Introducción

La región sureste de México posee condiciones agroclimatológicas para el cultivo y aprovechamiento de Pimenta dioica (L.), especia originaria de México y Centroamérica ampliamente apreciada en el comercio internacional, conocida comúnmente como pimienta gorda, pimienta de Jamaica, pimienta guayabita, pimienta dulce, pimienta inglesa, malagueta y pimienta Tabasco, entre otros (^{Martínez-Pérez et al. 2013}). El árbol de P. dioica produce unos frutos redondos de entre 5 y 10 mm de diámetro, los cuales tienen un fuerte olor fragante por lo que generalmente son empleados como condimento en diversos platillos regionales (^{Machuca et al. 2020}). Uno de los principales atractivos sensoriales de P. dioica rádica en su aroma y sabor que evocan una mezcla de clavo, canela, pimienta negra y nuez moscada, motivo por la cual en el mercado internacional se le conoce como “Allspice” (^{Martínez-Pérez et al. 2013}). Los árboles de P. dioica generalmente inicial su floración entre marzo y abril, cosechando sus frutos entre agosto y septiembre. La cosecha se lleva cabo de forma manual cuando éstos presentan una coloración verde a verde amarillenta. Su manejo postcosecha consiste en despicado (eliminación de pedúnculos) y posterior secado. El secado de los frutos puede realizarse en patios de cemento (asoleaderos) durante 8 a 15 días o en deshidratadores mecánicos (60 °C a 80 °C) por 38 a 42 horas, tras lo cual se clasifican por tamaño y se envasan (^{Martínez et al. 2004}). La producción por árbol de P. dioica puede variar de entre 30 a 50 kg de fruto verde, la cual, debido a la pérdida de peso durante el secado puede llegar a rendir de entre 10 a 15 kg de producto seco (^{Martínez-Pérez et al. 2013}).

En México, la totalidad del cultivo de pimienta se refiere a Pimenta dioica (L), colocándolo como uno de los principales países productores a nivel mundial (^{TRIDGE, 2025}, ^{Machuca et al. 2020}). En el año 2024, la producción de pimienta en nuestro país alcanzó las 9 144.65 t, siendo el estado de Veracruz el primer productor con 6 732.11 t, seguido de Puebla (1 253.10 t) y Tabasco (921.25 t) (^{SIAP 2025}). En total, la producción nacional de esta especia alcanzó un valor comercial de 143.44 millones de pesos (^{SIAP 2025}). A pesar de que México se posiciona como uno de los principales productores a nivel mundial de P. dioica, la mayoría de los agricultores lo consideran un producto secundario y se limitan a la recolección y acondicionamiento del fruto mediante secado, clasificación y envasado, sin que existan esfuerzos significativos para otorgarle un mayor valor agregado, lo cual representa una oportunidad de incrementar los beneficios económicos para las comunidades productoras (^{Martínez-Pérez et al. 2013}).

En este contexto, uno de los productos derivados de especias aromáticas con gran valor agregado son los aceites esenciales (^{Sharmeen et al. 2021}). En el año 2022, el valor de mercado a nivel mundial estimado para los aceites esenciales fue de 8.8 billones de dólares y se pronostica que para el 2027 este valor crecerá a 15.3 billones de dólares debido a su creciente empleo en las industrias de los alimentos, bebidas, cuidado personal, así como la de la emergente industria de la aromaterapia (^{Markets y Markets 2025}).

