Sector Técnico

La tecnología está orientada al área de alimentos, más particularmente, corresponde a un extractor de jugo de fruta.

Técnica Anterior

Las frutas son ricas en sustancias bioactivas, siendo los compuestos fenólicos uno de los más abundantes. La proporción de estos compuestos varía según la especie a cultivar, condiciones ambientales de cultivo (exposición a la luz, temperatura, tipo de suelo), prácticas agronómicas, condiciones de almacenamiento en post cosecha y en su procesamiento (Xia et al., 2010). Se debe considerar que no se distribuyen uniformemente en los diferentes tejidos o fracciones de la fruta, por ejemplo, en la uva, la pulpa es rica en ácidos fenólicos, la piel en flavonoides y las semillas en procianidinas (Naczk & Shahidi, 2006).

Una forma habitual de incorporar estos compuestos bioactivos a la dieta diaria es a través de los jugos o zumos de fruta. Los jugos naturales o zumo puro de fruta u hortaliza según el artículo N°482 del Reglamento Sanitario de los Alimentos de la República de Chile (2018) se definen como (p.143): “Producto sin fermentar, pero fermentable, pulposo, turbio o claro, destinado al consumo directo, obtenido por procedimientos mecánicos a partir de frutas u hortalizas maduras en buen estado o de sus carnes y conservados exclusivamente por medios físicos. El jugo podrá haber sido concentrado y luego reconstituido con agua para conservar la composición esencial y los factores de calidad del mismo". Una de las técnicas para la obtención del jugo de fruta que no se encuentra en esta clasificación es la de arrastre con vapor, ya que el jugo no se obtiene a través de un proceso no mecánico. Teniendo en cuenta este vacío legal del Código Sanitario, los jugos obtenidos por la técnica de arrastre con vapor se le puede denominar como jugo natural de fruta.

La obtención de jugo de fruta por la técnica de arrastre con vapor es un método artesanal utilizado a pequeña y mediana escala, que se basa en el uso de vapor saturado para romper parcialmente la estructura celular de la fruta y, con ello, la lixiviación del jugo desde la fruta. Esta técnica al operar a temperaturas cercanas a la ebullición del agua, permite inactivar enzimas, no requiriendo la pasteurización y reduciendo la oxidación de sustancia bioactivas por la exclusión del oxígeno durante el proceso (Mendes, M., 2016). Asimismo, es una técnica de fácil utilización, con buenos rendimientos y es aplicable a una gama amplia de tipos de fruta (Hackelsberger, E.,1987).

Los extractores de arrastre con vapor que se comercializan se caracterizan principalmente por un diseño simple de tres receptáculos de acero apilados en forma vertical, donde uno de ellos se coloca en la parte superior y presenta perforaciones para permitir el flujo del vapor y la salida del jugo. Un primer receptáculo se ubica en la parte inferior y contiene el agua para generar el vapor que asciende hasta el tercer receptáculo, donde está contenida la fruta. En el receptáculo intermedio se recolecta el jugo proveniente del receptáculo superior. Adicionalmente, este canasto intermedio posee una llave para la recolección del jugo. La capacidad de producción de estos extractores depende de volumen del receptáculo donde se adiciona la fruta a procesar. La fuente de calor externa es variada, pero generalmente se utilizan cocinas de gas o a leña que suministran el vapor de arriba hacia abajo. Los extractores de arrastre con vapor no son sellados y durante el procesamiento se producen pérdidas de vapor. Asimismo, la temperatura del vapor y el tiempo de exposición del jugo extraído al vapor deben controlarse, debido a que disminuyen en el producto final (jugo de fruta) las vitaminas, los aromas y los compuestos termosensibles como las antocianinas a tiempos prologando de exposición al vapor con temperaturas superiores a 80°C. Otra desventaja de los extractores a vapor es la dilución del jugo por la incorporación del vapor condensado en las paredes frías del extractor. En general, en estos equipos la incorporación del vapor fluctúa entre 10 - 20%, lo que impide, sin un proceso de concentración previo, comercializarlo como “zumo (jugo) natural”.

Por lo anterior, es que aún persiste la necesidad de desarrollar nuevos equipos de extracción por arrastre que permitan mejorar la calidad del jugo extraído y que, además, puedan utilizarse en otros procesos cuando por estacionalidad no haya la suficiente fruta para ser procesada.

