Intensificación de la extracción de betanina en remolacha roja mediante ultrasonidos y pulsos eléctricos

Abstract

[ES] El creciente interés de los consumidores por los colorantes naturales en los alimentos, se debe a la preocupación por la seguridad de muchos colorantes sintéticos, reforzado por la posible existencia de beneficios para la salud, que presentan los pigmentos naturales. Esto ha dado lugar a un aumento de las investigaciones encaminadas a mejorar el rendimiento en la obtención de estos colorantes. La finalidad principal de este trabajo fue establecer el efecto de la combinación de pulsos eléctricos y ultrasonidos de potencia sobre la extracción de betanina de la remolacha roja. Se determinaron, además, las cinéticas de extracción sólido-líquido con y sin la aplicación del pretratamiento de pulsos eléctricos, así como el efecto de las variables del proceso (agitación mecánica o ultrasonidos), el tipo de disolvente utilizado (agua o etanol) y la temperatura de extracción. Generalmente, los mejores rendimientos en la extracción del pigmento se alcanzaron a mayores concentraciones de etanol (EtOH), obteniéndose un incremento del 22,13% (EtOH 10%), del 52,5% (EtOH 30%) y del 54,7% (EtOH 70%) respecto al rendimiento obtenido con agua destilada. Los resultados obtenidos muestran que concentraciones superiores al 30% de etanol no suponen una mejoría notable en el rendimiento de la extracción. Los efectos del pretratamiento con PEF (1,25 kV/cm; 500 µs) fueron notables con todos los disolventes empleados, sin embargo, fueron mayores a menor concentración de etanol en el disolvente extractor, obteniéndose un 59,5% más de betanina, en el caso de utilizar únicamente agua como disolvente en agitación mecánica, tras la aplicación del pretratamiento. El empleo de ultrasonidos hizo que el rendimiento aumentara en promedio un 13% respecto a la agitación mecánica, teniendo un mayor efecto al combinarlo con pulsos eléctricos, llegando a alcanzarse hasta un 83,1% de betanina extraída (EtOH 70%; potencia US del 50% y PEF). En el caso del empleo de agua, disolvente con el que se estudió el efecto de la temperatura, el rendimiento de la extracción aumentó un 28,4% a la temperatura de 45ºC respecto a la de 25ºC. La aplicación de 32 pulsos eléctricos (1,25 kV/cm; 800 µs) condujo a una disminución de hasta un 46% en la fuerza máxima para cortar la remolacha, lo que facilitaría la etapa de reducción de tamaño previa a la extracción. El elevado coeficiente de determinación R2 del modelo de Weibull refleja el buen ajuste a los datos experimentales de las extracciones realizadas. Los resultados del presente trabajo muestran como la combinación de pulsos eléctricos y ultrasonidos permite aumentar significativamente la velocidad en las cinéticas de extracción y mejorar el rendimiento final del proceso, lo que puede llegar a ser una herramienta muy útil con vistas a una aplicación industrial.