El aceite esencial de P. dioica puede ser obtenido de las hojas o frutos del árbol, alcanzando rendimientos que varian de 0.3 a 1.25% en hojas frescas y de 3.3 a 4.5% en los frutos secos (^{Douglas et al. 2005}). La posibilidad de obtención de aceite esencial derivado de las hojas del árbol de P. dioica permite vilsulmbrar una alternativa de aprovechamiento comercial de este cultivo, más allá de la cosecha y comercialización estacional del fruto. En general, la obtención de aceites esenciales a partir de diferentes matrices vegetales puede llevarse a cabo por diferentes métodos, siendo la hidrodestilación uno de los más empleados debido al bajo costo de inversión de los equipos (^{Douglas et al. 2005}). No obstante, una problemática relacionada con la hidrodestilación consiste en que, por efecto de los largos periodos de calentamiento, los aceites esenciales pueden experimentar hidrólisis, isomerización u oxidación generando compuestos más solubles en agua que hacen difícil su extracción e influyen negativamente en el rendimiento (^{Richa et al. 2020}). En este sentido y hasta donde nos ha sido posible conocer, no se han documentado estudios que analicen los principales factores que influyen en el rendimiento del aceite esencial obtenido mediante hidrodestilación de hojas del árbol de P. dioica. Considerando lo anterior, el objetivo del presente estudio consistió en evaluar el efecto de la intensidad de calentamiento y la relación agua/solidos (A/S) sobre la velocidad de extracción y rendimiento del aceite esencial obtenido durante la hidrodestilación de hojas frescas de árboles de Pimenta dioica L.

Materiales y métodos

Proceso de hidrodestilación

Los recortes de hojas de P. dioica se pesaron según la relación Agua/Sólidos (A/S) establecida para cada tratamiento y posteriormente se sometieron a hidrodestilaciónen en un sistema conformado por un matraz de fondo redondo de 2 L, adicionándole 500 mL de agua destilada, acoplado a un equipo Clevenger y un condensador Allihn. El cual fue calentado de forma controlada mediante un baño de glicerol sobre una placa eléctrica, estableciéndose las temperaturas definidas en el diseño experimental y manteniendo el proceso durante 6 horas a partir de la primera gota de condensado recolectada (Figura 1).

Muestras conformadas por el condensado acumulado en el equipo Clevenger fueron recolectadas cada 10 min durante los primeros 60 min, a continuación, cada 20 min hasta los 200 min y finalmente cada 30 min hasta el final del proceso (360 min). Cada una de las muestras fue sometida a tres extracciones líquido-líquido empleando 3 mL de éter de petróleo en cada extracción, colectando las fases etéreas, eliminado el agua en ellas mediante la adición de sulfato de sodio anhidro, separando la fase etérea del sulfato de sodio y evaporando el solvente mediante corriente de aire a temperatura ambiente. El aceite esencial obtenido fue cuantificando gravimétricamente después de la evaporación del solvente, estimando así el rendimiento acumulado a lo largo de la hidrodestilación.

Figura 1 Esquema del sistema de hidrodestilación empleado durante el desarrollo del estudio. 

Resultados

La humedad presente en el material biológico a emplear durante el proceso de hidrodestilación es un parámetro de relevancia a considerar. En este sentido, las hojas frescas de P. dioica utilizadas en el presente estudio presentaron un contenido de humedad del 41.9 ( 1.28%. Las hojas usadas en este estudio fueron recolectadas entre los meses de febrero y abril del año 2024.

El seguimiento de la liberación y recuperación del aceite esencial durante la hidrodestilación fue llevado a cabo en todos los tratamientos planteados (Figuras 2 y 3). En este sentido, se puede observar que los rendimientos acumulados de aceite esencial obtenido a lo largo del tiempo de proceso mostraron un muy buen ajuste al modelo de Monod. Los valores de R² estimados para cada uno de los diferentes tratamientos se encontraron en un rango de entre 0.9959 a 0.9994.

Figura 2 Rendimiento acumulado (mg/100 g BH) observado a lo largo del proceso de hidrodestilación llevados a cabo bajo diferentes relaciones A/S (10, 6 y 2) y una temperatura de 105 °C (a) y 120 °C (b). Cada valor mostrado corresponde al valor medio(desviación estándar de tres replicas. Las líneas continuas corresponden al mejor ajuste de los datos realizado con el modelo de Monod. 

Figura 3 Rendimiento acumulado (mg/100 g BH) observado a lo largo del proceso de hidrodestilación llevados a cabo a diferentes temperaturas (105 °C y 120 °C) con relaciones A/S de 2 (a), 6 (b) y 10 (c). Cada valor mostrado corresponde al valor medio(desviación estándar de tres replicas. Las líneas continuas corresponden al mejor ajuste de los datos realizado con el modelo de Monod. 