Algunos documentos vinculados con la presente tecnología se detallan a continuación:

• Patente US4, 640, 186(A) (Hackelsberger), que resguarda un extractor de jugo de vapor provisto de un contenedor de agua para producir vapor de agua, un recipiente recolector de jugo dispuesto en el contenedor y que tiene un embudo y un recipiente de fruta provisto en el fondo con aberturas de tamiz para descargar el jugo, y una salida del embudo con sección transversal que permite el descargue de vapor a una velocidad de 2 - 20m/s.

• Solicitud EP0282890 (Pulfñch Horst et al.) que divulga un extractor de jugos provisto de una tapa cilindrica, que se puede fijar al borde del receptáculo y tiene una válvula de seguridad. Un inserto se une a la tapa con su borde superior y tiene debajo de su fondo perforado un plato de recolección de jugo de frutas, desde el cual un tubo de entrega conduce hacia afuera (preferentemente, un tubo ascendente con una salida que se puede cerrar). Las aberturas de borde en el inserto permiten la entrada de vapor desde arriba desde un espacio anular exterior en el receptáculo.

• Solicitud DE 3540785 (Hackelsberger Eeberhard) que menciona un extractor de jugo por medio de vapor, provisto de una bandeja de agua para producir vapor y un recipiente colector de jugo equipado con una boquilla de vapor, que tiene un recipiente de frutas que está dispuesto sobre el recipiente de recolección de jugo, y que se apoya sobre este último y está cerrado con una tapa, y donde el recipiente de recogida de jugo y el recipiente de fruta están dispuestos dentro de un recipiente de cocción de conservación.

Referencias.

• Mendes, M., 2016 International Journal of Food Science and Technology 2016, 51 , 1696-1702. Grape juice obtained using steam extraction and other small-scale extraction methods: phenolic content, antioxidant capacity and stability during storage. Maria Lucia Mendes Lopes, Marco Antonio Lemos Miguel, Eliane Fialho, Vera Lucia Valente-Mesquita.

• Naczk & Shahidi, 2006, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, Volume 41 , Issue 5, 28 August 2006, Pages 1523-1542. Phenolics in cereals, fruits and vegetables: Occurrence, extraction and analysis. Marian Naczk y Fereidoon Shahidi.Xia et al., 2010.

• Xia, E., G.F. Deng, Y.J. Guo and H.B. Li. 2010. Biological activities of polyphenols from grapes. International Journal of Molecular Science. 1 1 : 622-646.

Breve descripción de las figuras

Figura 1 : Esquemas del extractor multipropósito, donde 1.A) es operado como extractor con vapor y 1 .B) como extractor con solvente.

Figura 2: Esquema del detalle las partes del extractor multipropósito.

Figura 3: Prototipo del extractor multipropósito.

Divulgación de la Invención

La presente tecnología corresponde a un extractor multipropósito con vapor para la extracción de jugo de fruta, preferentemente, para la extracción hidroalcohólica de residuos diversos de biomasa rica en sustancias activas. Este extractor multipropósito comprende al menos 3 canastos apiladles para la carga de material a extraer y donde la extracción se realiza mediante un flujo principalmente radial de vapor (obtención del jugo) o solvente (extracción hidroalcohólica).

Para una mejor comprensión de la tecnología, se toma como referencia la Figura 1 donde se esquematiza el extractor operando con vapor (1.A) y con extractor como solvente (1 .B). Los canastos tienen perforaciones de 2 - 4 mm de diámetro en toda su extensión y 7 - 10 mm de paso en las paredes y el fondo. En la parte central de estos se forma un ducto cuyas dimensiones tienen una razón 5/1 con respecto al diámetro canasto/diámetro del tubo, a través del cual se alimenta el vapor o el solvente de arriba hacia abajo. La capacidad de procesamiento del equipo depende de la densidad a granel del material a extraer Ventajosamente, este extractor multipropósito permite ser operado secuencialmente, donde primero se realiza una extracción del jugo de fruta e, inmediatamente, una extracción hidroalcohólica de la biomasa remanente de la fruta procesada. Sin embargo, por la estacionalidad de la cosecha de la fruta y razones económicas, preferentemente, se opera en campañas separadas de extracción de jugo y extracciones hidroalcohólicas.

