Chile es reconocido como un país vitivinícola ocupando el quinto lugar del producto más exportado por Chile en 2016 con ventas en torno a 1,85 miles de millones de dólares de acuerdo a los datos entregados por Data Chile. A nivel global Chile ocupa el sexto puesto en producción de vino con un total de 12,9 millones de hectolitros de producción en el 2018, de acuerdo a los datos entregados por International Organisation of Vine and Wine (OIV). La industria vitivinícola, así como otras industrias, generan residuos en el proceso de transformación de las materias primas.

Entre los principales residuos o sub-productos que se obtienen en la producción de vino están los residuos orgánicos como el orujo, semillas, tallos y hojas. El orujo corresponde aproximadamente a un 20% en peso de la masa total de uvas procesadas y se caracterizan por poseer una alta demanda química y bioquímica de oxigeno (‘DQO’ y ‘DBO’, respectivamente) siendo fácilmente atacados por microorganismos, generando gases de efecto invernadero y consecuentemente malos olores y problemas de contaminación. Lo anterior trae consigo una responsabilidad y costos asociados para el traslado y disposición final de los mismos. Sin embargo, no todo es tan negativo debido a que el orujo de uva es una buena fuente de compuestos fenólicos, una compleja y altamente diversa familia de metabolitos secundarios con propiedades químicas y biológicas únicas, especialmente como antioxidantes bioactivos. Estos compuestos no pueden ser sintetizados por especies animales, por lo que se consumen de forma natural mediante la ingesta de ciertos alimentos o por medio de suplementos nutricionales. Su estructura química básica comprende de un grupo hidroxilo unido a un anillo aromático, lo que le permite interactuar con variados compuestos orgánicos mediante enlaces de hidrógeno, esterificaciones, glicosilaciones e interacciones hidrofóbicas, lo cual se asocia directamente a las actividades biológicas producidas en el cuerpo humano y a las propiedades organolépticas que les otorgan a los alimentos, tales como amargura, astringencia, color y olor.

Por su parte, la bioactividad de los compuestos fenólicos se debe a sus potenciales efectos beneficiosos en la salud humana, provenientes de su actividad antioxidante y capacidad para proteger macromoléculas como ADN cromosómico, proteínas estructurales y enzimas, lipoproteínas de baja densidad y lípidos de membrana, del daño causado por la acción de radicales libres. Los compuestos fenólicos se pueden agrupar en dos principales subgrupos: flavonoides (representan el subgrupo más común y ampliamente distribuido en especies vegetales) y no flavonoides (ácidos fenólicos y derivados del estilbeno).

RECUPERACIÓN DE COMPUESTOS CON PROPIEDADES SALUDABLES

Las nuevas tendencias a nivel global como la economía circular y consumidores que prefieren alimentos seguros y saludables, hacen atractiva la búsqueda de compuestos con propiedades benéficas a la salud, para la formulación de nuevos alimentos. En este sentido, el procesamiento de los residuos para la recuperación de compuestos con propiedades saludables, como los compuestos fenólicos, “mata dos pájaros de un tiro”: recuperar compuestos de valor desde residuos vitivinícolas, así como la disminución del impacto negativo en el medio ambiente reduciendo la producción de gases de efecto invernadero.

El procesamiento para la recuperación de los compuestos de valor requiere de dos grandes etapas: extracción de los compuestos de interés desde la matriz vegetal y el fraccionamiento de los compuestos de valor. La extracción de los compuestos dentro de la matriz vegetal se ha realizado comúnmente a través de métodos de extracción convencional por solventes basados en una extracción sólido-líquido, tales como maceración, hidrodestilación, agitación mecánica y extracción Soxhlet. Esta última técnica destaca por ser uno de los procesos más tradicionales empleados, requiriendo el empleo de grandes cantidades de solvente, el cual se pone en contacto repetidamente con la matriz sólida. Dentro de los solventes más utilizados se encuentra el metanol, acetato de etilo, etanol y agua, puros o como mezcla entre ellos. Considerando la toxicidad de algunos de ellos (metanol) las extracciones se realizan principalmente con solventes como etanol (baja toxicidad en el organismo humano y bajo costo) el que debe ser removido dentro del proceso.

En la búsqueda de hacer más eficientes los procesos de extracción se han estudiado una serie de métodos no-convencionales de extracción con la finalidad de reducir tiempos de operación, maximizar la extracción y disminuir el uso de solventes. Dentro de estos métodos encontramos el uso de pulsos eléctricos, microondas, fluidos sub-críticos, fluidos supercríticos, procesamiento a altas presiones y extracción asistida por ultrasonido (EAU) entre otros. Particular atención se ha puestos en la EAU debido a que ofrece una serie de ventajas como selectividad, alta eficiencia y productividad, baja energía, menores tiempos de extracción y consumo de solventes, medioambientalmente amigable, altos niveles de automatización en comparación con otros métodos no-convencionales. En este sentido y mediante el financiamiento de CONICYT a través de su instrumento FONDECYT es que se está desarrollando una investigación que busca el desarrollo de un proceso integrado de extracción asistida por ultrasonido y fraccionamiento de los compuestos de interés mediante procesos de separación por membranas como microfiltración (MF) y nanofiltración (NF) para la revalorización del orujo de uva (Figura 1).