Durante la extracción de aceites esenciales por hidrodestilación diversos factores pueden influir grandemente sobre el rendimiento obtenido, siendo una de los más relevantes, la relación conformada por la cantidad de agua empleada en proporción de la matriz biológica inmersa en ella (A/S). En este sentido, en las Figuras 2 y 3 pueden observarse comportamientos diferenciados del rendimiento acumulado de aceite esencial estimado para cada uno de los diferentes tiempos de hidrodestilación. Así, cuando el proceso se llevó a cabo a 105 °C, menores rendimientos fueron observados en el caso de la relación A/S de 2, incrementando los rendimientos para el caso de los tratamientos cuya relación A/S fue de 6 y de 10 (Figura 2a). Sin embargo, para los tratamientos realizados a 120 °C, los mayores rendimientos observados a lo largo de todo el proceso se presentaron en aquellos cuya relación A/S fue de 6 y de 2, siendo siempre menores los rendimientos acumulados en el caso del tratamiento realizado con una relación A/S de 10 (Figura 2b).

Por otro lado, al contrastar las tendencias del rendimiento acumulado observadas a diferentes intensidades de calentamiento (105 °C y 120 °C), pero considerando la misma relación A/S, puede apreciarse un mayor rendimiento acumulado, desde el inicio del proceso, para el caso de los tratamientos en donde la relación A/S fue de 2 y 6 (Figura 3a y 3b). No obstante, en el caso los tratamientos cuya relación A/S fue de 10, el rendimiento acumulado observado durante los primeros 120 min fue muy similar. Sin embargo, después de 120 min el rendimiento acumulado fue mayor en el caso de los tratamientos realizados a la temperatura de 105 °C (Figura 3c).

Un análisis de varianza (ANOVA) considerando como variable de respuesta al rendimiento acumulado (obtenido después de 6 horas de proceso) indicó un efecto significativo (p < 0.05) de la relación A/S y de la intensidad de calentamiento, así como de la interacción conformada por ambos factores. En este sentido, puede observarse que cuando el calentamiento del sistema se lleva a cabo a 120 °C el rendimiento acumulado es significativamente mayor que cuando se lleva a cabo a 105 °C. El anterior comportamiento se presenta solo cuando la relación A/S es de 2 o 6. Sin embargo, cuando relación A/S incrementa a 10, el rendimiento acumulado decrece significativamente a niveles muy similares a los observados en los tratamientos realizados a 105 °C (Figura 4a).

Figura 4 Efecto de la interacción formada por la relación A/S y la intensidad de calentamiento sobre: (a) el rendimiento acumulado de aceite esencial a las 6 horas, (b) valores Rmax y (c) valores de K. Cada valor mostrado corresponde al valor medio ( desviación estándar de tres replicas. Valores que no comparten letra dentro de cada gráfico son significativamente diferentes (p < 0.05). 

El ajuste al modelo de Monod de los diferentes rendimientos acumulados derivados de los distintos tratamientos permite estimar algunos parámetros cinéticos relevantes. Uno de ellos es la constante de velocidad de extracción (K), valores bajos de K indicarían una mayor cantidad de aceite esencial liberado por unidad de tiempo. Al realizar un ANOVA considerando los valores de K estimados para cada uno de los diferentes tratamientos se encontró efecto significativo (p < 0.05) de la relación A/S y de la intensidad de calentamiento, así como de la interacción conformada por ambos factores. A este respecto, en la Figura 4c puede observarse que cuando el calentamiento del sistema se lleva a cabo a 120 °C los valores de K son significativamente menores que cuando se lleva a cabo a 105 °C. Este comportamiento se observa cuando la relación A/S es de 2 o 6, no siendo así para la relación A/S de 10. En este mismo sentido es importante señalar que a 120 °C, no hay diferencia significativa en los valores de K obtenidos en los tratamientos realizados a las diferentes relaciones A/S. Por otro lado, cuando los tratamientos se realizan a 105 °C, los valores de K incrementan al disminuir la relación A/S. Esto significa, que la cantidad de aceite esencial liberado por unidad de tiempo se reduce significativamente al disminuir la relación A/S.

