identificar los parámetros más críticos como la variación de frecuencia, potencia y tiempo, además de los rangos óptimos de operación evaluados en cada estudio que conllevaron a alcanzar un mayor rendimiento de los polifenoles totales presentes en las diferentes matrices de la uva. De igual manera, fue posible evidenciar la afectación de la temperatura sobre la concentración de los principales compuestos fenólicos característicos de la uva. Finalmente, cada transformación y resultado evaluado fue discutido a la luz de los principios físicos y químicos favorecidos por el método empleado, así como las características de termosensibilidad de los principales compuestos fenólicos como las antocianinas y flavonoles que afectan su propiedad funcional de capacidad antioxidante, de mayor interés en aplicaciones alimentarias y farmacéuticas a escala industrial.
Palabras clave: Compuestos fenólicos, extracción por ultrasonido, Vitis vinifera, capacidad antioxidante.
Phenolic compounds have been of great relevance thanks to their application in the pharmaceutical and foods industries, among others. As a result, efficient extraction methods have been studied in terms of performance, antioxidant capacity, and operating costs. Ultrasound-assisted extraction has achieved better results than conventional extraction methods, and it is environmentally friendly. This article evaluates the effect of the operating parameters reported in the literature for ultrasound-assisted extraction that offer the best results in the obtention of polyphenols from various grape varieties. This review was carried out using indexed databases (ScienceDirect, Scopus, Scielo, PubMed, and Taylor & Francis) filtered to publications between 2013 and 2020. The analysis of the results revealed the most critical parameters, such as the variation in frequency, power, and time, in addition to the optimal operating ranges evaluated in each study that led to a higher yield of total polyphenols present in different grape matrices. Similarly, it was found that temperature affects the concentration of the main phenolic compounds that are characteristic of grapes. Each transformation and result in the selected publications was discussed in the light of the physical and chemical principles favored by the method used in each case. Finally, this paper discusses the thermosensitivity characteristics of the main phenolic compounds in grapes; for example, anthocyanins and flavanols, which affect their antioxidant capacity and are of great interest for food and pharmaceutical applications on an industrial scale.
Keywords: Phenolics compounds, ultrasound extraction, Vitis vinifera, antioxidant capacity.
Los compuestos polifenólicos son sustancias biológicamente activas y existen numerosas evidencias epidemiológicas, estudios in vitro, estudios en modelos animales e intervenciones en humanos, las cuales indican su beneficio al organismo, como: protección contra lesiones celulares y subcelulares, inhibición del crecimiento de tumores, activación de los sistemas de detoxificación hepáticos y bloqueo de las vías metabólicas que pueden ocasionar carcinogénesis [
La diversidad de los compuestos fenólicos es tan amplia, que se pueden encontrar en una amplia gama de fuentes naturales, como las semillas y/o pericarpios de: Theobroma cacao (cacao), Campsiandra comosa Benth (chiga), Sorghum bicolor, L. Moench (sorgo), Melicoccus bijugatus (mamón). También se pueden encontrar en frutas como peras, fresas, manzanas, cerezas, duraznos, naranjas y limones; así como en hortalizas como cebollas y brócoli, y en otros alimentos como el té verde, al igual que en las uvas, manzanas, rosas, fresas y otros productos de origen vegetal, principalmente frutas y flores [
La uva y sus diferentes tipos de especies han sido ampliamente estudiadas como un alimento funcional debido a la presencia de antocianinas, responsables de la coloración roja de la mayoría de las frutas y vegetales, y a las cuales se les atribuye un relevante potencial antioxidante. Por otro lado, se relaciona a la uva con la “paradoja francesa”, la cual indica como a pesar de que en Francia tienen una dieta rica en grasas saturadas, la incidencia de enfermedades coronarias es relativamente baja en comparación con otros países como Estados Unidos, beneficio atribuido al consumo de uvas y vinos tintos que son ricos en compuestos polifenólicos [
