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1. Introducción
En la industria del aceite vegetal, la deodorización de los aceites tiene la finalidad de eliminar sustancias que imparten sabores y olores indeseables a los mismos. Esta operación es una de las etapas finales en el proceso de refinación química utilizado actualmente y se lleva a cabo por destilación, mediante arrastre con vapor, de las sustancias más volátiles presentes en el aceite extraído (O´Brien 2000, 153). Junto con los compuestos que producen aromas indeseables (productos de oxidación como aldehídos, cetonas, etc.) se destilan algunos componentes minoritarios entre los que destacan los ácidos grasos libres, tocoferoles, fitoesteroles, escualeno, mono y diglicéridos, hidrocarburos pesados y algunos triglicéridos. En conjunto, este subproducto es conocido como Ácidos Grasos Destilados (AGDs).
Los ácidos grasos destilados de aceite de soya (AGDAS) son de especial interés por su alto contenido de tocoferoles, fitoesteroles totales (FT) y escualeno (E); con valores reportados de 10 y 20 % p/p para tocoferoles y fitoesteroles respectivamente (Ito et al., 2005), y 5.5 % para escualeno (Dumont y Narine 2007, 1104). Sin embargo las condiciones de las etapas del proceso de refinación influyen en el contenido de estos compuestos en los AGDAS (Nergiz y Celikkale 2011, 382), específicamente las condiciones de temperatura, presión y tiempo de residencia en el deodorizador (O´Brien 2000, 161). Con base en lo anterior, la contribución de este trabajo radica en establecer un protocolo para la caracterización puntual del subproducto bajo las condiciones específicas de operación de la industria aceitera que involucra desde las condiciones de cultivo de la soya, lugar de origen (condiciones pre cosecha) y condiciones del proceso de refinación, para establecer cuáles de estos factores pudiera afectar el contenido de los compuestos de interés en los AGDAS y en consecuencia su valor económico y la factibilidad misma de su aprovechamiento.
El escualeno (E) es un hidrocarburo terpenoide que se encuentra en importante proporción en el hígado de especies marinas como ballenas y tiburones. Generalmente se utiliza en su forma natural o hidrogenada en la formulación de cosméticos por sus propiedades como humectante o agente emoliente. Sin embargo, su uso en aplicaciones cosméticas ha sido limitado ya que existe una preocupación por la conservación de las especies marinas a nivel internacional. Por esta razón, resulta importante establecer fuentes alternas para el suministro de este hidrocarburo (Pramparo et al., 2005, 229).
La estructura química de los fitoesteroles es muy similar a la del colesterol; sin embargo se conoce que los fitoesteroles tienen efectos hipocolesterolemiantes cuando se ingieren en un rango de 1-3 g por día, razón por la cual se les considera aliados importantes en la prevención de enfermedades cardiovasculares (González et al., 2012, 4725). Por lo mismo, su consumo es indicado para individuos con hipocolesterolemias leve o moderada.
Los fitoesteroles libres (FL) y esterificados (FE) son componentes esenciales de las membranas de células vegetales, y se encuentran ampliamente distribuidos junto con los fosfolípidos y otros glucolípidos (Breinhölder et al., 2002, 67). El contenido, tipo y proporción de FL y FE es característico de cada tipo de aceite; por ejemplo, el aceite de oliva tiene altos niveles de β-sitoesterol y ∆7-avenasterol, mientras que el aceite de girasol es rico en ∆7- estigmaesterol (Toledano et al., 2012, 610).
La interconversión de fitoesteroles libres a esterificados es muy rápida, lo cual sugiere que se da como una función regulatoria en respuesta a cambios en niveles de fitohormonas y a factores ambientales como luz, temperatura y estrés hídrico, además está también involucrada en cambios en propiedades de la membrana como respuesta a dichas condiciones de estrés (Moreau et al., 2002, 471).