[CA] : El creixent interès dels consumidors pels colorants naturals en els aliments, es deu a la preocupació per la seguretat de molts colorants sintètics, reforçat per la possible existència de beneficis per a la salut, que presenten els pigments naturals. Açò ha suposat un augment de les investigacions encaminades a millorar el rendiment en l'obtenció d'aquests colorants. La finalitat principal d'aquest treball va ser establir l'efecte de la combinació de polsos elèctrics i ultrasons de potència sobre l'extracció de betanina de la remolatxa roja. Es van determinar, a més, les cinètiques d'extracció sòlid-líquid amb i sense l'aplicació del pretractament de polsos elèctrics, així com l'efecte de les variables del procés (agitació mecànica o ultrasons), el tipus de dissolvent utilitzat (aigua o etanol) i la temperatura d'extracció. Generalment, els millors rendiments en l'extracció del pigment es van aconseguir a majors concentracions d'etanol (EtOH) , obtenint-se un increment del 22,13% (EtOH 10%), del 52,5% (EtOH 30%) i del 54,7% (EtOH 70%) respecte al rendiment obtingut amb aigua destil·lada. Els resultats obtinguts mostren que concentracions superiors al 30% d'etanol no suposen una millora notable en el rendiment de l'extracció. Els efectes del pretractament amb PEF (1,25 kV/cm; 500 µs) van ser notables amb tots els dissolvents empleats, no obstant això, van ser majors a menor concentració d'etanol en el dissolvent extractor, obtenint-se un 59,5% més de betanina en el cas d'utilitzar únicament aigua com a dissolvent en agitació mecànica, després de l'aplicació del pretractament. La utilització d'ultrasons va fer que el rendiment augmentara com a mitjana un 13% respecte a l'agitació mecànica, tenint un major efecte al combinar-ho amb polsos elèctrics, arribant a aconseguir-se fins a un 83,1% de betanina extreta (EtOH 70%; potència US del 50% i PEF). En el cas de la utilització d'aigua, dissolvent amb el que es va estudiar l'efecte de la temperatura, el rendiment de l'extracció va augmentar un 28,4% a la temperatura de 45ºC respecte a la de 25ºC. L'aplicació de 32 polsos elèctrics (1,25 kV/cm; 800 µs) va conduir a una disminució de fins a un 46% en la força màxima per a tallar la remolatxa, la qual cosa facilitaria l'etapa de reducció de grandària prèvia a l'extracció. L'elevat coeficient de determinació R2 del model de Weibull reflecteix el bon ajust a les dades experimentals de les extraccions realitzades. Els resultats del present treball mostren com la combinació de polsos elèctrics i ultrasons permet augmentar significativament la velocitat en les cinètiques d'extracció i millorar el rendiment final del procés, la qual cosa pot arribar a ser una ferramenta molt útil amb vista a una aplicació industrial.

[EN] Consumers’ growing interest in natural food colourants is due to a higher concern in the safety of artificial food colourants, reinforced by the possible health benefits regarding to natural pigments. Consequently, it has led to an increase in the number of studies whose aim is the extraction yield enhancement of these pigments. The main purpose of this work was to establish the effect of the combination of both electric pulses and ultrasounds in betanin extraction from red beetroot. Solid-liquid extraction kinetics were determined with and without an applied pretreatment of electric pulses, as well as the effect of all process variables (mechanical stirring or ultrasounds), the solvent (water or ethanol) and the extraction temperature. Generally, better extraction yields were achieved with higher ethanol concentrations (EtOH), resulting in an increase of 22,13% (EtOH 10%), 52,5% (EtOH 30%) and 54,7% (EtOH 70%) compared to using distilled water as a solvent. Performed research shows that concentrations above 30% of ethanol are not considered to have a significant improvement in the extraction yield. All solvents used in the extraction had noteworthy effects after the PEF treatment (1,25 kV/cm; 500 µs). Nevertheless, these effects were always higher when using a lower ethanol concentration. As an example, an increase of 59,5% of betanin was obtained with water in the mechanical stirring extraction after the PEF treatment. Moreover, ultrasounds increased the extraction yield by 13% compared to mechanical stirring, which had a higher effect in combination of electric pulses, obtaining up to 83,1% of betanin (EtOH 70%; 50% US power and PEF treatment). The study of the effect of temperature in the extraction yield, when just water was employed, showed an increase of 28,4% in the extraction yield at 45ºC compared to 25ºC. The application of 32 electric pulses (1,25 kV/cm; 800 µs) led to a reduction from up to 46% in the peak force to cut the beetroot. According to these results, the previous cutting stage for a size reduction would therefore be easier to perform. The high coefficient of determination R2 in the Weibull model indicates a good fitting of this normalized model on the data set. The results concerning this study show how the combination of both electric pulses and ultrasounds can noticeably increase the extraction kinetics speed, as well as improve the extraction yield of the final process, which could be highly useful towards an industrial application.