La obtención de los compuestos fenólicos se ve afectada por diferentes factores dependiendo del método de extracción. Además, si se observa desde el punto de vista industrial, algunas tecnologías no resultan tan eficientes, pues representan altos consumos energéticos y tiempos prolongados, lo que se traduce en un gasto económico mayor. Por ejemplo, métodos como sólido-líquido requieren hasta veinticuatro horas de agitación [
Si bien la extracción asistida por ultrasonido muestra un aumento en el rendimiento de recuperación de compuestos fenólicos [
La búsqueda de los resultados científicos reportados en el período comprendido entre 2013 y 2020 se realizó empleando cinco bases de datos indexadas (ScienceDirect, Scopus, Scielo, PubMed y Taylor & Francis), con la ecuación de búsqueda grape AND extraction AND ultrasound AND polyphenolic. Resultado de esta ecuación, se seleccionaron las investigaciones que reportaban el contenido total de polifenoles presentes en las diferentes matrices de la uva (pulpa, cáscara, semilla y tallo) a partir de la variación en los parámetros de operación de la extracción asistida por ultrasonido. Finalmente, el análisis de los datos se realizó dividiendo las investigaciones donde variaban potencia/frecuencia, tiempo de extracción y temperatura.
3.1 Polifenoles en la uva
Diferentes investigaciones reportan que bayas como las uvas y sus distintas variedades tienen un contenido polifenólico considerable, el cual está asociado a la capacidad antioxidante [
Matriz | Compuestos fenólicos |
Semillas | Flavan-3-oles: monómeros, oligómeros. (OPCs) y polímeros (características las proantocianidinas). |
Pulpa | Ácidos fenólicos y derivados |
Piel | Antocianinas, como: glicósidos o acilglicósidos (siendo la más abundante maldivina-3 glucósido). |
La extracción asistida por ultrasonido es preferida para la obtención de compuestos vegetales activos debido a su versatilidad y la capacidad de usar menos o ningún solvente orgánico, su naturaleza como método de extracción física, su simplicidad de operación, su eficiencia de extracción, su capacidad para preservar la actividad biológica de los compuestos extraídos, menos dependencia del tiempo y su capacidad para implementarse a nivel industrial, entre otros [
3.2 Principio de la extracción asistida por ultrasonido
La extracción asistida por ultrasonido es un método ampliamente utilizado para la obtención de compuestos bioactivos, debido a que es un método fácil de usar, con bajos tiempos de extracción, amigable con el medio ambiente, altos rendimientos y selectividad. El principio de este método se basa en el fenómeno de cavitación que se da por la formación, crecimiento y colapso de burbujas de vapor o gas generadas por la acción de las ondas de una frecuencia determinada [
En otras palabras, este fenómeno de cavitación se produce cuando se propaga una onda de presión acústica, la cual consiste en compresiones alternativas y rarefacciones en el medio de transmisión, y se lleva a cabo a lo largo de la dirección de propagación. Cuando se aplica una gran presión negativa a un líquido, las fuerzas intermoleculares de Van der Waals no son lo suficientemente fuertes como para mantener la cohesión y se forman pequeñas cavidades o microburbujas llenas de gas. Estas microburbujas no son esféricas y sufren deformaciones radiales y tangenciales antes de colapsarse. El colapso se da de manera adiabática, con un volumen tan pequeño que la energía del colapso se entrega a un número relativamente pequeño de moléculas[
Es importante conocer la volatilidad, la tensión superficial y la viscosidad del solvente que se usará, pues estas características son cruciales para la formación de la microburbuja que se formará por el fenómeno de cavitación mencionado anteriormente. En (1) se puede observar cómo está dada la presión generada por la microburbuja:
Donde PA es la amplitud de presión acústica y f la frecuencia de la onda de presión alterna. A medida que aumenta la frecuencia, es necesario aumentar la amplitud (o la potencia) de la irradiación para mantener la misma cantidad de energía cavitacional [