En la Figura 2 se muestra en detalle las partes del extractor multipropósito compuesto por un manto de doble pared (1 ) con fondo cónico desmontable (10), preferentemente, elaborado en acero inoxidable. La doble pared se utiliza para calefaccionar el sistema y está provista de una válvula de entrada (12) ubicada en la parte inferior y de una válvula de salida (13) ubicada en la parte superior. En el fondo cónico se encuentran al menos dos válvulas (14 y 15) preferentemente del tipo bola, una válvula central (14) para descargar el jugo extraído o el remanente de la extracción hidroalcohólica y para facilitar el lavado del extractor. La válvula lateral (15) del fondo cónico se conecta a un colector y se utiliza para recoger el vapor condesado durante la extracción del jugo, evitando así la dilución del jugo.

El extractor, además, comprende una tapa desmontable (4), provista con un sistema de sellado conformado por un o'ring redondo (9) y 6 - 10 pasadores tipo horquillas con tuercas de mariposa (8). La tapa desmontable (4) tiene en su centro una válvula (6) tipo bola para el ingreso del vapor o el solvente de extracción. Encima de los canastos apilados (2) se coloca una tapa sin perforaciones (3), que se utiliza, preferentemente, en la extracción hidroalcohólica para atrapar el material vegetal fino que flota. Además, el extractor multipropósito tiene una camisa desmontable (5) que impide en la extracción hidroalcohólica la contaminación del extracto con partículas finas en suspensión. Por su parte, el manto (1 ) se encuentra provisto en la parte superior de una válvula (7), preferentemente, del tipo bola para recoger el extracto.

El proceso de operación del extractor multipropósito con vapor (1.A) y con extractor como solvente (1.B) requiere de la incorporación de equipos adicionales, tales como una caldera para producir vapor para la extracción de jugo y un evaporador para la recuperación del solvente en la extracción hidroalcohólica. El vapor de la caldera también se puede utilizar para remover el solvente residual del material extraído, y para operaciones de calentamiento en los procesos y la pasteurización del jugo.

Específicamente, el proceso de operación del extractor multipropósito para la extracción de jugo de fruta comprende al menos las siguientes etapas: a. preparación del extractor y adición de fruta: primeramente, se debe verificar que el manto (1 ) del extractor se encuentre completamente lleno con agua de refrigeración y las válvulas cerradas (6, 7, 14 y 15), luego se debe adicionar la fruta previamente lavada, sin polvo o suciedad y pesada; b. producción del jugo: se debe cerrar y fijar la tapa del extractor (4) y abrir la válvula (6) que admite vapor de agua saturado a presión atmosférica a través de la tapa superior (4). El vapor atraviesa los canastos (2), preferentemente, en forma radial, rompiendo las paredes celulares de las frutas, esto además permite que mayor cantidad de fruta esté en contacto con el vapor saturado, por lo que se disminuye el tiempo de extracción. El exceso de vapor condensa en la pared del extractor y se recoge por separado como condensado en el colector (1 1 ) del fondo cónico desmontable (10), evitando así la dilución del jugo de fruta. El jugo de fruta y parte del condensado de vapor percola por los canastos (2) y se acumula en el fondo cónico del extractor (10). Esto se diferencia de los extractores comerciales donde se apila la fruta y el vapor ingresa debajo hacia arriba, escapándose en gran proporción durante el proceso de extracción. La capacidad de generación de vapor de la caldera, la posición de la válvula bola (6) de la tapa del extractor y el flujo de agua de refrigeración en el manto (1 ) regulan la presión en el extractor y, por ende, la temperatura de extracción. La regulación de la temperatura de extracción también es una propiedad ventajosa, debido a que, a temperaturas superiores a 80°C por más de 5 minutos, se produce una degradación de las sustancias bioactivas presentes en el jugo de fruta. El jugo se acumula en el fondo del extractor y en caso de sobrepasar esa capacidad, el jugo rebalsa hacia el colector (1 1 ) del condensado en el fondo cónico desmontable (10) c. eliminación de condensado: se debe drenar continuamente el condensado de vapor, para impedir que el acumulado no rebalse y diluya el jugo, y una vez que se agote la fruta y cesa la producción de jugo se debe cerrar la válvula (6) de admisión de vapor y abrir completamente la válvula de drenaje (15) de condensado. Esto para evitar que se forme un vacío en el extractor por enfriamiento y condensación de vapores, que pueda impedir la descarga del jugo por el fondo; y d. enfriamiento y recolección del jugo: una vez enfriado el extractor se debe abrir la válvula inferior (15) y descargar el jugo, el cual se puede colectar en caliente y embotellar, o se puede acumular, pasteuhzar y embotellar cuando haya suficiente inventario en el fondo del extractor, para lo cual se utiliza un pasteurizador calefaccionado con vapor y controlando la temperatura y tiempo de residencia del jugo en el equipo.

