DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
EXTRACCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE PECTINA OBTENIDA A PARTIR DE CÁSCARAS DE NARANJA (CITRUS SINENSIS, VARIEDAD VALENCIA) PARA LA ELABORACIÓN DE HIDROGELES AGRÍCOLAS: UN ENFOQUE EN LA VALORIZACIÓN DE RESIDUOS ORGÁNICOS.
Por: Jose Daniela Forero Cepeda, Valentina Cogollo Madera, Diego Alexander Daza Ruiz y Paula Andrea Gallo Castillo.
La valorización de cáscaras de naranja Valencia para la extracción de pectina, impulsa la economía circular reduciendo el desperdicio al maximizar el uso de subproductos del procesamiento de frutas, generando beneficios tanto ambientales como económicos en la industria agroalimentaria.
Transformando residuos en valor: Pectina de cáscaras de naranja para una economía circular en Bogotá.
La pectina, un polisacárido natural presente en las paredes celulares de frutas y verduras, es ampliamente valorada por sus propiedades gelificantes, estabilizantes y espesantes, lo que la convierte en un ingrediente esencial en la industria alimentaria, farmacéutica, cosmética y en la investigación de biopolímeros. Además de su valor comercial, la pectina presente en las cáscaras de naranja representa una alternativa para la gestión sostenible de residuos sólidos en entornos urbanos como Bogotá, donde según el Consorcio NCU-UAESP, entidad encargada de tratar los desechos en la ciudad, se generan aproximadamente 6.868 toneladas diarias de desechos, de los cuales el 51,32% corresponde a residuos orgánicos con alto potencial de valorización. En respuesta a este desafío, la Alcaldía de Bogotá, junto con la UAESP y la Secretaría Distrital de Hábitat, ha implementado el modelo "La basura no es basura", enfocado en la separación en la fuente, el reciclaje y la valorización de residuos, dentro del Plan Distrital de Desarrollo 2020-2024. Esta iniciativa busca reducir la presión sobre el Relleno Sanitario Doña Juana y avanzar hacia una economía circular.
En este contexto, el proyecto de extracción de pectina, liderado por el programa de Química Aplicada a la Industria del Centro de Gestión Industrial (CGI) del Servicio Nacional de Aprendizaje - SENA, se alinea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) y el Plan de Desarrollo Distrital, al transformar cáscaras de naranja en un producto de valor industrial.
Explotando el potencial de las cáscaras de naranja (Citrus sinensis Var. Valencia) obteniendo pectina
Extracción de pectina por método convencional de hidrólisis ácida
El proceso de extracción de pectina comenzó con la eliminación del bagazo y el corte de las cáscaras de naranja en trozos de 1 a 3 cm² (Imagen 2). Posteriormente se escaldaron en agua hirviendo por 15 minutos para inactivar las pectinasas y poligalacturonasas, enzimas que degradan la pectina, luego se realizó un choque térmico para evitar su deterioro.
De forma subsiguiente, se agregaron 4 kg de cáscaras en un tanque con 5 litros de agua potable (Imagen 3). La mezcla se agitó entre 250-450 rpm y se ajustó el pH a 2 con ácido cítrico. Luego, se calentó a 82 °C por una hora para permitir la desmetilación de la pectina, proceso que reduce los grupos metilo y permite obtener una forma más estable.
Después, la pectina se precipitó con etanol al 70% durante 48 horas y se filtró con telas de nylon para separar la solución péctica de los sólidos insolubles y aumentar su pureza. Finalmente, se lavó con etanol al 70%, se dejó reposar durante 30 minutos y se secó a 30 °C durante 24 horas. Una vez seca, la pectina se almacenó en bolsas Ziplock para su posterior molienda y tamizado (ver imagen 4).
Extracción de pectina por hidrólisis ácida asistida por enzimas
El proceso de producción de pectina mediante hidrólisis enzimática comenzó con el aislamiento de la bacteria Gram negativa Providencia rettgeri a partir de las cáscaras de naranja y su posterior identificación bioquímica, utilizando la prueba comercial de índice de perfil analítico (Analytical Profile Index, API).
