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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.3 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000300007 

 

Información Tecnológica-Vol. 17 N°3-2006, pág.: 41-46

INDUSTRIA ALIMENTARIA

Pretratamiento Enzimático de Expandido de Soja para la Extracción de Aceite con Solvente

Enzymatic Pretreatment of Soybean Collets for Solvent Extraction of Soybean Oil

Florencia V. Grasso, Beatriz G. Maroto y Celso C. Camusso
Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Nacional de Córdoba, Av. Valparaíso s/n, CC 509, 5000 Córdoba-Argentina (e-mail: fgrasso@agro.uncor.edu)


Resumen

El objetivo del presente trabajo es investigar la utilización de un pretratamiento enzimático sobre expandido de soja para la extracción de aceite con solvente. Se investigaron los efectos de un pretratamiento multi-enzimático sobre el rendimiento de la extracción. Se aplicó la Metodología de Superficies de Respuesta para evaluar el rendimiento en aceite como función del pH, temperatura y tiempo de hidrólisis enzimática empleando técnicas de regresión múltiple. Se probó la adecuación de un modelo de segundo orden y se calculó las condiciones óptimas de hidrólisis enzimática para obtener el máximo rendimiento teórico en aceite. Las condiciones óptimas calculadas fueron: temperatura de 43.5 ºC, pH de 5.4 y tiempo de incubación de 5.8 h. Bajo estas condiciones, el máximo rendimiento en aceite predicho por la función fue de 26.64 % sobre base seca.

Palabras claves: enzimas, extracción por solvente, aceite de soja, expandido de soja


Abstract

The objective of this research was to investigate the use of an enzymatic pretreatment of soybean collets for solvent extraction of the oil. The effect of multienzymatic pretreatment on extraction yield was investigated. Response Surface Methodology was applied to evaluate the oil yield as a function of pH, time, and temperature of the enzymatic hydrolysis by employing multiple regression techniques. The adequacy of a second-order model with interaction terms was tested and optimal enzymatic hydrolysis conditions for maximum oil yield were calculated. The optimal conditions calculated were: temperature 43.5 ºC, pH 5.4 and incubation period  5.8 h. Under these conditions, the maximum yield of oil as predicted by the function was 26.64% on a dry weight basis.

Keywords: enzymes, solvent extraction, soybean oil, soybean collets


INTRODUCCION

Los aceites se encuentran en vacuolas intracelulares y también enlazados a proteínas y a una amplia variedad de carbohidratos (celulosa, hemicelulosa, pectina, almidón, etc.). Para facilitar la extracción de aceite con solvente a partir de semillas oleaginosas es necesario degradar las paredes celulares a fin de incrementar la permeabilidad del aceite (Olsen, 1988). Esto puede lograrse aplicando tratamientos mecánicos y térmicos.

La soja necesita, al igual que otras semillas ciertas operaciones de pretratamiento para facilitar la extracción de aceite. Los pretratamientos convencionales para soja incluyen descascarado, reducción de tamaño, laminado y tratamiento térmico/hidrotérmico, cocido o tratamiento con vapor (Shankar et al., 1997). Estos pretratamientos tienen como objetivo mejorar la transferencia de masa. También puede obtenerse una mejora en el rendimiento y la velocidad de extracción destruyendo las paredes celulares de los granos de soja por acción enzimática (Smith et al., 1993; Dominguez et al., 1995 y 1996).

En experiencias previas se demostró, a partir de molido y laminado de soja (flakes), que la hidrólisis enzimática es un pretratamiento viable, obteniendose una mejora significativa sobre el rendimiento en aceite respecto de la extracción convencional con solvente (Grasso et al., 2002 y 2003). El objetivo de este trabajo es evaluar las variables: pH, temperatura y tiempo de incubación enzimática sobre el rendimiento en aceite, utilizando el Método de Superficies de Respuesta (MSR) para el pretratamiento enzimático-extracción por solvente a partir de expandido de soja (collets) obtenido en planta.

PARTE EXPERIMENTAL

Materiales

Soluciones tampón: las soluciones utilizadas fueron de pH 4,5; 5,0; 5,8; 6,6 y 7,2 preparadas a partir de soluciones estándares de KH2PO4 1/15 mol/L y Na2HPO4 1/15 mol/L. Las drogas utilizadas fueron de grado analítico marca Sigma y Merck.

Sistema de reacción: todas las incubaciones enzimáticas se realizaron en frascos erlenmeyer de vidrio de 150 mL y en baño termostatizado a la temperatura de trabajo con agitación suave (100 rpm).

Expandido de soja: las muestras de expandido de soja fueron obtenidas de la planta industrial Bunge Argentina S.A. de la localidad de Tancacha, Córdoba, Argentina.

Enzimas: se utilizaron preparaciones de uso industrial con actividades individuales celulasa (Multifect GC), hemicelulasa (GC 440), pectinasa (Multifect XL), amilasa (Spezyme Fred), glucoamilasa (Optidex L-400) y proteasa (Multifect Neutral). Las mismas fueron provistas por Genencor Internacional S.A. A partir de estas enzimas comerciales se preparó la mezcla enzimática empleada en todos los ensayos.