En relación con los valores de Rmax estimados para los diferentes tratamientos, los resultados del ANOVA realizado mostraron un comportamiento muy similar al descrito para el rendimiento acumulado obtenido después de 6 horas de proceso (Figura 4b y 4a).

Discusión

El contenido de humedad del material biológico destinado a la obtención de aceites esenciales mediante hidrodestilación es un parámetro importante que considerar debido a su influencia en la estimación del rendimiento. Estudios realizados en hojas de P. dioica, como el de ^{M et al. (2024)}, reportan un contenido de humedad de 52.0 ± 4.5%, el cual es superior al encontrado en las hojas empleadas en la presente investigación (41.9 ± 1.28%). Lo anterior, puede deberse a los diferentes periodos del año en las que se realizó la recolección de las hojas en ambos estudios, así como a la edad y las condiciones agronómicas específicas de los árboles involucrados.

La hidrodestilación como proceso a través del cual el aceite esencial contenido en una matriz vegetal es liberado y posteriormente recuperado ha sido estudiado desde diferentes perspectivas. En este sentido, algunos estudios se han enfocado en proponer modelos cinéticos que estiman el rendimiento acumulado en función del tiempo de hidrodestilación con el fin de analizar el efecto de diversos factores sobre el rendimiento y otros parámetros (^{Dao et al. 2020}). Este es el caso del modelo de Monod, el cual permite determinar algunos parámetros cinéticos relevantes, tales como la constante cinética de velocidad de extracción (K) y el rendimiento máximo obtenible (Rmax). En la presente investigación, los rendimientos acumulados obtenidos en los diferentes tratamientos indicaron un buen ajuste al modelo, alcanzando valores de R² similares a los reportados en estudios en donde el modelo de Monod también fue utilizado (^{Palacios-Ambrosio y Castillo-Martínez 2015}).

Las plantas caracterizadas por producir aceites esenciales durante su desarrollo generalmente los almacenan en receptáculos especiales denominados tricomas glandulares (^{Martínez-Nataren et al. 2023}). Estos tricomas durante el proceso de hidrodestilación sufren daño estructural favoreciendo la difusión y liberación de los aceites esenciales e influyendo directamente en el rendimiento obtenido. En este sentido, la cantidad de aceite esencial que es liberado y recuperado durante el proceso de hidrodestilación puede ser afectado por diferentes factores tales como, la relación A/S, la intensidad y manera en que el calor es suministrado, el tiempo de proceso, el tamaño de partícula, así como otros tratamientos previos a los que puede ser sometido el material vegetal (^{Olascuaga-Castillo et al. 2024}, ^{Lainez-Ceron et al. 2021}). De los factores anteriormente indicados, el presente estudio solo se limitó evaluar la relación A/S y la intensidad de calentamiento ya que se consideró que éstos son los de mayor relevancia. Sin embargo, no se descarta la posibilidad de que otros factores y sus interacciones puedan generar mejores resultados.

La relación A/S es un factor relevante dentro del proceso de hidrodestilación ya que el agua es el medio de convección a través del cual la energía calórica alcanza los tricomas glandulares. Sin embargo, el empleo de una gran cantidad de agua en relación con el material vegetal implica un mayor gasto energético por gramo de aceite esencial finalmente extraído, lo que impacta en la rentabilidad del proceso. Por otro lado, la reducción en la proporción de agua en relación con el material vegetal implica un menor volumen de agua circundante alrededor del material vegetal favoreciendo su agregación o compactación, limitando la liberación del aceite esencial y favoreciendo algunas reacciones de degradación (^{Phuoc-Sang et al. 2022}, ^{Olascuaga-Castillo et al. 2024}, ^{Lainez-Ceron et al. 2021}). Por lo anterior, es muy importante determinar la relación A/S adecuada para que el proceso de extracción sea eficiente y rentable.