Particularmente, los FE tienen mayor interés en la industria alimentaria por ser más bioactivos y liposolubles que los FL, por lo que es fácil incorporarlos en productos grasos para la producción de alimentos funcionales (Teixeira et al., 2011, 2865). Por lo tanto es importante conocer la proporción de los fitoesteroles libres y esterificados en los AGDAS para establecer su valor económico potencial.
La composición química de los cultivos depende de muchos factores, entre ellos el clima. Con el fenómeno del cambio climático fueron predichas condiciones climáticas extremas. En muchas regiones de cultivo, el tiempo tenderá a ser más cálido con precipitaciones más irregulares y los picos en los niveles de estrés más severos. El reto entonces, es no sólo aumentar la producción agrícola para una población en crecimiento, sino lograrlo bajo condiciones ambientales más adversas y además conocer las adaptaciones fisiológicas de los cultivos que invariablemente se reflejarán en la composición química de los productos que de ellos se obtienen (Redden 2013, 425).
En este sentido, Anastasopoulos et al., (2011, 173) determinaron que la composición química del aceite de oliva virgen estaba determinada por diversos factores tales como: etapa de maduración, año de cosecha y forma de cultivo, los cuales tienen influencia en los índices de calidad tanto cualitativos como cuantitativos de polifenoles, escualeno, ácidos grasos y esteroles.
Los niveles de fitoesteroles esterificados se incrementan con la senescencia y como respuesta a estrés fisiológico (Wen-Hui et al., 2008, 186). Asimismo, se ha encontrado que las altas temperaturas y la localización del cultivo son factores significativos para el incremento de los niveles de fitoesteroles en semilla de soya (Vlahakis y Hazebroek, 2000, 52).
De acuerdo con la Comisión Nacional del Agua (2014), el año 2011 fue anormalmente seco como se observa en la Fig. 1. El 31.2% de la superficie total de México presentó sequía Extrema (D3) y el 50% sequia Excepcional (D4); fue la más intensa de los últimos nueve años, superando a la que ocurrió en 2006, en donde la mayor afectación ocurrió en el Noroeste y el Centro del país. La sequía del 2011 fue de mayor extensión y formó parte de la que afectó el Sureste de los Estados Unidos, como se aprecia en la Fig. 2 (Monitor de Sequía de América del Norte 2011). Estos datos, resultan importantes en este trabajo, ya que los AGDAS materia de este estudio fueron generados de grano de soya cultivada en 2011 y 2012 y justamente en la zona de mayor afectación de la sequía (Tamaulipas y el Valle de Texas).
Figura 1 Monitor de Sequía de México. (Reporte del Clima en México, Comisión Nacional del Agua, 2003-2014)
Figura 2 Afectación por sequía en el año 2011 en el sureste de Estados Unidos (United States Drought Monitor 2011).
En el tema de los métodos analíticos para el análisis de fitoesteroles por cromatografía de gases, existe abundante información que cita la etapa previa de derivatización, específicamente la sililación. Esta etapa consiste en el remplazo de un hidrógeno ácido por un grupo alquilsililo dentro de la molécula, consecuentemente mejorando su volatilidad, estabilidad térmica y detección del analito (Lin et al., 2008). Un inconveniente de este procedimiento es que se utilizan reactivos como piridina y N, O-bis (trimetilsilil) trifluoroacetamida con 1 % de trimetil cloro silano (TMCS), los cuales son difíciles de manejar en el laboratorio y representan un costo adicional para su adecuada disposición. Otra desventaja de la derivatización son las condiciones y los tiempos de reacción que llegan a ser de 1 a 2 h. (Saba et al., 2012, 974).
En un trabajo previo (Rodríguez et al., 2014) se optimizó y validó un método de purificación de FL y FE. Igualmente se evaluó estadísticamente la diferencia entre dos modalidades de cuantificación, estándar interno y estándar externo, así como la etapa de derivatizar y no derivatizar. Se estableció que no existe diferencia significativa (p< 0.05) entre las dos modalidades de cuantificación ni entre derivatizar o no.
