Los carotenoides y sus técnicas  

de extracción 

 

1. Introducción

2. Subproductos de la zanahoria

3. Carotenoides y β-caroteno

4. 4. Técnicas de extracción del β-caroteno

 

1. Introducción

 

La zanahoria posee varias sustancias que son beneficiosas para la salud del que las consume. Es el caso de los carotenoides, unos pigmentos presentes en la hortaliza radicular que son los responsables de su color anaranjado, siendo el β-caroteno el compuesto mayoritario entre éstos. Sin embargo, el procesado de las zanahorias genera un alto volumen de subproducto, que puede ser aprovechado, extrayendo estas sustancias beneficiosas mediante distintos métodos. Estos carotenoides suponen un colorante natural, a diferencia de los que se usan en la industria alimentaria. Por ello, resulta de un gran interés la extracción de estos pigmentos naturales que, además tienen acción antioxidante y protectora, entre otras.   

 

2. Subproductos de la zanahoria

 

La zanahoria es una hortaliza, cuya raíz es cosechada, y su producción está destinada, principalmente, al consumo humano, estando su calidad estrechamente relacionada con factores como las condiciones climáticas, la relación corteza-raíz, su sistema vascular o las características del xilema y floema de la raíz (Raees y Prasad, 2015). En general, la longitud de una zanahoria puede estimarse entre 5 y 20 cm (Barzee et al., 2019). 

 

El consumo mundial de este producto ronda los 37 millones de toneladas anuales, de las cuales, en torno a un 11 % (unos 4 millones) corresponden a residuos de su procesamiento (Andrade et al., 2018). De esto se deriva que, en países de América y Europa, la generación de este tipo de desechos supone un problema común, destinando un 15 – 20 % de éstos a la alimentación animal, pero el resto es descartado hasta su descomposición, generando olores poco agradables, así como la proliferación de insectos (Clementz et al., 2019).  

 

El principal producto de la zanahoria que origina los mayores desperdicios es la producción de jugo, que genera una gran cantidad de pulpa, pudiendo alcanzar unos niveles de hasta el 50 % (Barzee et al., 2019). Estos volúmenes de subproducto tan elevados, además del alimento animal, podrían ser destinados a otros fines, sobre todo, si se tiene en cuenta que son parte de la raíz y que contienen una gran variedad de nutrientes y compuestos bioactivos, entre los que se encuentran los carotenoides (Tiwari et al., 2019).  

 

Por último, es preciso señalar que, debido a los altos volúmenes de producción y procesamiento de la zanahoria, así como el fácil acceso a sus desperdicios (de bajo costo), ésta podría ser una alternativa potencial para obtener pigmentos naturales de alto valor económico y reducir su impacto medioambiental (Mirheli y Dinani, 2018). De hecho, en las regiones de Latinoamérica, el mercado de los compuestos valiosos de la zanahoria, como es el caso del β-caroteno, puede alcanzar un valor de venta en torno a 500 USD por kg (Clementz et al., 2019). 

 

3. Carotenoides y β-caroteno

 

Los carotenoides pertenecen a la familia de pigmentos naturales sintetizados por diferentes especies de plantas, algas y bacterias. Son oleosolubles, cuyo rango visible muestra los colores amarillo, naranja y rojo, en sus distintos tonos (Cheng et al., 2020). En las plantas se han podido identificar alrededor de 650 variedades de carotenoides, aunque solamente unos 40 pertenecen a las frutas y verduras de la dieta humana, la cual representa la mayor fuente de consumo de éstos (Goula et al., 2017).  

 

Los carotenoides son compuestos de tipo tetraterpeno o tetraterpenoide, es decir, que están constituidos por una cadena principal de 40 carbonos, conformada por 8 unidades de isopreno y dos anillos terminales en los extremos, siendo algunos de los ejemplos más comunes en la naturaleza: el caroteno, el licopeno, la astaxantina, la zeaxantina, la luteína, la bixina, la cantaxantina, la violaxantina y la neoxantina (Vasconcelos et al., 2020). 