Métodos Analíticos

El contenido total de aceite fue determinado por el método Soxhlet usando hexano como solvente extractor. Las cenizas y la humedad fueron determinadas según las metodologías AOAC (Horwitz, 1998). La proteína cruda fue calculada sobre el valor de nitrógeno Kjeldahl (N x 6,25). El contenido de Nitrógeno se determinó espectrofotométricamente según el método Apostolatos (Apostolatos, 1984). Los carbohidratos totales se calcularon por diferencia.

Optimización de Variables

Se utilizó un diseño de 20 determinaciones experimentales para evaluar el rendimiento en aceite extraído en función de las tres variables mencionadas. Cada experimento consistió en inactivación de lipasas a 90 °C durante 15 minutos, incubación multi-enzimática con hemicelulasa, celulasa, proteasa, amilasa, glucoamilasa y pectinasa cada una a 0,5 % p/p calculado sobre el sustrato. Para cada ensayo se utilizó una muestra de expandido de soja de 10 g y se ajustó la relación sólido/líquido a 1:7 con solución tampón al pH de trabajo. La temperatura se mantuvo constante durante el período de incubación establecido. Posteriormente, se separaron las fracciones por centrifugación. La fase sólida se secó en estufa a 60 °C hasta peso constante. El sólido mantuvo su estructura porosa luego del secado por lo que no fue requerida una etapa posterior de molienda. Sobre esta fracción sólida hidrolizada y secada se extrajo el aceite en un equipo Soxhlet durante 6 h con hexano grado analítico. El rendimiento en aceite fue calculado por pesada de la miscela evaporada al vacío. El esquema de un ensayo se presenta en la Fig. 1.

El diseño experimental se basó en la Metodología de Superficies de Respuesta.

Fig. 1: Diagrama de flujo de un ensayo de pre-tratamiento enzimático-extracción con hexano.

Esta técnica estadística permite investigar procesos complejos. Los niveles de los factores fueron cuidadosamente seleccionados en función de la bibliografía disponible y experiencias previas (Grasso et al., 2002 y 2003). Los niveles  y las variables ensayados fueron: temperatura, T, entre 30 y 70 °C; pH entre 5 y 6,6 y tiempo de incubación, t,  entre 4 y 12 horas. Se desarrollo esta técnica para el rendimiento en aceite en base seca (% BS) como una función cuadrática de estas variables, empleando técnicas de regresión múltiple. Este procedimiento permite determinar el máximo rendimiento esperado teórico en aceite. El diseño seleccionado consiste en tres tipos de experimentos: ensayos factoriales (ensayos llevados a cabo a niveles inferior y superior de las variables diseñadas; 8 determinaciones); ensayos centrales (replicaciones del punto central del diseño; 6 determinaciones) y ensayos axiales (ensayos llevados a cabo a una distancia 1,68 uniforme del centro del diseño; 6 determinaciones) (Montgomery, 1991). En la Tabla 1 se muestran las condiciones experimentales para cada experimento. Las variables codificadas son: X1 = (T - 50) / 20; X2 = (pH - 5,8) / 0,8 y X3 = (t - 8) / 4.

Tabla1: Rendimientos para los ensayos del diseño experimental.


ensayo

Variables codificadas

Rendimiento
(% Aceite)

X1

X2

X3

1

0

0

0

26.19

2

0

0

0

26.74

3

0

0

0

26.79

4

0

0

0

26.39

5

0

0

0

26.66

6

0

0

0

26.68

7

-1

-1

-1

25.84

8

-1

-1

+1

25.01

9

+1

-1

-1

25.46

10

+1

-1

+1

23.20

11

+1

+1

-1

23.12

12

+1

+1

+1

25.98

13

-1

+1

-1

24.34

14

-1

+1

+1

23.15

15

0

0

-1,68

24.93

16

-1,68

0

0

24.27

17

0

-1,68

0

24.38

18

0

+ 1,68

0

26.01

19

+1,68

0

0

21.58

20

0

0

+1,68

25.31

RESULTADOS Y DISCUSION

La estructura del diseño experimental permite el desarrollo de una ecuación empírica, donde la función objetivo, Y, puede calcularse como la suma de una constante (bo), tres efectos de primer orden (b1, b2, b3), tres efectos cuadráticos (b11, b22, b33), tres términos de interacción (b12, b23, b13) y el error experimental e:

Y = bo + b1 X1 + b2 X2 + b3 X3 +  b11 X12 + b22 X22 + b33 X32 + b12 X1X2 + b23 X2X3 + b13 X1X3 + e

  (1)

donde Y = rendimiento en aceite (% base seca, BS). La adecuación del modelo se comparó sobre la base de los coeficientes, del error estándar y el análisis de residuos. El modelo debe describir como afectan los parámetros de hidrólisis enzimática sobre el rendimiento en aceite.