Luego del proceso anterior, se realizó una fermentación para producir celulasas a partir del microorganismo aislado. Se añadieron 500 g de cáscaras de naranja al extracto de celulasas producido, y se ultracongelo.
Para la extracción, se realizó una hidrólisis ácida con ácido cítrico, descongelando las cáscaras tratas enzimáticamente en baño maría y siguiendo el método convencional (ver imagen 5), omitiendo las etapas de lavado, molienda y tamizado.
Extracción de pectina con pretratamiento oxidativo con peróxido de hidrógeno
Se pesaron 552,68 g de cáscaras de naranja, sin bagazo y reducidas a partículas de 1 a 3 cm² para optimizar la extracción. Las cáscaras se hidrataron durante 15 minutos y se midieron sólidos disueltos (°Brix). El volumen específico pasó de 3,620 mL/g a 2,70 mL/g tras la hidratación.
Posteriormente, las cáscaras se trataron con una solución de peróxido de hidrógeno al 5% durante 20 minutos, donde los °Brix aumentaron de 0,2 a 2,2 y el pH se mantuvo en 6. Después de eliminar el exceso de peróxido, se continuó con la hidrólisis ácida convencional (Imagen 6).
Imagen 3. Obtención de pectina en tanque de agitado.
Imagen 1. Pectina de cáscara de naranja variedad Valencia
Imagen 2. Tamaño de partícula para la materia prima, método convencional, pretratamiento oxidativo y pretratamiento enzimático.
Imagen 4. Tamizado y almacenamiento de pectina.
Imagen 5. Extracción de pectina por hidrólisis ácida.
Imagen 6. Extracción de pectina con pretratamiento oxidativo con peróxido de hidrógeno.
Descubriendo las propiedades fisicoquímicas de la pectina
La calidad de la pectina se evaluó mediante la caracterización fisicoquímica, siguiendo la metodología descrita por Owens et al., 1952 y los protocolos adaptados de Ferreira (2007). Empleando el método gravimétrico de perdida por secado, se cuantificó el porcentaje de humedad y mediante el método gravimétrico por calcinación, se determinó el porcentaje de cenizas.
Análisis comparativo de los resultados obtenidos en los tres métodos de extracción de pectina cítrica.
El diagrama 1 presenta la comparación de los resultados obtenidos en los análisis realizados.
El porcentaje de cenizas fue mayor en la pectina con pretratamiento oxidativo (3.447%), lo que sugiere una mayor cantidad de material inorgánico. Sin embargo, la diferencia entre ambas pectinas es menor al 1%, lo que indica que ambos valores se encuentran dentro del rango óptimo (0,59% - 5,69%). Esto sugiere que contienen pocas impurezas minerales. En cuanto al contenido de humedad, la pectina obtenida por método convencional (7,63%) mostró un valor superior al de la pectina pretratada con peróxido de hidrogeno (4,86%). Esta mayor humedad podría incrementar el riesgo de degradación, aunque ambas se encuentran dentro del valor de referencia (0,18% - 12,82%). Sin embargo, una menor actividad de agua podría dificultar su rehidratación.
El peso equivalente (PE) y la acidez libre (AL) permiten evaluar la capacidad gelificante de la pectina. En este estudio, la pectina obtenida por hidrólisis asistida por enzimas presentó un PE notablemente mayor, sugiriendo una menor capacidad gelificante, probablemente debido a la presencia de impurezas y a la acción enzimática que dificulta la purificación según Mendoza et al., 2017.
Por otro lado, la acidez libre, que está inversamente relacionada con el PE, mostró diferencias que reflejan el nivel de residuos ácidos y sugieren que la pectina enzimática, con su menor AL y mayor PE, requerirá condiciones específicas para la formación de geles de acuerdo con Danovich, 2019.