Todos estos fenómenos en conjunto generan una ruptura de la pared celular incrementando la permeabilidad del tejido de las plantas y facilitando la entrada del solvente al material, provocando el incremento del rendimiento del material que es extraído en un menor tiempo [
3.3 Variación del rango de frecuencia y potencia
Uno de los parámetros que se tiende a variar en las extracciones asistidas por ultrasonido para su optimización en la obtención de polifenoles presentes en la uva, es la frecuencia. Esta se ha variado en un rango que va desde 20 kHz hasta 120 kHz. Por ejemplo, [
Lo reportado conlleva a la premisa de que es importante tener una optimización de la combinación entre frecuencia y potencia para extraer una mayor cantidad de polifenoles totales. Sin embargo, es importante mencionar que usar altas frecuencias puede ser contraproducente, pues se ha reportado que genera altas cantidades de radicales libres que degradan los polifenoles y con esto reducen su actividad biológica [
En cuanto a la potencia, se ha encontrado que el aumento de esta se correlaciona directamente con el aumento de efectos sonoquímicos, es decir, producción de radicales libres, lo que promueve la degradación de los compuestos fenólicos [
3.4 Variación de tiempo
Dentro de las investigaciones reportadas se observa que el tiempo es una de las variables de mayor importancia a la hora de realizar extracciones de compuestos fenólicos. En [
Por otra parte, [
3.5 Variación de temperatura
Este parámetro tal vez sea uno de los más críticos debido a la termosensibilidad de la mayoría de los compuestos fenólicos [
Se resalta, además, que se ha investigado la extracción de compuestos polifenólicos en frio, es decir, por debajo de la temperatura ambiente, donde se han logrado resultados de 10.92 mg GAE/g de uva roja entera, a una temperatura de 10 °C durante 6 minutos a 24 kHz [
3.6 Determinación de actividad antioxidante
Desde hace algunos años los métodos colorimétricos han sido ampliamente utilizados para determinar tanto la cantidad de polifenoles totales como la capacidad antioxidante que tienen los compuestos fenólicos y su correlación, debido a que tal vez esta sea la propiedad más importante de los compuestos polifenólicos. Dentro de los métodos más utilizados se tienen, [
Método | Principio de la reacción |
ORAC | Se trata de un mecanismo HAT (hydrogen atom transfer). Mide la capacidad de captación de un radical específico peroxilo, generado a partir de la molécula orgánica AAPH [ |
FRAP | Se trata de un mecanismo tipo SET (single electron transfer). La reducción de iones férricos a ferrosos a pH bajo provoca la formación de un complejo ferroso-tripiridiltriazina coloreado. Cuando un complejo de ferrictripiridiltriazina (FeIII-TPTZ) se reduce a la forma ferrosa (FeII), se desarrolla un color azul intenso con un máximo de absorción a 593 nm [ |
DPPH | Se trata de un mecanismo HAT. Mide la capacidad del agente antioxidante para ceder un átomo de hidrogeno para neutralizar el radical formado por la molécula 2.2-difenil-1-picrilhidrazilo, conocido por las siglas DPPH [ |
ABTS | Se trata de un mecanismo tipo SET y HAT. Se generan cationes radicales de ABTS; a partir de peróxido de hidrogeno H2O2 u otros oxidantes fuertes como persulfato potásico en presencia de metamioglobina, generan un radical intermedio ferrilmioglobina, que luego reacciona con ABTS para formar el catión radical ABTS [ |
Estos métodos colorimétricos son simples y con un bajo costo, lo que los hacen apropiados para aplicaciones tanto industriales como académicas. A pesar de esto, se ha generado una discusión sobre la confiabilidad de estos métodos para determinar la actividad biológica de estos compuestos; por lo tanto, los resultados obtenidos se tienden a correlacionar con otros métodos más específicos, como la cromatografía liquida. [
En la Tabla 3 se muestra un resumen de algunas investigaciones de extracciones hechas en la uva por ultrasonido, las cuales fueron publicadas entre 2015 y 2020. Se tuvo en cuenta que las investigaciones reportaran polifenoles totales y capacidad antioxidante con el fin de realizar una correlación como se observa en la Figura 1 y en la Figura 2. Esta correlación se realizó usando las investigaciones que reportaron la actividad antioxidante usando el método colorimétrico DPPH.
