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Introducción
El avance de la ciencia y las necesidades sociales de la actualidad en correspondencia con el crecimiento poblacional, unido a nuevas enfermedades, ha estimulado la búsqueda de productos que respondan a las nuevas condiciones, por lo que se requiere contar con fuentes que sean renovables y compatibles con el medio ambiente.
El Agave fourcroydes Lem (henequén) se cultiva en varias provincias del país. Esta industria cubana se ha dedicado fundamentalmente a la obtención de fibra blanca con características competitivas en el mercado internacional. Sin embargo, los residuales que genera el proceso productivo no han sido aprovechados para su utilización en procesos industriales o sociales. De los mismos, es posible obtener productos con un alto valor agregado, a partir de sus propiedades. Varios estudios indican que sus piñas son ricas en carbohidratos con una concentración del 75 %. Se han identificado azúcares como glucosa, dextrina, almidón y principalmente, inulina que está contenida en un 15-20 %.1
La inulina es un polisacárido tipo fructano también conocido como fructosano, fructo-oligosacárido (FOS). presente en numerosas especies vegetales, considerada como agente prebiótico. Ha sido objeto de numerosos estudios a escala de laboratorio, partiendo de un minucioso análisis de las fuentes naturales y aprovechables de dicho elemento, hasta su transformación en subproductos generados. Se identifica a la inulina como un compuesto importante, debido a sus posibilidades de producción y su variedad de aplicaciones, así como la necesidad de desarrollar tecnologías de producción eficientes.2,3
Es un polímero constituido por un número variable de unidades de fructosa que se unen por un enlace glucosídico β (2→1), normalmente terminadas en una unidad de glucosa a través de un enlace α- D- glucopiranosil (1→2).
Los FOS, en las últimas décadas han sido estudiados intensamente por sus aplicaciones en las industrias: alimentaria, química y farmacéutica. Estos pueden estar presentes en los propios alimentos, o a su vez pueden ser añadidos en los productos industrializados (alimentos funcionales).4
Los alimentos funcionales cubren aspectos alimentarios, como son: el mejoramiento de las funciones gastrointestinales, actúan sobre el sistema redox y antioxidante, contribuyen al metabolismo de macronutrientes (principalmente glúcidos, proteínas y lípidos) y favorecen el metabolismo de micronutrientes (vitaminas y minerales), entre otros, por lo que se ha manifestado un creciente interés y consumo de los mismos, principalmente de aquellos que poseen un carácter prebiótico.5
En particular, las investigaciones sobre la inulina, recalcan sus efectos positivos, en la salud y en la industria alimenticia, entre ellos: regulan las bacterias en el colon, contribuyendo a disminuir la glucosa en la sangre, permite la biodisponibilidad de calcio y magnesio, y es utilizado por sus diversos efectos benéficos en el procesamiento de alimentos.4,6,7
Evidencias promisorias de la inulina en la regulación de parámetros lipídicos, reducción del riesgo de cáncer, refuerzo de la respuesta inmune y protección contra desórdenes intestinales fueron presentadas por Escobar.8 Tanto ella como los fructanos, no pueden ser hidrolizados por las enzimas digestivas que se encuentran en el tracto superior gastrointestinal: estómago e intestino delgado, pero si son hidrolizadas por la microflora bacteriana presente en el colon. Al tener dicha particularidad, son denominadas fibra dietética con un bajo contenido calórico.9,10,11
Como prebiótico, tienen un gran aporte de fibra dietética, bajo valor calórico, hipoglucemiante. En una amplia variedad de productos alimenticios se usan como espesante, agente emulsificador, gelificante, sustituto de azúcares y de grasas, humectante y depresor del punto de congelación. También se emplean en la industria químico-farmacéutica y de procesamiento como excipiente, aditivo, agente tecnológico o coadyuvante.5,12
Existen estudios científicos sobre la obtención de la inulina, su metodología, variables y métodos de cuantificación de la presencia de FOS,6,13 identificando a la inulina y a la oligofructosa como los prebióticos más conocidos. Escobar, 8) y Fiallos y col. 2) realizaron estudios con la finalidad de evaluar las propiedades organolépticas de la inulina cuando es incorporada a productos ya existentes, y la obtuvieron a través de hidrólisis, empleando ácido oxálico al 5 % y utilizando las raíces y hojas de la planta de yacón deshidratadas.
Aunque existen estudios preliminares en la obtención de fructanos a partir del jugo de las piñas de henequén, 3 su implementación en Cuba constituye una problemática interesante a solucionar, pues genera nuevas fuentes para el desarrollo social e industrial, además del impacto ambiental que genera la utilización de residuos agrícolas o industriales. El objetivo de esta investigación se relaciona con la obtención de inulina a partir de piñas de henequén cubano de las regiones Mariel (provincia Artemisa) y Limonar (provincia de Matanzas), así como la precisión de parámetros operacionales.