Dado que los AGDAS son considerados un subproducto de la industria del aceite vegetal, existe un interés en particular de aprovechar su potencial valor económico, por lo que es necesaria la caracterización del contenido de FT, FL, FE y E usando para este propósito un procedimiento de purificación optimizado y un método analítico validado, donde se utiliza la cuantificación con estándar interno y sin derivatización, que puede asegurar la calidad de los resultados y refleje una reducción de costos, tiempo y residuos tóxicos, sin comprometer la calidad de los resultados analíticos (Rodríguez et al., 2014).
La cuantificación de FT, FE y E permitirá evaluar si los AGDAS son una fuente significante de estos compuestos. Así mismo, mediante un análisis multifactorial será posible determinar si la procedencia del grano de soya (americano o nacional), la condición del cultivo (Sequía o Normal, años 2011 y 2012 respectivamente) y el grado de calidad del aceite (Genérico o Premium) son factores determinantes en el contenido de fitoesteroles y escualeno en los AGDAS.
2. Materiales y métodos
2.1.Materiales
Los ácidos grasos destilados de la refinación del aceite de soya (AGDAS) se obtuvieron de una industria de refinación de aceite vegetal en la ciudad de Monterrey, México. Todas las muestras se mantuvieron a −15 °C hasta el momento de su análisis. El escualeno, β-sitosterol, campesterol, estigmaesterol, colesterol y gel de sílice grado cromatográfico de 100-200 mesh se obtuvieron de Sigma Aldrich (St. Louis, MO). El resto de los reactivos y solventes, de grado analítico, se consiguieron de Fisher Scientific (Monterrey, México).
2.2.Metodología
2.2.1 Tratamiento de la muestra
La purificación de fitoesteroles y escualeno se llevó a cabo en una columna de gel de sílice de 3.0 g, usando como eluyentes 21 mL de una mezcla hexano:acetato de etilo (90:10) para la fracción no polar, y 21 mL de una mezcla hexano:éter etílico:etanol (25:25:50) para la fracción polar, para obtener fitoesteroles esterificados (FE), escualeno (E) y fitoesteroles libres (FL), respectivamente (Rodríguez et al., 2014).
2.2.1.1 Fracción no polar(Verleyen et al., 2002a, 118)
La fracción no polar que resultó de la etapa de purificación, que contenía los FE y E, fue concentrada hasta 2 mL aproximadamente. Posteriormente el concentrado fue saponificado añadiendo 20 mL de una solución al 6 % p/p de KOH en etanol, es colocado en un baño de agua a 75 °C por 1 h. Subsecuentemente se realizó una extracción líquido-líquido en un embudo de separación de 250 mL con dos porciones de 25 mL de éter etílico; las fracciones de éter se lavaron con KOH 0.25 M (50 mL) y agua destilada (50 mL), y recolectadas, pasando por sulfato de sodio, en un matraz bola de 100 mL. Después se concentró a 3 mL aproximadamente, y finalmente se llevó a un volumen de 10 mL con hexano.
2.2.1.2 Fracción polar(Verleyen et al., 2002a, 118)
La fracción polar que contiene los FL se concentró a 3 mL aproximadamente y se llevó a un volumen de 10 mL con hexano.
Todas las etapas de concentración se llevaron a cabo a presión reducida en un rotavapor (Heildoph, Caframo Ltd. W 2000) a 150 rpm, y 50 °C de temperatura.
2.2.2 Análisis de la muestra
La cuantificación de fitoesteroles se realizó por cromatografía de gases, utilizando estándar interno y sin la etapa previa de derivatización (Rodríguez et al., 2014).