EXTRACCIÓN MEDIANTE ONDAS DE ULTRASONIDO

La extracción mediante la aplicación de ondas de ultrasonido se ha explorado para la recuperación eficiente de compuestos bioactivos a partir de biomasa vegetal, demostrando una alta eficiencia mediante un bajo consumo de disolvente. Este método se basa en el fenómeno generado al exponer un medio elástico a ondas de ultrasonido, que se encuentran en un rango de frecuencias entre 20-1000 kHz (inaudibles para el oído humano). Estas ondas provocan etapas sucesivas de compresión y dilatación en el medio, induciendo la formación de burbujas capaces de crecer en las etapas de dilatación y de decrecer en los ciclos de compresión, efecto hidrodinámico denominado “cavitación”. La exposición a altas intensidades de ultrasonido provoca que el tamaño de las burbujas alcance un diámetro crítico, llegando a colapsar y, liberando con ello, una gran cantidad de energía en todas direcciones, produciendo un aumento local de temperatura y presión, llegando hasta los 2000-5000 K y 1000 atm. La alteración local de propiedades promueve la formación de microchorros y ondas de choque, las cuales impactan sobre cualquier superficie sólida que se encuentre sumergida en el medio donde se propaguen las ondas de ultrasonido. El fenómeno logra alterar las paredes celulares de la biomasa, permitiendo la penetración del disolvente y liberando los compuestos bioactivos contenidos dentro de la matriz vegetal, desde la estructura interna de la célula, hacia el medio circundante. Estos efectos mecánicos, térmicos y de cavitación asociados, permiten mejorar la transferencia de masa a través de las membranas celulares.

Los extractos obtenidos mediante técnicas tradicionales o métodos no convencionales tienen presente una serie de compuestos adicionales a los compuestos fenólicos, como pectinas y azúcares simples. Por lo tanto, posterior a la extracción es necesaria una serie de etapas que permitan recuperar cada uno de estos compuestos de interés, presentes en el orujo de uva. Adicionalmente, los solventes utilizados deben ser removidos desde la matriz para su reutilización en el proceso de extracción. En este sentido, es usual el uso de procesos térmicos para dicho fin, sin embargo, los compuestos fenólicos son termosensibles y el uso de procesos térmicos puede afectar la estructura de estos compuestos con una consecuente perdida de las propiedades benéficas a la salud, como su capacidad antioxidante.

El fraccionamiento de los compuestos de interés, así como la remoción del solvente utilizado (sin un proceso térmico) puede ser abordado mediante procesos de separación por membranas. Los procesos de separación por membranas son sistemas consolidados en varios sectores productivos debido a que el proceso de separación no requiere temperatura, no involucra un cambio de fase o el uso de agentes químicos para lograr la separación. Adicionalmente, estos procesos son caracterizados por una alta eficiencia, equipamiento simple y bajo consumo de energía. El proceso ampliamente utilizado y conocido es la osmosis inversa, utilizada para la desalinización de agua de mar, ya sea para consumo humano o uso industrial, sin embargo existen otros procesos como microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración que han sido exitosamente utilizados en la industria de alimentos para clarificación, estabilización, despectinización y concentración. Adicionalmente, los procesos de separación por membranas están siendo populares para el tratamiento y recuperación de aguas residuales debido a que combinan estabilidad del proceso y calidad de los productos.

El proyecto de investigación propone el uso de un proceso de microfiltración para el extracto obtenido. Este proceso tiene por finalidad la clarificación del extracto, permitiendo la remoción de partículas como las pectinas que imparte turbidez. Estos polisacáridos son uno de los estabilizadores más versátiles disponibles y debido a sus atributos de gelificación, espesamiento y estabilización hacen que sea un aditivo esencial en la producción de muchos productos alimenticios como mermeladas, gelatinas y postres, preparados de frutas, bebidas entre otros. Posteriormente, el extracto clarificado por microfiltración es sometido a una nanofiltración, proceso en el que se separan los compuestos fenólicos que no logran atravesar la membrana de nanofiltración. Los compuestos fenólicos tienen una salida comercial ya sea en la industria de alimentos como materia prima para la formulación de nuevos alimentos con carácter saludable, o pueden ser utilizados por la industria farmacéutica o cosmética debido a sus propiedades benéficas a la salud.

El permeado obtenido en la primera nanofiltración contiene azucares simples (glucosa, fructosa y sacarosa) la que es sometida a una segunda nanofiltración (con una membrana de menor tamaño de poro) que permita la separación y concentración de los azucares obteniendo en el permeado una solución de agua y etanol que puede ser utilizado nuevamente en el proceso de extracción por ultrasonido. Los azucares simples pueden tener aplicaciones en formulación de alimentos o pueden ser utilizados como materia prima en la generación de combustible.

En este sentido, este proyecto busca entregar una alternativa para la revalorización de uno de los residuos de la industria vitivinícola, no solo con una mirada enmarcada en el nuevo concepto de economía circular sino también, el generar nuevas líneas de negocio que tengan un impacto socio-económico que hasta la fecha no existe.