Matriz de extracción | Parámetros de operación | Contenido de polifenoles totales | Actividad antioxidante | Ref. | |||
f (kHz) | t (min) | T (°C) | P (W) | ||||
Orujo de uva blanca (Vitis vinifera L.) | 26 | 30 | 50 | 200 | 95.3 mg GAE/g | 375 mg eq α-tocoferol / g | [ |
Semillas de uva (variedad Raboso Piave) | 20 | 30 | 30 | 150 | 105.81 mg GAE/g | 109 mg eq α-tocoferol / g | [ |
Orujo de uva roja (Vitis vinifera L.) | 20 | 4 | 80 | 80 | 23.36 mg GAE/g | 44,78 mg eq α-tocoferol/g | [ |
Orujo de uva roja (Vitis vinifera L.) | 40 | 25 | 17 | 150 | 0.323 mg GAE/g | 0.412 mg eq Trolox/g | [ |
Extracto de orujo de uva roja (Vitis vinifera L.) | 25 | 60 | 20 | 300 | 438.9 mg GAE/ml | 20.95 mg eq α-tocoferol/g | [ |
Extracto de orujo de jugo de uva 70 % Isabel, 15 % Bordô, 10 % Carmem and 5 % Niagara | - | 15 | 88.1 | 450 | 5.3 mg GAE/ml | 25.0 µmol Trolox/ml | [ |
Orujo de uva | 20 | 3 | 20 | - | 39.5 mg GAE/g | 68,25 mg eq Trolox/g | [ |
Orujo de uva | 39 | 50 | 30 | 100 | 21.6 mg GAE/g | 35,8 mg eq Trolox/g | [ |
Tallos de Uva | 25 | 45 | 45 | 200 | 31.89 mg GAE/ g | 123,9 µg Trolox/ml | [ |
Semilla de uva | 20 | 3 | 50 | 500 | 118.89 mg GAE/g | 10 mg eq Trolox/g | [ |
Orujo de Uva | 25 | 60 | 25 | - | 4.43 mg GAE/g | 518 µmol eq Trolox/g | [ |
Jugo de uva roja variedad (Vitis vinifera L.) | - | 30 | 40 | - | 30.88 mg GAE/g | 2428 µmol de Trolox/ | [ |
Los resultados de polifenoles totales correlacionados con la actividad antioxidante varían, además de los parámetros de extracción con la matriz, pues la variedad y calidad de polifenoles totales se ven afectados según la parte de la uva que es analizada, así como su procedencia y métodos de cultivo. En la Figura 1 se puede observar cómo la correlación entre capacidad antioxidante y contenido de polifenoles totales se ve entorpecida porque las investigaciones se realizan en diferentes matrices, orujo de uva roja [
En la Figura 2 se observa que la correlación entre la cantidad de polifenoles totales y la actividad antioxidante es más lineal. Esta vez el análisis se hizo bajo la misma matriz (orujo de uva), lo que indica que hay confiabilidad en los datos reportados y que, efectivamente, la cantidad de polifenoles se relaciona directamente con la actividad antioxidante del extracto.