En este contexto, durante el presente estudio se observaron diferencias en el rendimiento acumulado a lo largo de las cinéticas de hidrodestilación de los tratamientos realizados con relaciones A/S de 2, 6 y 10 (Figuras 2a y b). Lo anterior puede explicarse si se considera que en relaciones A/S de 2, la cantidad de solidos vegetales por volumen de agua es mayor en comparación con relaciones de 6 y 10. Lo anterior implica que cuando el sistema es sometido a una intensidad de calor baja (105 °C, Figura 2a), la cantidad de energía calorífica por unidad de masa de la materia vegetal es menor en la A/S de 2 en comparación con los tratamientos realizados a una A/S de 6 o 10. Esto conllevaría a menor daño estructural, así como menor difusión y liberación de aceite esencial, principalmente durante las primeras 4 horas (240 min) de hidrodestilación (Figura 2a). Lo anterior concuerda con lo reportado por ^{Phuoc-Sang et al. (2022)} quienes estudiando la obtención por hidrodestilación de aceite esencial de frutos de Triphasia trifolia indican que la cantidad de agua en relación con el material vegetal afecta significativamente el tiempo de extracción y ligeramente el rendimiento finalmente obtenido.

La mayor intensidad de energía calorífica suministrada al sistema genera un mayor y más rápido daño estructural en los tricomas, así como, incrementos en la velocidad de difusión y liberación del aceite esencial (^{Olascuaga-Castillo et al. 2024}, ^{Lainez-Ceron et al. 2021}). Esto explica el aumento en los rendimientos acumulados observados a lo largo de todas las cinéticas de hidrodestilación cuando los tratamientos, realizados a una relación A/S de 2 y 6, pasaron de 105 °C a 120 °C (Figuras 2a y b; 3a y b; 4a). Si bien, el mayor daño estructural en los tricomas, así como una mayor tasa de transferencia de masa entre el material y el medio, explican el incremento en los rendimientos acumulados, otros fenómenos, tales como la cavitación pueden también estar involucrados. En este sentido, ^{Phuoc-Sang et al. (2022)} reportaron que una baja temperatura en el baño de aceite empleado para suministrar energía calorífica a su sistema de hidrodestilación generó una cavitación ligera, la cual incrementó al aumentar la temperatura en el baño de aceite. Así, una mayor cavitación fomentó un aumento en la difusión del aceite esencial hacia el agua circundante, favoreciendo un mayor rendimiento del aceite esencial. En base a todo lo antes expuesto, es comprensible que una mayor intensidad de calor suministrado al sistema mejora el rendimiento acumulado a lo largo del proceso. No obstante, si éste se incrementa mucho más o se mantiene por un tiempo muy prolongado, es muy posible que compuestos sensibles presentes en el aceite esencial experimenten reacciones de degradación, tales como hidrólisis, isomerización u oxidación (^{Richa et al. 2020}, ^{Olascuaga-Castillo et al. 2024}, ^{Lainez-Ceron et al. 2021}). Esto provoca que dichos componentes se solubilicen en el entorno acuoso, no puedan ser recuperados y en consecuencia los rendimientos alcanzados pueden reducirse significativamente. Esto explicaría el menor rendimiento acumulado observado a lo largo de las cinéticas de hidrodestilación del tratamiento llevado a cabo a 120 °C con una relación A/S de 10 (Figuras 2b, 3c y 4a).

Es de señalar que la posible degradación del aceite liberado, y por consecuencia el menor rendimiento, solo se presentó en el tratamiento conformado por una relación A/S de 10, siendo contrario el comportamiento cuando se evaluaron tratamientos con una relación A/S de 6 y 2. Una posible explicación a lo anterior involucra a dos posibles procesos, ambos dependientes de la energía suministrada al sistema y que se estarían llevando a cabo de manera simultánea durante la hidrodestilación, siendo dominante uno sobre el otro en función de la relación A/S. El primero de estos procesos contempla en una primera fase la ruptura de los tricomas glandulares con la consecuente liberación del aceite esencial al entorno acuoso, que debido a la mayor proporción de materia vegetal con respecto al agua circundante (tratamientos con relación A/S de 2 o 6) provoca, en una segunda fase, la pronta saturación del entorno y una rápida evaporación de los principales componentes del aceite esencial y así lograr ser condensados y recuperados fuera del sistema. De esta forma mayores rendimientos son observados a relaciones A/S bajas (2 o 6) (Figura 3a y b). El segundo proceso cosiste en las reacciones de degradación que los principales componentes del aceite esencial experimentan cuando son liberados de los tricomas glandulares, enfrentándose a un entorno acuoso en donde, debido a la menor proporción de materia vegetal con respecto al agua circundante (tratamientos con relaciones de A/S de 10) no se logra una pronta saturación del entorno, limitando así su evaporación y posterior recuperación. De esta forma se ve favorecido el proceso de degradación sobre la saturación y evaporación de los componentes del aceite esencial y por consecuencia el menor rendimiento observado en la relación A/S de 10 (Figura 3c).