Para el caso de la operación mediante extracción hidroalcohólica el proceso comprende al menos las siguientes etapas: a. preparación de materia prima y carga: el residuo de biomasa por extraer debe molerse y tamizarse entre 600 micrómetros - 1 cm para acelerar el proceso de extracción y no contaminar el extracto con partículas sólidas finas y, luego se carga en el extractor utilizando canastos revestidos con malla filtrante; b. preparación del solvente: se debe preparar en un estanque la cantidad de solución hidroalcohólica a utilizar en la extracción ajustando la concentración de solvente orgánico/agua con la ayuda de un densímetro de inmersión para soluciones alcohólicas; para lo cual primeramente se debe colocar en el extractor el inserto tipo manto desmontable (5) que dirige el flujo del solvente desde el fondo hacia arriba; c. preparación del extractor multipropósito: para la inertización se puede utilizar nitrógeno o vapor, donde previamente se puede utilizar un sistema de vacío, para lo cual se deben cerrar todas las válvulas de salida (7 y 15) y entrada (6), drenaje (14) y se evacúan los espacios de vapores. Luego se ingresa nitrógeno o vapor por la válvula de entrada (6) y se evacúan los gases y vapores de purga a través de una trampa de agua del sistema a vacío por medio de las válvulas de salida (7) o de drenaje (14) para impedir la entrada de oxígeno; si se utiliza solvente inflamable caliente es necesario primeramente purgar desde el extractor el oxígeno presente en el sistema; d. calentamiento y acondicionamiento del sólido: el extractor se debe llenar con solvente precalentado entre 50 - 70°C a través de una bomba de alimentación y luego se debe mantener calefaccionado haciendo circular agua caliente entre 50 - 70°C por el manto (1 ). Este solvente se alimenta por la tapa superior (4) del extractor, y se descarga por una válvula ubicada en la parte superior lateral (7) de la camisa desmontable (5). Internamente, el solvente fluye primero hacia abajo y luego sube por las paredes internas. Opcionalmente, es posible hacer recircular y recalentar el solvente constantemente conectando la salida del extractor (válvula de descarga (7)) a la succión de la bomba de alimentación. La fase de calentamiento del solvente en el extractor también sirve para acondicionar el sólido a extraer. Para impedir puntos calientes en el extractor y vaporización de solvente se recomienda recircular continuamente a modo de agitación el solvente durante la fase de calentamiento y acondicionamiento del sólido hasta que se alcance la temperatura de extracción que va a depender del solvente y material vegetal utilizado; e. extracción: durante la extracción se sigue recirculando el solvente por el extractor por el tiempo estipulado que varía entre 2 - 24h y luego se descarga el solvente enriquecido con el extracto a un recolector dispuesto para el caso. Opcionalmente, se repite todo el proceso de calentamiento y extracción con una carga de solvente fresco. Al finalizar y entre cada etapa de extracción se drena el solvente remanente del extractor por la salida inferior hacia un estanque recolector del extracto; f. desolventización y descarga: antes de descargar el material residual que se encuentra empapado con solvente, es necesario remover la mayor parte del solvente haciendo pasar vapor de agua por el extractor y agua de refrigeración por el manto (1 ) para alcanzar la temperatura ambiente en las paredes del extractor. El solvente arrastrado condensa junto al vapor y por la salida de condensado del extractor se recupera el agua condensada y el solvente arrastrado por el vapor. El condensado rico en solvente puede utilizarse para ajustar la concentración de solvente/agua en la preparación de solvente de extracción fresco; g. recuperación del solvente: el solvente enriquecido con el extracto se alimenta a un evaporador con sistema de vacío y acoplado a un condensador, por donde se circula agua de refrigeración. El extracto concentrado se retira por el fondo del evaporador y el solvente recuperado se almacena en un estanque para su reutilización en el proceso de extracción.

Ventajosamente este equipo de extracción puede operarse en modos de extracción de jugo de fruta y obtención de extractos de origen vegetal. En el modo de operación extracción de jugo se disminuye la dilución del jugo de fruta, debido a que se colecta el vapor condesado en las paredes frías del extractor independientemente del jugo de fruta. Además, la capacidad de generación de vapor de la caldera, la posición de la válvula de vapor y el flujo de agua de refrigeración en la manta regulan la presión en el extractor y, por ende, la temperatura de extracción del vapor. El jugo extraído no entra en contacto nuevamente con el vapor utilizado en la extracción, disminuyéndose así la pérdida compuestos volátiles responsable del aroma, las vitaminas y compuestos bioactivos termosensibles como las antocianinas. Por otra parte, en el modo de operación para la obtención de extractos, el equipo puede operarse por tres vías maceración, inmersión y percolación.