Se encontró que el pretratamiento enzimático ajusta a una función polinómica de la temperatura, para su efecto cuadrático y del pH, también para su efecto cuadrático. Para los efectos restantes, la variación no es estadísticamente significativa (p>0,05). También puede deducirse que no existen efectos significativos para la variable tiempo de incubación ni para los términos de interacción entre variables. Por lo tanto, la función objetivo, eliminados los términos no significativos, se definió como:

Y = 4,24.103 - 3,1.10-3 T2 - 0,727 pH2+error     

  (2)

Los contornos de la superficie de respuesta predecida para el rendimiento de la extracción de aceite de soja con hexano asistida con enzimas fueron generados por computadora como función de los dos parámetros significativos, manteniendo el tiempo en su valor central (Fig. 2).

Como puede observarse, el rendimiento en aceite se incrementa con el aumento de cada parámetro indicando la existencia de un máximo teórico. En el intervalo de variables estudiado, la función exhibe un punto de máximo rendimiento teórico en aceite (26,64 %BS). Las condiciones experimentales de este óptimo se calculan por diferenciación parcial e igualación a cero con respecto a cada variable. Las condiciones óptimas encontradas para este máximo son: 43,5 °C y pH 5,4 para la incubación enzimática durante 5,8 h.

En la Tabla 2 se observa que el contenido total  en aceite  del expandido  de soja es menor que el rendimiento teórico esperado para la extracción: pretratamiento enzimático-extracción con solvente. Esto puede deberse a que se libera aceite “extra” enlazado a otras macromoléculas, que no puede extraerse cuando se utiliza el método convencional (Smith et al., 1993).

Tabla 2: Composición del expandido de soja.

Componentes

(g/100g)

Humedad

22.71

Aceite total

20.69

Proteínas

38.51

Cenizas

5.53

Carbohidratos totales

12.56

La Tabla 3 resume la significancia del modelo global. Como puede observarse, el valor p indica que el modelo es significativo con más del 99 % de confianza. Por otro lado, se comprueba la adecuación del modelo cuadrático con más del 99 % de confianza, un error total de 0,864 y una falta de ajuste no significativa con una confianza superior al 99 %.

Tabla 3: Resultados de ANOVA para optimización del rendimiento en aceite.

 

SC

GL

MC

F-Fisher

valor-p

Modelo

32.550

9

3.617

4.188

0.0178

Error

8.636

10

0.864

   

Ajuste total

41.186

19

2.168

   

Cuadrático

30.609

6

5.102

5.907

0.0072

Falta de ajuste

8.364

5

1.673

30.729

0.0009

Error puro

0.272

5

0.054

   

Error total

8.636

10

0.864

   

Fig. 2: Contornos del rendimiento en aceite (% sobre base seca) en función del pH y temperatura de incubación enzimática

CONCLUSIONES

La hidrólisis enzimática ha sido estudiada para mejorar la eficiencia de los procesos acuosos, sin embargo el rendimiento de la extracción acuosa de soja es inferior al proceso de extracción por solvente (Santos y Ferrari, 2005).

Una opción es aplicar la hidrólisis enzimática a los procesos convencionales de extracción actualmente empleados en las industrias aceiteras para obtener aceite de soja. Smith et al., (1993) obtuvo un incremento del 1,51 % en la liberación de aceite debida a la hidrólisis enzimática, cuando esta es combinada con prensado mecánico, mientras que Dominguez et al. (1995) obtuvo un incremento del 6 % para la hidrólisis enzimática combinada con extracción por solvente a partir de laminado de soja.

Nuestros resultados indican mejores rendimientos para expandido de soja (cercanos al 27 %) que para molido de soja (cercanos al 23 %), aunque menores a los observados para laminado de soja (cercanos al 28%), obtenidos en experiencias previas (Grasso, et al., 2002 y 2003). Esto determinaría que se podría incorporar la incubación enzimática a la salida de la operación de laminado.

Entre las ventajas esperadas a partir de la aplicación de un pretratamiento enzimático se pueden enfatizar: el incremento del rendimiento de la extracción de aceite y la disminución de la cantidad de solvente a utilizar y/o reducción del tiempo de extracción para la obtención de la misma cantidad de aceite (Zúñiga et al., 2003).

Los aspectos que necesitan ser revisados son los costos de las enzimas, el consumo energético para el calentamiento durante el secado, el consumo energético para el calentamiento durante la incubación y las pérdidas de aceite en la fase acuosa. Para minimizar el costo energético por secado y por incubación deberían desarrollarse enzimas con actividades máximas a temperaturas más bajas y que puedan usarse en estado sólido. Esta última opción aportaría además una solución a las pérdidas de aceite en la fase acuosa, ya que podrían diseñarse procesos de incubación simultáneos a la extracción, a condiciones de humedad reducidas.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por la Secretaría de Ciencia y Tecnología de la Universidad Nacional de Córdoba y CONICET. Agradecemos a Genencor Internacional Inc y a Bunge Argentina S.A. por aportar las enzimas y las muestras de expandido de soja, respectivamente.

REFERENCIAS

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