Un parámetro relevante del análisis cinético del proceso de hidrodestilación corresponde a la constante de velocidad de extracción (K). Los resultados en la Figura 4c muestran que este parámetro fue influenciado por la relación A/S, así como por la temperatura del baño de glicerol que suministró la energía calorífica al sistema. En este sentido, el comportamiento de este parámetro en los tratamientos de 105 °C, coinciden con lo reportado por ^{Lainez-Ceron et al. (2021)}, quienes al hidrodestilar hoja de eucalipto (Eucalyptus urograndis), encontraron que los tratamientos llevados a cabo bajo una relación de 1:5 (g mL^-1) presentaban un valor de la constante de velocidad de extracción menor (5.53 min^-1) que los tratamientos a una relación de 1:3 (g mL^-1) (16.66 min^-1), generando un mayor rendimiento acumulado final de aceite esencial en los tratamientos con relación 1:5 (g mL^-1) (1.13 ( 0.04%). Por otro lado, el comportamiento de los valores del parámetro K observado en nuestro estudio y llevados a cabo con relaciones A/S de 2 y 6, fueron también influenciados por la temperatura del baño de glicerol que suministró la energía calorífica al sistema. El anterior comportamiento también coincide con lo observado por ^{Palacios-Ambrosio y Castillo-Martínez (2015)}, quienes al evaluar el efecto del flujo de vapor sobre el parámetro K y el rendimiento de aceite esencial de hierbaluisa (Aloysia citrodora) encontraron que tratamientos llevados a cabo a un menor flujo de vapor (4 kg h^-1) generaron un valor de K de 45.74 min, el cual es mayor que el observado en tratamientos relazados a 6 kg h^-1 (35.14 min). El anterior comportamiento generó un mayor rendimiento acumulado de aceite esencial en el caso de los tratamientos con mayor flujo de vapor (6 kg h^-1) (0.0797 g g^-1 de materia prima). En contraste, los tratamientos llevados a cabo a un menor flujo de vapor (4 kg h^-1) el rendimiento acumulado de aceite esencial fue de 0.0744 g g^-1 de materia prima.

El rendimiento final acumulado de aceite esencial de P. dioica obtenido por hidrodestilación bajo las diferentes condiciones de extracción evaluadas en este estudio vario de entre 580 a 610 mg de aceite esencial por cada 100 g de hojas frescas. Esta variabilidad está directamente relacionada con las diferentes condiciones de procesamientos empleadas. No obstante, el rango de rendimientos coincide con los reportados por diferentes investigadores, en donde se reporta que el rendimiento de aceite esencial de P. dioica se encuentra entre 300 mg y 1250 mg por cada 100 g de hojas frescas (^{Douglas et al. 2005}). Lo antes planteado indica que el rendimiento acumulado de aceite esencial de P. dioica puede variar no solo en función de las condiciones agro-climatológicas imperantes alrededor de los árboles, sino que también depende marcadamente de las diferentes condiciones de procesamiento aplicadas para su obtención. Estas condiciones incluyen la relación A/S, la intensidad del suministro de energía calorífica al sistema y el tiempo de hidrodestilación, entre otras. Lo anterior orienta hacia futuros estudios en donde se aborde optimizar el proceso de manera que el gasto energético de su operación sea menor y el costo de producción más económico.

Conclusiones

En la hidrodestilación de hojas frescas de Pimenta dioica (L) para la obtención de aceite esencial, la relación agua/solidos (A/S) y la intensidad del calentamiento tienen significativo efecto sobre la velocidad de extracción y el rendimiento final acumulado, siendo las condiciones de 120 °C y relación A/S de 2 y 6, las que mayor velocidad de extracción y rendimiento generan a lo largo del proceso.