También es de destacar que el mayor contenido de polifenoles totales y actividad antioxidante fue la llevada a cabo a menor frecuencia [
Otro aspecto importante para considerar es la relación entre solvente y la muestra. Generalmente, se prefiere el etanol, agua o mezclas de etanol/agua como solvente, debido a su polaridad acorde con las moléculas fenólicas [
La mezcla de etanol/agua se reporta en algunas investigaciones [
La eficiencia de la extracción se da debido a la eficiencia de transferencia de energía como resultado de la reducción de la densidad de la mezcla, lo que a su vez aumenta la cavitación acústica [
3.7 Industrialización de la tecnología de ultrasonido
Actualmente a nivel industrial, los métodos convencionales son los preferidos para la extracción de compuestos fenólicos. Entre los estudios realizados en el escalado industrial se encuentra que se ha evaluado el impacto de la maceración asistida por ultrasonido para extraer compuestos fenólicos, en comparación a la maceración tradicional [
Si bien, a escala de laboratorio, en la extracción asistida por ultrasonido los rendimientos tienden a ser muy altos en comparación a los métodos tradicionales, se ha demostrado que en el escalado los rendimientos tienden a disminuir, pasando de 40 % a escala de laboratorio a 15 % a escala piloto [
La uva es una baya que suscita gran importancia en el mundo por su consumo. Desde el siglo XX se han evaluado y correlacionado los compuestos polifenólicos con la capacidad antioxidante provenientes de la uva. Es importante tener a consideración a la hora de realizar una investigación sobre esta baya, la región, la variedad y el tipo de uva, pues la calidad y cantidad de compuestos fenólicos depende de estas variables. Por otro lado, en cuanto a los parámetros de variación del ultrasonido, se debe conocer la relación frecuencia/potencia/tiempo de extracción/temperatura para poder optimizar la extracción de los compuestos fenólicos, garantizando, por supuesto, la importante característica de la actividad antioxidante de los compuestos bioactivos. En este sentido, se encontró que, a bajas frecuencias y potencias, las extracciones reportaban mayor cantidad de polifenoles totales y mayor actividad antioxidante. En cuanto a la relación de tiempo, aunque se tienden a usar tiempos prolongados, se demostró, mediante la cinética de la reacción, que en un tiempo mínimo de 5 minutos se logra extraer una cantidad considerable de polifenoles totales en comparación a tiempos superiores. De igual forma, si bien las altas temperaturas ayudan a disminuir la viscosidad y disminuyen tensión superficial entre solvente/soluto, esto puede llegar a ser contraproducente si lo que se pretende extraer son compuestos termolábiles. En este sentido, si se pretende realizar la extracción de antocianinas, lo recomendable es no usar temperaturas superiores a 40 °C. A nivel industrial se deben de tener en cuenta, además de los parámetros de operación del equipo, la difusión del solvente en el soluto en términos de transferencia de masa y energía de acuerdo con la forma y el diámetro del reactor a usar.
Finalmente, se demostró que, según la matriz empleada para la extracción de los compuestos fenólicos, esta influye en los resultados, tanto para polifenoles totales como para actividad antioxidante, de allí que los estudios de correlación entre actividad antioxidante de contenido de polifenoles totales, deba realizarse sobre la misma matriz.
Los autores agradecen a la convocatoria Jóvenes Investigadores e Innovadores para grupos de investigación ITM – 2020 por su financiamiento, y al proyecto P20245 “Evaluación de la capacidad antioxidante y función biológica de un extracto y jugo obtenido a partir de la uva Isabella (Vitis labrusca) mediante la caracterización del perfil quimiométrico y de la actividad citotóxica y antitumoral: una opción para ampliar la aplicación de un ingrediente funcional” de la convocatoria interna ITM–2019 en convenio con la Corporación Universitaria Lasallista.
Los autores declaramos no tener conflictos de interés ni financiero ni profesional ni personal que pueda influir de forma inapropiada en los resultados obtenidos o las interpretaciones propuestas.
Tanto la concepción como la redacción y análisis de la información fue realizada de manera conjunta por los autores.
El autor de correspondencia, además, realizó una contribución sustancial al proponer la orientación de la temática y diseño metodológico de búsqueda.
Carolina Ramón-Palacio participó en la compilación de los artículos y en la revisión y análisis de estos.
Maritza Andrea-Gil Garzón participó en la definición del alcance del artículo, así como en el análisis y las conclusiones.