2.2.3.Condiciones cromatográficas
El análisis se realizó en un cromatógrafo de gases, 6890N, acoplado a un espectrómetro de masas, 5973N, con una columna capilar HP 5MS: 30 m x 0.25 mm x 0.25 μm (Agilent Technologies, Alemania). Se determinó el contenido de FE y E en la fracción no polar de la extracción, y de FL en la fracción polar. Las condiciones cromatográficas fueron las siguientes: temperatura inicial de la columna de 190 °C, la cual se mantuvo por 1 min; posteriormente con una rampa de 15 °C se alcanzó una temperatura de 300 °C, que se mantuvo por 10 min. Las temperaturas del inyector y detector fueron de 270 y 230 °C respectivamente. Se utilizó helio como gas acarreador con un flujo de 0.8 mL·min-1.
2.2.4 Diseño y análisis estadístico
Una vez realizado el análisis de los compuestos de interés con la metodología optimizada y validada, con los resultados obtenidos se realizó un análisis multifactorial con arreglo completamente al azar, ya que éste permite investigar todas las combinaciones posibles de los niveles de los factores, así como sus interacciones para evaluar el efecto de la procedencia del grano, calidad del aceite y condiciones de cultivo en la composición de los AGDAS, bajo el siguiente diseño experimental a x b x c x n:
a = Procedencia del grano de soya: americano, nacional
b = Calidad del aceite: Premium, genérico
c = Condición de cultivo: sequía, normal
n = 5 repeticiones
Para el análisis multifactorial, se realizó un análisis de varianza (ANOVA) de tres factores y comparación múltiple de medias para establecer diferencias mínimas significativas entre los factores, utilizando el programa estadístico MINITAB (Versión 14.12, PA, USA) con un nivel de confianza del 95 %.
3. Resultados y discusión
3.1 Análisis de AGDAS
Los valores promedio de cinco réplicas para fitoesteroles totales de las diferentes condiciones evaluadas se muestran en la Fig. 3a. Como promedio global se encontró una concentración de fitoesteroles totales de 14.92% p/p, que resultan mayores a las referenciadas por Dumont y Narine (2007, 1104) y Khatoon et al., (2009, 323) quienes reportan concentraciones en un rango de 6.1 - 7.8%, y por debajo de la concentración de 20% reportada por Ito et al. (2005).
Figura 3a Contenido de fitoesteroles totales en AGDAS de diferente procedencia (nacional y americano), grado de calidad (Premium y genérico) y condición de cultivo (sequía y normal). El valor que se muestra en las barras corresponde a un promedio de 5 réplicas.
Los valores promedio de cinco réplicas para fitoesteroles esterificados de las diferentes condiciones evaluadas se muestran en la Fig. 3b.
Figura 3b Contenido de fitoesteroles esterificados en AGDAS diferente procedencia (nacional y americano), grado de calidad (Premium y genérico) y condición de cultivo (sequía y normal). El valor que se muestra en las barras corresponde a un promedio de 5 réplicas.
De acuerdo con Fernandes y Cabral (2007, 2335) los FL y FE están presentes en aceites comestibles. Con los resultados obtenidos en este estudio se establece que esto también ocurre en AGDAS, siendo mayor el contenido de FE (4.56% p/p) cuando las condiciones de desarrollo del cultivo fueron de sequía como se muestra en la Fig. 3b. Además, los resultados obtenidos mostraron que los FE representan un 22% de los fitoesteroles totales (Fig. 4). Esto es importante si consideramos que Teixeira et al., (2011, 2865) mencionan que el interés de la industria alimentaria por los FE es debido a que son más bioactivos y liposolubles que los libres, además de su fácil incorporación en productos grasos de alimentos funcionales. Como promedio global se encontró una concentración de FE de 3.23% p/p.
La concentración promedio de escualeno (Fig. 5) fue de 1.75% p/p, el cual se encuentra por debajo del 1.83 y 5.5% p/p reportados (en ese orden) por Gunawan et al., (2008, 131) y Dumont y Narine (2007, 1104); y superior al 0.9 y 1.19% p/p reportados por Verleyen et al., (2001, 282) y Pramparo et al., (2005, 232), respectivamente. Estas variaciones son debido a factores que propician cambios en la composición de los AGDAS tales como procedencia de la soya, condiciones de cultivo y grado de calidad de aceite a obtener en el proceso de refinación (Premium o genérico) (Redden 2013, 427; Anastasopulus et al., 2011, 173; Kellens y De Greyt 2000, 160).