 

En la zanahoria se han encontrado hasta 6 especies de carotenoides: a-, β-, g-, z-caroteno, licopeno y β-zeacaroteno, con una proporción promedio de 33:60:1:4:1:1, respectivamente, dependiendo del estado y condiciones de siembra (Otálora y Martin, 2020). Por tanto, el a-caroteno y el β-caroteno son los carotenoides mayoritarios en esta hortaliza radicular, además de ser precursores de la vitamina A (Bogacz y Harasym, 2018). 

 

A este respecto, diversos estudios (Desobry et al., 1998; Purohit y Gogate, 2015; Kyriakopoulou et al., 2015; Platel y Srinivasan, 2016; Kumari et al., 2019; Silveira et al., 2020) han demostrado que la zanahoria es la mayor fuente natural de carotenoides, especialmente de β-caroteno, el cual existe en forma cristalina como un complejo adherido a una lipoproteína helicoidal (rica en alanina, leucina, ácido glutámico y aspártico), que realiza funciones enzimáticas en la biosíntesis del mismo (Desobry et al., 1998) y aporta el característico color anaranjado a esta raíz (Martins y Ferreira, 2017). 

 

Sin embargo, además de la coloración que aportan estos pigmentos al vegetal, ofrecen numerosos beneficios a la salud del consumidor, destacando su acción antioxidante y su capacidad para reducir el riesgo de contraer enfermedades degenerativas, como el cáncer y ciertos problemas cardiovasculares (Tanaka et al., 2012; Sharma et al., 2012; Becaro et al., 2015; Clementz et al., 2019; Miękus et al., 2019). También, su efecto protector del sistema inmune, de la salud ocular y ósea, o frente a los rayos UV (Rodríguez y Stange, 2013; Saini y Keum, 2018). 

 

La fase de postcosecha resulta clave en la cantidad y calidad de los carotenoides presentes en las zanahorias, ya que, como se ha tratado en otro artículo de la presente edición, su papel es esencial, en el que un manejo inadecuado con altas temperaturas y alta humedad relativa va a provocar una disminución significativa de los contenidos de éstos, viéndose afectada su apariencia externa, así como una disminución de su función nutricional (Goyal et al., 2019).  

 

Por ello, es necesario monitorear dichas condiciones, evitando así pérdidas de β-caroteno particularmente, cuyas propiedades fisicoquímicas muestran una baja resistencia a las condiciones de luz y temperatura (Bogacz y Harasym, 2018). 

 

4. 4. Técnicas de extracción del β-caroteno

 

En la industria de alimentos se suelen utilizar una gran variedad de colorantes minerales y sintéticos que, según estudios recientes, se les atribuyen algunos efectos secundarios que afectan negativamente a la salud, desde enfermedades degenerativas hasta problemas de atención o hiperactividad. Por esto, se buscan fuentes naturales de colorantes, como es el caso de las clorofilas, las antocianinas y los carotenoides (Ngamwonglumlert et al., 2017). 

 

Por otra parte, hay que tener presente que el procesado de alimentos que poseen compuestos con un alto valor nutricional, como es el caso de la zanahoria, dan lugar a subproductos como cáscaras, piel o trozos descartados, que contienen compuestos bioactivos valiosos, los cuales pueden ser utilizados para otros sectores de la industria, como colorante natural, suplemento vitamínico o compuesto activo para medicamentos (Sharmin et al., 2016; Martins y Ferreira, 2017). En el mercado se puede encontrar el β-caroteno en solución oleaginosa, generalmente en aceite de girasol refinado, con una concentración de 0.2 – 1.0 %, cuya aplicación se centra en los alimentos funcionales (Underwriters, 2020). 

 

De este modo, se puede obtener un doble aprovechamiento, ya que, por un lado, se pretende avanzar hacia un proceso de “cero desechos de frutas y verduras”, cuyo interés aumenta dentro de los programas de la economía circular (Kumari et al., 2019; Ojha et al., 2020) y, por otro, la obtención de colorantes naturales, que serán más saludables que los sintéticos actualmente utilizados (Mirheli y Dinani, 2018). 