Ejemplos de aplicación

Ejemplo 1 . Elaboración y evaluación de extractor multipropósito en producción de extracto.

Para evaluar la capacidad extracción de este equipo multipropósito se procedió a elaborar un prototipo (Figura 3) con un volumen útil de 150 L y donde su capacidad de procesamiento depende de la densidad a granel del material a extraer. En la Tabla 1 se muestra las materias primas utilizadas con su densidad y la capacidad del extractor para cada uno de ellos.

Tabla 1 . Capacidad de carga aproximada del extractor multipropósito piloto.

Este extractor estaba compuesto por 3 canastos provistos de perforaciones de 3 mm de diámetro en toda su extensión y 9 mm de paso en las paredes y el fondo. La parte central del canasto formaba un ducto de 10 cm de diámetro a través del cual se alimentaba el vapor o el solvente de arriba hacia abajo. En el modo de operación de obtención de extractos, se cargaron un total de 30,25 kg de sarmiento molido y tamizado en los canastos del extractor (recubiertos con malla 70) y se utilizaron un total de 210 litros de solución de etanol al 70%. El contenido de humedad de los sarmientos fue 12% y la distribución de tamaño se muestra en la Tabla 2. La carga de los canastillos se realizó una vez precalentada a 60°C los 230 L de solución hidroalcohólica. El calentamiento se realizó a través de un intercambiador de calor de placas conectado a una red de vapor. Una vez lleno, se sumergió completamente el material vegetal en el solvente, se empezó a contabilizar el tiempo de extracción y se realizaron periódicamente lecturas de temperatura, las cuales variaron entre 59 y 63°C.

Tabla 2. Distribución de tamaño del sarmiento utilizado en la obtención de extractos a escala piloto y a escala de laboratorio.

Durante el proceso de extracción se recirculó el solvente por medio de un circuito compuesto por una bomba de desplazamiento positivo, un filtro y un intercambiador de calor, el cual permitió mantener la temperatura de extracción. Se tomó muestras del extracto a los 60 min y a los 130 min y se dio por finalizado el proceso de extracción. El flujo de recirculación fue de 155 L/h.

Una vez, cortada la recirculación se procedió a descargar por gravedad el extracto del sistema y se recuperaron 175 L de extracto y 10 L del precalentador que no fueron concentrados.

El extracto se concentró por medio de un sistema de evaporación al vacío discontinuo, de película descendente, a una temperatura de 42 a 46°C durante 70 min. En ese tiempo, el extracto se recirculó continuamente y descendió por tubos calefaccionados exteriormente con vapor, evaporándose el solvente. Se obtuvieron 24 L de extracto concentrado (24,45 kg). Se recuperaron 140 L de etanol a través de un sistema de condensación directo (spray de etanol frío) utilizando el mismo etanol condensado en recirculación y enfriado por intercambiadores de placa con agua. Se determinó el rendimiento y el contenido de polifenoles del extracto concentrado por el método de Folin Cicolteau (Sabando et al., 2020). Los resultados de rendimiento y contenido de polifenoles totales se muestran en la Tabla 3. Tabla 3. Rendimiento y contenido de polifenoles de la extracción de sarmientos a escala piloto y a escala de laboratorio.

A modo de comparación y a menor escala (100 ml_) se procedió a la extracción de compuesto activos de sarmientos de la misma procedencia (fecha y lugar de recolección) y con el mismo pretratamiento de molienda y tamizado y un contenido de humedad del 12%. Para ello se utilizó una razón muestra:solvente de 1 :5, donde el solvente, etanol al 70% en peso, se precalentó previamente a 60°C por 40 min. La extracción se realizó por maceración en shaker donde se controló la temperatura de extracción (58,7°C) y la velocidad de agitación (10 rpm). Luego de dos horas de maceración, el solvente se filtró con papel Whatman N°1 y se llevó a sequedad utilizando una estufa a 40°C. Al igual que en la extracción a escala piloto se determinó el rendimiento y el contenido de polifenoles totales (ver Tabla 3).

Finalmente, el extractor multipropósito en el modo de operación de obtención de extracto logró tener mayor rendimiento con un aumento del 1 % y se aumentó el contenido de polifenoles totales en un 33% comparado a escala de laboratorio.