Obtención de aceite de canola aplicando tecnologías emergentes

Abstract

Actualmente existe una revalorización de la calidad de los productos primarios, la cual no solamente puede incidir fuertemente en el precio final del producto comercializado, sino también en su aceptación por el mercado y/o en los procesos tecnológicos. En este sentido, la colza/canola (Brassica napus L.) es interesante dado su ciclo invierno-primavera, que le permite acceder al mercado en distintas épocas del año, incrementando el abastecimiento de la industria y no superponiéndose con las demás especies oleaginosas. El aceite posee una muy baja proporción de ácidos grasos saturados (7%), menor a la observada en el aceite de girasol; posee una adecuada relación de ácidos ꞷ-6/ꞷ-3 y un interesante contenido de tocoferoles, siendo requerido por los mercados más exigentes. Por otra parte, en la actualidad existe un sustancial interés por el uso de nuevas tecnologías de pretratamiento y/o extracción, como son el empleo de ultrasonido y microondas, tendientes a incrementar rendimientos, mantener o mejorar calidad de productos, acortar tiempos de extracción, disminuir el consumo de solventes orgánicos, reduciendo a su vez la contaminación. Asimismo, la producción más limpia es un desafío creciente y de compromiso con un desarrollo sustentable. En virtud de las consideraciones realizadas se propuso realizar el estudio de los efectos que ejercen distintos procesos de la cadena agroindustrial sobre la calidad y/o la cinética de extracción del aceite de colza/canola, explorando nuevas tecnologías, como son el empleo de ultrasonido y microondas, así como el uso de etanol como solvente (alternativa al nhexano). En el Capítulo 1 se presenta una introducción a los aspectos y conceptos más generales que fueron aplicados a lo largo de esta tesis, incluyendo la importancia de la canola y su aceite tanto en la Argentina como en el mundo, así como un análisis de las distintas tecnologías emergentes utilizadas. A su vez se plantea el objetivo general y los objetivos específicos e hipótesis del presente estudio. En el Capítulo 2 se describe la caracterización de los granos de canola utilizados a lo largo de la tesis y, posteriormente, se evalúa la influencia de un pretratamiento con microondas aplicados a dichos granos sobre la calidad del aceite extraído, a partir de la determinación del valor de acidez, el índice de peróxidos, valor de p-anisidina y la composición de ácidos grasos. A su vez, se desarrolla una técnica para la determinación de canolol y tocoferoles por Ultra-Cromatografía Líquida de alta Presión (UHPLC), sintetizando canolol para su utilización como estándar externo. En el Capítulo 3 se analiza el efecto del pretratamiento con microondas sobre la cinética de la extracción con solvente (n-hexano) de aceite de canola, y se utilizan modelos adecuados para predecir y/o explicar los diversos fenómenos que intervienen en este proceso. Se desarrolla un modelo de ajuste bidimensional en función del tiempo y temperatura a partir del modelo de difusión de Fick modificado, permitiendo obtener los parámetros característicos con elevados coeficientes de correlación. A su vez, se modela la cinética de extracción a partir de una herramienta de inteligencia artificial. Para ello se desarrolla una estructura de Red Neuronal Artificial (RNA) para modelar y predecir la cinética de extracción con solvente (n-hexano) de aceite de canola a distintas temperaturas para 3 muestras de granos y 3 condiciones (sin pretratamiento, pretratamiento hidrotérmico, pretratamiento con microondas) a partir de datos experimentales y extraídos de bibliografía. En el Capítulo 4 se estudia la extracción con solvente de aceite de canola utilizando etanol, a partir de granos pretratados con microondas y sin pretratar. Se construyen curvas de extracción y se aplica el modelo bidimensional desarrollado en el Capítulo 3. Dado que el etanol permite la extracción de componentes insolubles en n-hexano, se incluye una etapa de fraccionamiento con n-hexano con el fin de separar los mismos del extracto total. Por otro lado, se desarrolla un proceso de separación de los insolubles en n-hexano del extracto total, posterior a la extracción, sin la utilización de n-hexano. El mismo consta de varias etapas que involucran evaporación parcial del solvente, enfriamiento, centrifugación, decantación de fases y evaporación total del solvente; obteniendo por un lado aceite de canola y por otro lado un subproducto rico en antioxidantes (como tocoferoles y canolol). A partir de los resultados obtenidos en los capítulos previos, en el Capítulo 5 se estudia la extracción asistida por ultrasonido de aceite de canola utilizando como solvente etanol, a partir de granos pretratados con microondas. Se analizan distintos parámetros del proceso como tiempo de extracción, temperatura, tipo de solvente y relación sólido:solvente. Mediante la metodologia superficie de respuesta se modela y posteriormente se optimiza el proceso para las respuestas rendimientos de extracto total y fracción lipídica y contenido de tocoferoles totales. Al mismo tiempo, se evalúa el efecto del empleo de ultrasonido sobre la calidad y componentes menores (de la fracción lipídica tocoferoles y canolol). Finalmente, se exponen las Conclusiones generales obtenidas a partir de este trabajo de Tesis y en base a ellas las Perspectivas futuras.

