Valorització de residus agroalimentaris (fruites i verdures) per a la recuperació d’antioxidants mitjançant la integració de processos d’extracció i de membranes

Abstract

La indústria agroalimentària genera una gran quantitat de residus orgànics anualment, la major part dels quals es desaprofiten. D’una petita part se’n fa melmelades, compostatge o estransformat en energia. La comunitat científica però, és conscient del gran potencial de valorització, degut el seu alt contingut en polifenols. Per això s’està investigant per determinar els millors mètodes per a la seva extracció, separació i purificació. En aquest treball, inicialment es va fer una revisió de l’estat de l’art en el tractament de residus de fruites i verdures, el seu contingut de polifenols i les tècniques d’extracció (convencionals i avançades). Així com de la separació i concentració de polifenols amb membranes de microfiltració (MF), ultrafiltració (UF), nanofiltració (NF) i osmosi inversa (OI), l’adsorció amb resinesi la separació per cromatografia de columna. Finalment es van analitzar processos integrant diferents mètodes de separació i purificació. Experimentalment, es va optimitzar l’extracció per maceració de polifenols a partir de residus d’espinacs i de pell de taronja. Els paràmetres que es van tenir en compte van ser la temperatura (25/50/70/90 ºC), el temps d’extracció (5/15/30 min), la relació sòlid:líquid (1:10/1:30/1:50/1:100/1:200 g:ml) i el pH (3/6/10). Els resultats es van comparar amb els obtinguts mitjançant l’extracció per UAE (ultrasound-assisted extraction). Valorant la massa de polifenols obtinguda i el cost del procés, les condicions òptimes determinades pels espinacs van ser extracció per maceració a 50 ºC durant 5 minuts amb una relació sòlid-líquid de 1:50 i a pH 6 (sense ajustar). L’extracte va ser analitzat i es va determinar que era ric en flavonoides, un tipus de polifenols. Per a les peles de taronja la tècnica amb millors resultats va ser maceració també, a 70 ºC durant 15 minuts amb una relació de 1:100 i pH 6. Per cada un dels extractes obtinguts(a partir d’espinacs i taronja), rics en flavonoides, es va plantejar un procés integrat amb membranes i resines per a la purificació dels polifenols. Per una banda, es va proposar un tren de processos de membrana i adsorció/desorció per purificar l’extracte d’espinacs. En aquest cas, s’utilitzaria, en primer lloc, una membrana d‘UF, per separar els polifenols dels sòlids en suspensió. Després el permeat es sotmetria a NF per concentrar el polifenols i finalment els dos corrents provinents de la NF es purificarien amb una resina XAD16HP per adsorció/desorció. Per l’altra banda, es va proposar dostrens per l’extracte de taronja. Els dos consistien en dos processos de membrana (UF i NF), per separar els sòlids en suspensió i concentrar els polifenols. Però els polifenols es van purificar en un cas amb una membrana de OI i en l’altre amb la resina XAD16 per adsorció/desorció.

La industria agroalimentaria genera una gran cantidad de residuos orgánicos anualmente, la mayor parte de los cuales es desaprovechada. De una pequeña parte se hace mermeladas, compostaje o se transforma en energía. La comunidad científica, pero, es consciente del gran potencial de valorización, debido a su alto contenido en polifenoles. Por eso se esta investigando para determinar los mejores métodos para su extracción, separación y purificación. En este proyecto, inicialmente se hizo una revisión del estado del arte en el tratamiento de residuos de frutas y verduras, su contenido de polifenoles y las técnicas de extracción (convencionales y avanzadas). Así como de la separación y concentración de polifenoles con membranas de microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y osmosis inversa (OI), la adsorción con resinas y la separación por cromatografía de columna. Finalmente se analizaron procesos integrando diferentes métodos de separación y purificación. Experimentalmente, se optimizó la extracción por maceración de polifenoles a partir de residuos de espinacas y de piel de naranja. Los parámetros que se tuvieron en cuenta fueron la temperatura (25/50/70/90 ºC), el tiempo de extracción (5/15/30 min), la relación sólido:líquido (1:10/1:30/1:50/1:100/1:200 g:ml) y el pH (3/6/10). Los resultados se compararon con los obtenidos mediante la extracción por UAE (ultrasound-assisted extraction). Valorando la masa de polifenoles obtenida y el coste del proceso, las condiciones óptimas determinadas para las espinacas fueron extracción por maceración a 50 ºC durante 5 minutos con una relación sólido:líquido de 1:50 y a pH 6 (sin ajustar). El extracto fue analizado y se determino que era rico en flavonoides, un tipo de polifenoles. Para las pelas de naranja la técnica con mejores resultados fue maceración también, a 70 ºC durante 15 minutos con una relación de 1:100 y pH 6. Para cada uno de los extractos obtenidos (a partir de espinacas y naranja), ricos en flavonoides, se planteó un proceso integrado con membranas y resinas para la purificación de los polifenoles. Por una parte, se propuso un tren de procesos de membrana y adsorción/desorción para purificar el extracto de espinacas. En este caso, se utilizaría, en primer lugar, una membrana de UF, para separar los polifenoles de los sólidos en suspensión. Después el permeado se sometería a NF para concentrar los polifenoles y finalmente las dos corrientes de la NF se purificarían con la resina XAD16HP por adsorción/desorción. Por otra parte, se propuso dos trenes para el extracto de naranja. Los dos consistían en dos procesos de membrana (UF y NF) para separar los sólidos en suspensión y concentrar los polifenoles. Però los polifenoles se purificaron en un caso con una membrana de OI y en el otro con la resina XAD16 por adsorción/desorción.

The agroindustry generates a large amount of organic residues every year, most of which are wasted. Some of them are turned into jam, composting or energy. Scientific community is aware of the potential valuation of them due to its high content of polyphenols. That is why it is being investigated to determine the best extraction, separation and purification methods. In this work, initially a bibliography revision was done about the residue’s treatment on fruits and vegetables, the polyphenols content and the extraction techniques (conventional and advanced). Also, about the separation and concentration of polyphenols with microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) membrane, resin adsorption and column-chromatography separation. Finally, integrated processes with different methods of separation and purification were analyzed. Experimentally, polyphenol extraction by maceration from spinach and orange peel residues was optimized. The parameters which were taken in account were temperature (25/50/70/90 ºC), extraction time (5/15/30 min), solid:liquid ratio (1:10/1:30/1:50/1:100/1:200 g:ml) and the pH (3/6/10). The results were compared to the ones got through the extraction by UAE (ultrasound-assisted extraction). Taking into account the mass of polyphenols obtained and the cost of the process, the optimum conditions for the spinach were maceration extraction at 50 ºC during 5 minutes with solid:liquid ratio of 1:50 and pH 6 (without adjusting). The analyzed extract was rich in flavonoids, a type of polyphenols. For the orange peel, the techniques presenting the best results were also maceration at 70 ºC during 15 minutes with a ratio of 1:100 and pH 6. A different integrated process with membranes and resins for the purification of polyphenols was planned for every extract (from spinach and from orange), rich in flavonoids. On the one hand, a membrane and adsorption/desorption process was proposed to purify the spinach extract. In this case, in the first place, a UF membrane would be used to separate the polyphenols from the suspended solids. Then, the permeate would be submitted to NF to concentrate the polyphenols and finally both streams would be purified with a XAD16HP resin by adsorption/desorption. On the other hand, two processes were proposed for the orange extract. Both started with two membrane processes (UF and NF) to separate the suspended solids and concentrate the polyphenols. But then, in one case the purification was made with a RO membrane and in the other case with a XAD16 resin by adsorption/desorption.