Materiales y métodos
La investigación se realiza en el Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER) y la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Tecnológica de la Habana (CUJAE).
Se utilizaron frutas de las regiones de Mariel y Limonar con edades de 7 y 12 años. La precisión de algunos parámetros experimentales se realiza a partir de aspectos propuestos por otros autores.14,15,16,17
Se llevó 1 kg de piñas refrigeradas a temperatura ambiente con agua de extracción, utilizando un termóstato marca Bunsen. Para la extracción del jugo se lavan y corta en trozos pequeños, triturados por una máquina de tornillo sinfín. Se fijó la relación solido-agua 1:6 según lo recomendado.3 Del extracto crudo a temperatura ambiente, se separan por filtración los pedazos de piña, se secan y se pesan.18) El sólido residual se emplea como alimento animal y, en la elaboración de compostaje para el suelo. El jugo turbio se centrifuga hasta aclarar.
El jugo extraído fue evaporado en un rotoevaporador de tipo IKA RV Basic a una temperatura entre 60-70 ºC, hasta alcanzar un volumen de 30 mL. El extracto concentrado posteriormente fue sometido a un proceso de secado en estufa de tipo AISET YLD-6000 a 90 °C durante 4 h. Se enfría y pesa.18,19
Se llevó a cabo el proceso según un diseño experimental 23 a través del paquete estadístico Stagraphics Centurium, tomando en cuenta los factores: temperatura del medio, tiempo de extracción y edad de la planta. La variable respuesta es el por ciento de rendimiento del extracto concentrado.
Dicho extracto se sometió a una identificación cualitativa de inulina por cromatografía de capa fina, empleando placas de vidrio con silicagel y muestras patrones de disoluciones puras de glucosa, fructosa, sacarosa e inulina.15) Además, se caracterizó a través del método de liofilización y un espectrómetro infrarrojo (Bruker Tensor 37 FT-IR Spectrophotometer), utilizando pastillas de KBr. Las lecturas se realizaron en el intervalo de 450-4 000cm-1.
Para cuantificar la inulina obtenida en los extractos concentrados se emplea la técnica refractométrica. Para ello se construye una curva de calibración a partir de una solución patrón de 5 g de inulina en 50 mL de disolución (figura 1). Por extrapolación en la curva se pueden conocer los porcentajes de inulina presente.
Se determinó por gravimetría la humedad, porcentaje de cenizas y grasas. Para la determinación de humedad se emplea la diferencia de pesadas entre la piña seca en la estufa a 105 °C por 2 h y la piña húmeda, experiencia que se realiza por triplicado hasta obtener un peso constante. El porcentaje de cenizas se determina por incineración de la muestra seca previamente tratada con HCl concentrado y carbonizada; posteriormente se coloca en una mufla a 800 °C durante 1 h. Se repite la operación hasta obtener un peso constante. Para las grasas se emplea un extractor Soxhlet con éter etílico como disolvente, se extrae la grasa de la muestra por reflujo durante 6 h. Al evaporar el disolvente, se seca el matraz con la grasa en la estufa a 103 °C por 5 min. Se enfría en la desecadora y se pesa. La acidez y pH por métodos volumétrico y potenciométrico.1,14,16
Se realizó el ensayo cualitativo de determinación de azúcares reductores, basado en reacciones de oxidación reducción con el reactivo de Fehling (A y B) y la determinación absorciométrica de la muestra tratada con ácido 3,5 dinitrosalicilico y fenol-sulfúrico, para corroborar la ausencia de otros azúcares.14,16
Resultados y discusión
Los resultados de la caracterización de las piñas y de su jugo, se presentan en la tabla 1.
La humedad de los frutos fue analizada para ambas regiones y edades teniendo un comportamiento similar entre ellos y a trabajos anteriores.20,21 Los valores de acidez encontrados son mayores a los reportados por Higuera, lo que indica la menor maduración de los frutos que coincide con el bajo valor de Brix y el pH ácido determinado.1)
Al comparar el porcentaje de grasas en los frutos entre las dos regiones, los valores obtenidos en la región de Mariel son algo superiores a los de Limonar. La ceniza, materia inorgánica en el fruto, son superiores a lo reportado por Higueras,1) (5,04 ± 0,016), posiblemente por la utilización de Agave salmiana de 9 años de edad, además de las diferentes condiciones edafoclimáticas, aspectos que influyen en la calidad de los productos naturales.