Nowadays there is a revaluation of the quality of primary products, which can not only strongly affect the final price of the marketed product but also its acceptance by the market and/or in the technological processes. In this regard, canola (Brassica napus L.) is interesting due to its winterspring cycle, which allows it to enter the market at different time of the year, increasing the supply of the industry and not overlapping with other oilseeds. Its oil has a very low proportion of saturated fatty acids (7%), lower than that observed in sunflower oil, containing an adequate ratio of -6 and -3 acids and an interesting content of tocopherols, being required by the most demanding markets. On the other hand, there is currently a growing interest in the use of new technologies of pretreatment and/or extraction, such as the use of ultrasound and microwaves, tending to increase yields, maintain or improve product quality, shorten extraction times and decrease the consumption of organic solvents, reducing pollution at the same time. Likewise, cleaner production is a growing challenge and commitment to sustainable development. On the basis of the above considerations, it was proposed to study the effects that different processes of the agroindustrial chain have on the quality and/or kinetics of canola oil extraction, exploring new technological alternatives, such as the use of ultrasound and microwave, and the use of ethanol as a solvent (an alternative to hexane). Chapter 1 presents an introduction of general aspects and concepts that were applied throughout this thesis, including the importance of canola and its oil in Argentina and worldwide and the analysis of the different emerging technologies used. Besides, the general objective the specific objectives and the hypotheses of this study are posed. Chapter 2 describes the characterization of canola seeds used in this thesis, and, subsequently, the influence of a microwave pretreatment applied the seeds on the quality of the extracted oil is evaluated from the determination of acidity value, peroxide index, p-anisidine value and fatty acid composition. Besides, a technique for the determination of canolol and tocopherols by ultra-high-pressure liquid chromatography (UHPLC) is developed, together with the synthesis of canolol for its use as external standard. Chapter 3 analyses the effect of the microwave pretreatment on the kinetics extraction of canola oil with solvent (hexane), and adequate models for predicting and/or explaning several phenomenom that intervene in the process are used. A bidimensional fitting model (function of time and temperature) is developed from the modified Fick diffusion model, allowing to obtain characteristic parameters with high correlation coefficients. Besides, kinetics of oil extraction in modeled with an artificial intelligence tool. For this purpose and structure of Artificial Neural Network is used in order to model and predict the extraction kinetics of canola oil with hexane at different temperatures, utilizing three samples of seeds and three conditions (without pretreatment, hydrothermally treated and microwaved) using experimental and reported data. Chapter 4 studies the solvent extraction of canola oil using ethanol from seeds microwaved and without pretreatment. Extraction curves are constructed and the bidimensional model developed in Chapter 3 is applied. Since ethanol allows the extraction of oil-insoluble components, a fractionation step with hexane is included in order to separate these compounds from the total extract. On the other hand, a process of separation of the insoluble compounds from the total extract after extraction without the use of hexane is developed. It consists of several stages that involve partial evaporation of the solvent, cooling, centrifugation and decanting of phases; obtaining on the one hand canola oil and on the other hand a byproduct rich in antioxidants (tocopherols and canolol). From the results obtained in the previous chapters, Chapter 5 studies the ultrasound-assisted extraction of canola oil using ethanol as solvent from microwaved seeds. Different process parameters such as extraction time, temperature, type of solvent, solid:solvent ratio were analyzed. Then the optimization was carried out by means of response surface methodology for different responses: extract yield, lipid fraction yield and tocopherols content. At the same time, the effect of the use of ultrasound on the quality and minor compounds content of the lipid fraction is evaluated. Finally, the General Conclusions obtained from this Thesis are exposedand, based on them, the Future Perspectives.