 

Teniendo en cuenta que la zanahoria es la fuente vegetal con mayor contenido de carotenoides, específicamente de β-caroteno, diversas investigaciones se han centrado en optimizar las condiciones y parámetros de extracción, así como de cuantificación, para obtener el mayor rendimiento posible. Hay que considerar que, en promedio, de 50 kg de zanahoria fresca, se obtienen 2 g de a– y β-caroteno (Otálora y Martin, 2020). 

 

El desarrollo de nuevas tecnologías de obtención de pigmentos a partir de fuentes naturales, a escala de laboratorio, ha permitido llevar dichas técnicas a un nivel superior, mejorando así el potencial de estas tendencias de consumo, que resultan más saludable y a través de procesos más respetuosos y sostenibles. Asimismo, han permitido conformar nuevas alternativas que permitan aprovechar componentes, como vitaminas, almidones o fibras, entre otros (Otálora y Martin, 2020).  

 

Las diferentes técnicas de extracción sólido-líquido, igual que las técnicas de cuantificación y detección, han sido analizadas de forma paralela, procurando una optimización y una reducción de los disolventes de extracción, sustituyendo los que resultan tóxicos, intentando ajustarse a las nuevas tendencias de los procesos requeridos, que ofrezcan sostenibilidad, rentabilidad y respeto medioambiental (Boukroufa et al., 2017).  

 

Entre los métodos más destacados de extracción de β-caroteno, a partir de la zanahoria, se encuentran el tipo convencional con disolventes (CSE), el cual incluye la extracción convencional Soxhlet (SE), y los métodos de extracción no convencionales, conformados por la extracción asistida con microondas (MAE), la extracción asistida con ultrasonido (UAE), la extracción con fluidos supercríticos (SFE) y la extracción asistida con enzimas (EAE) (Kyriakopoulou et al., 2015). Dichos métodos se describen a continuación: 

 

– Tipo convencional con disolventes (CSE): Como ventajas presenta altos rendimientos de extracción y no requiere equipos sofisticados. Y como desventajas, altas cantidades de disolvente (uso de tóxicos) y elevado consumo energético (Saini y Keum, 2018). 

 

– Tipo no convencional por extracción asistida con microondas (MAE): Altos rendimientos de extracción, uso de disolventes verdes, reducción de gradientes térmicos y cortos periodos de tiempo, pero supone pérdidas de compuestos volátiles y degradación térmica (Selvamuthukumaran y Shi, 2017). 

 

– Tipo no convencional por extracción asistida con ultrasonido (UAE): Supone elevados rendimientos, bajo consumo energético, tiempos cortos de extracción y permite un uso de disolventes verdes, y tiene como inconvenientes un difícil control de las variables, un escalado comercial complejo, requiere una optimización específica y tiene una probable degradación térmica (Li et al., 2013; Wen et al., 2018) 

 

– Tipo no convencional por extracción con fluidos supercríticos (SFE): Evita la degradación térmica, requiere bajos volúmenes de disolvente, es sencillo y rápido, aunque se necesitan equipos costosos y sofisticados, difícil manipulación del proceso y costos altos de análisis (Miękus et al., 2019). 

 

– Tipo no convencional por extracción asistida con enzimas (EAE): Ofrece rendimientos altos y previene la degradación térmica, pero tiene largos tiempos de extracción y costos elevados de enzimas (Ngamwonglumlert et al., 2017) 

 

En resumen, las técnicas de extracción no convencionales, a diferencia de las técnicas convencionales (CE), se fundamentan en el uso de métodos de alta energía, que permiten llegar al compuesto objetivo en una matriz vegetal, brindando una serie de ventajas, como una reducción en el tiempo, el consumo energético, la temperatura y la cantidad de disolvente de extracción, al igual que sus altos rendimientos de extracción y sus bajos efectos de termo-degradación de compuestos bioactivos (Goula et al., 2017). Es por esto que han generado un notable interés durante los últimos años, causando una gran expectativa en el ámbito científico e industrial (Otálora y Martin, 2020).