En los jugos provenientes de las piñas de ambas regiones se observa una gran diferencia en los sólidos totales (°Brix), debido al nivel de maduración del fruto y a las condiciones edafoclimáticas en general. De acuerdo con los resultados obtenidos, se decidió continuar el estudio solamente con las piñas provenientes de la región de Limonar.
Extracción de la inulina. Diseño de experimento
Se utilizó un diseño de experimento 23, donde se emplearon piñas de 7 y 12 años de edad. El rendimiento del extracto concentrado expresado en por ciento se obtuvo tomando en consideración la cantidad de piña que se utilizó para la extracción, y la que quedó al final de la misma, suponiendo que la diferencia correspondía con la masa de jugo concentrado enriquecido con inulina en las muestras. En la tabla 2 se presentan los resultados después de haber realizado las extracciones.
Tabla 2 Rendimiento del jugo concentrado de piña en las extracciones*
*En función de las medias de tres determinaciones del rendimiento del extracto
En la tabla 3 y la figura 1 se demuestra, que todos los parámetros estudiados y su interrelación influyen significativamente en la variable respuesta, rendimiento del extracto concentrado, dado el P-valor menor que 0,05, con un nivel de confianza del 95 %.
Del diagrama de Pareto y de los coeficientes del modelo matemático calculado, se identifica que los factores tiempo de extracción y edad de la planta, influyen más que la temperatura del medio.
R-cuadrada = 99,43 % indica el ajuste del modelo matemático calculado.
R-cuadrada (ajustada) = 99,236 3 %
Error estándar del estadígrafo. = 0,657 7 Error absoluto medio = 0,428 9
A continuación se muestra la ecuación del modelo ajustado es:
R= 17,0983+ 4,31A+2,865C+ 4,22667 B+1,4 AC+ 0,701667AB+0,708333BC (1)
R= rendimiento (%) C= temperatura (ºC) A= tiempo (minutos) B= Edad (años)
En dicho modelo matemático se corrobora la influencia de los factores estudiados en la variable respuesta rendimiento.
En la figura 2 se muestra el diagrama de Pareto
Los mayores rendimientos de inulina se obtienen en las extracciones de las piñas de 12 años, por lo que se afirma que la edad de la planta es un factor importante en la concentración y composición de los carbohidratos solubles presentes en la misma, al igual que el tiempo de extracción y la temperatura.
Caracterización de la inulina
Ensayos cualitativos
Se realizó el ensayo de azúcares reductores mediante el reactivo de Fehling (A y B), y no se forma precipitado de óxido de cobre I, lo que evidencia que no hay presencia de los mismos. Al realizar los métodos del ácido 3,5 dinitrosalicilico y fenol-sulfúrico no se obtuvieron evidencias positivas, la absorbancia fue nula en todos los casos, por lo que se corrobora la ausencia de otros azúcares reductores.
Cromatografía de capa fina
Se utilizó placa de vidrio con silicagel, se adicionaron las soluciones patrones y la muestra del extracto concentrado de piña, se corrieron en la mezcla de solventes butanol/ isopropanol/agua destilada/ácido acético.5,17 El resultado mostró la presencia de inulina en el extracto concentrado, con un Rf igual a la muestra patrón, no observándose manchas correspondientes a azúcares, al hacer la comparación con las disoluciones patrones.
Espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier
En la figura 3 se muestra el espectro infrarrojo del extracto concentrado de la piña de 12 años, y en la tabla 4 se asignan las principales bandas presentes.
Fig. 3 Espectro infrarrojo de una muestra obtenida a partir del extracto concentrado de piña de 12 años
En la tabla 4 se comparan las señales espectroscópicas experimentales con las obtenidas por otros investigadores Vega19 y Panchev22 con especies de Chile y Bulgaria.
Ensayo cuantitativo a través de la técnica refractométrica
La concentración de inulina se puede determinar por el método refractométrico, 17 por lo se decide determinar la concentración de inulina presente en cada una de las muestras provenientes de la región de Limonar, obtenidos los jugos a temperatura de 70 0C y a tiempos de extracción de 60 y 30 min. En la siguiente tabla puede observarse que los porcentajes de inulina presente en cada una de las muestras son similares a los obtenidos por el método gravimétrico.
Conclusiones
Se logró obtener el extracto concentrado enriquecido en inulina, a partir de las piñas de henequén, con temperatura de 70 ⁰C, relación sólido-agua 1-6 y 60 min, siendo los mejores rendimientos, los alcanzados con las plantas de 12 años de edad. El método utilizado es factible, ya que no ocurre la hidrólisis de las soluciones obtenidas, lo que fue corroborado experimentalmente por la ausencia de azúcares. Se puede utilizar el método refractométrico para la determinación del contenido de inulina de las piñas de henequén, siendo comparable con el gravimétrico.