3.2 Evaluación de la influencia de los factores en la composición de AGDAS
En la Tabla 1 se presenta el ANOVA multifactorial para la evaluación de la influencia de la procedencia, grado de calidad y condición de cultivo en el contenido de fitoesteroles totales, ninguno de los factores evaluados fue determinante en el contenido de estos compuestos, p>0.05. Al respecto, Vlahakis y Hazebroek (2000, 52) reportan que altas temperaturas y localización del cultivo fueron significativos para el incremento de los niveles de fitoesteroles en semilla de soya y en consecuencia un incremento de estos en los AGDAS; no obstante en el presente estudio no se observó una diferencia en el contenido por la condición de estrés por sequía.
Tabla 1 ANOVA multifactorial para la evaluación de la influencia de procedencia, grado de calidad y condición de cultivo en el contenido (% p/p) de fitoesteroles totales en AGDAS.
Para el caso de la evaluación de la influencia de la procedencia, grado de calidad y condición de cultivo en el contenido de fitoesteroles esterificados, como se puede apreciar en la Tabla 2 que muestra el ANOVA multifactorial, los factores grado de calidad y condición de cultivo influenciaron el contenido de estos compuestos, p<0.05, no así la procedencia, p>0.05. Moreau et al., (2002, 471) reportan que la interconversión de fitoesteroles libres a esterificados es muy rápida, lo que sugiere una función regulatoria a cambios en niveles de fitohormonas y a factores ambientales como luz, temperatura y estrés de hídrico. Estas modificaciones en la forma de los fitoesteroles están involucradas en cambios en propiedades de la membrana como respuesta a condiciones de estrés. Incluso, está reportado que los niveles de fitoesteroles esterificados incrementan con la senescencia y como respuesta a estrés fisiológico (Wen-Hui et al., 2008, 186). Así mismo, con respecto al grado de calidad, O'Brien (2000, 160) refiere que las condiciones de temperatura, presión y tiempo de residencia en la etapa de blanqueo y desodorizado influyen en la composición de los AGDAS. Verleyen et al., (2002b, 949) menciona la variación en la proporción de FL y FE por las condiciones específicamente de neutralización, blanqueo y desodorización, sin embargo el contenido de fitoesteroles totales no se ve afectado.
Tabla 2 ANOVA multifactorial para la evaluación de la influencia de procedencia, grado de calidad y condición de cultivo en el contenido (% p/p) de fitoesteroles esterificados en AGDAS.
La Tabla 3 corresponde al ANOVA multifactorial para el caso del escualeno, como se puede apreciar, los factores procedencia y condición de cultivo influenciaron el contenido de este compuestos, p<0.05, no así el grado de calidad, p>0.05. En concordancia con diferentes autores, el contenido de tocoferoles, fitoesteroles y escualeno en algunos cultivos, depende de las condiciones climáticas así como de la genética de la especie (Singh et al., 2013; Financiera Rural, 2013; Anastasopoulos et al., 2011, 171; Britz et al., 2007, 7563).
Conclusiones
El aprovechamiento del subproducto de la etapa de deodorización del aceite de soya como fuente de fitoesteroles es factible ya que el contenido supera el 10 % p/p; no así para escualeno que resultó menor al 5 % p/p. La concentración de escualeno en AGDAS está influenciada por la procedencia y condición de cultivo de la soya de origen; su concentración promedio en todo el estudio fue de 1.75 % p/p. Estos factores además del grado de calidad no son determinantes en el contenido de Fitoesteroles totales en AGDAS cuya concentración promedio fue de 14.92 % p/p. Mientras que la proporción de fitoesteroles esterificados (4.9%) está relacionada con el grado de calidad y la condición del cultivo, pero no con la procedencia.