El grado de esterificación (GE) y contenido de metoxilo (%Met), determinan el comportamiento de la pectina en diferentes condiciones, como el pH, la concentración de azúcar, la temperatura y la concentración de iones, lo que influye en su aplicación en la industria. Todas las muestras presentan características de pectinas de bajo metoxilo. La pectina enzimática mostró el menor %Met (1,33%) y el mayor GE (31,82%), en consonancia con Mendoza y Sarmiento, 2016 y Chiviri y Palencia, 2019, indica una mayor capacidad de gelificación en presencia de iones como el calcio.
El contenido de ácido galacturónico (%AAG) fue menor en la pectina enzimática (25,03%), indicando una pureza inferior en comparación con las otras pectinas. Sin embargo, ninguna de las muestras alcanzó el estándar de la Organización Mundial de la Salud para pectina comercial, que requiere más del 65% de ácido galacturónico, según lo informado por Mantilla, 2020.
Aplicaciones innovadoras de la pectina
Las propiedades fisicoquímicas de las pectinas extraídas mediante los tres métodos descritos, permiten su aplicación en la fabricación de hidrogeles para uso agrícola, que pueden emplearse en la encapsulación de nutrientes y agentes fertilizantes para una liberación prolongada, optimizando su eficiencia y minimizando el impacto ambiental.
Por otro lado, estas pectinas, de bajo contenido de metoxilo, gelifican eficientemente en presencia de iones de calcio, que se encuentran comúnmente en el agua, permitiendo a los hidrogeles retener y suministrar agua de manera controlada, especialmente en épocas de sequía.
Reflexiones finales y perspectivas futuras
Los resultados se alinearon con los rangos esperados para pectinas cítricas, aunque se observaron particularidades atribuibles a las condiciones de extracción y la madurez de la fruta.
La pectina tratada enzimáticamente, con un mayor peso molecular, mostró una mejor capacidad de gelificación bajo condiciones controladas de pH y calcio, lo que se correlaciona con su grado de esterificación. Además, los tratamientos oxidativos redujeron compuestos fenólicos, mejorando el color de las pectinas. Estas modificaciones aumentan la versatilidad de las pectinas, ampliando sus aplicaciones industriales como espesantes y gelificantes en la industria alimentaria, en el campo farmacéutico para recubrimientos de cápsulas con baja reactividad fenólica y en biotecnología en la producción de biomateriales, especialmente en el área de la ingeniería de tejidos, debido a su biocompatibilidad y capacidad de formar estructuras tridimensionales.
Anexo
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Referencias.
Alcaldía Mayor de Bogotá, Secretaría Distrital de Hábitat, Unidad Administrativa Especial de Servicios Públicos (UAESP). (2021). Modelo de aprovechamiento. Bogotá D.C.:https://www.uaesp.gov.co/sites/default/files/20210420_Modelo_de_aprovechamiento.pdf
Chirivi Torres, N. y Palencia Suarez, G. J. (2019) Evaluación del proceso de obtención de una biopelícula utilizando pectina extraída enzimáticamente de la cáscara de naranja valenciana (Trabajo de grado). Fundación Universidad de América: http://hdl.handle.net/20.500.11839/7625
Danovich, C. L. (diciembre de 2019). Extracción de pectina de albedo de limón mediante enzimas pécticas producidas por una levadura autóctona. Obtenido de Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Secretaría de Investigación y Postgrado. Maestría en Tecnología de los Alimentos.: https://rid.unam.edu.ar/bitstream/handle/20.500.12219/2781/Danovich%20CL_2019_Extr acci%C 3%B3n%20de%20pectina.pdf
Mantilla Mantilla, M. R. (octubre de 2020). Caracterización de pectina extraída a partir de residuos de fruta. Obtenido de Universidad de los Andes: https://repositorio.uniandes.edu.co/server/api/core/bitstreams/a662def1-9127-4a24- a99be1656a759acf/content
Mendoza Vargas, L y Sarmiento Lancheros, C. (2016). Evaluación de la pectina extraída por método enzimático utilizando la cáscara de la mazorca de cacao. Universidad de los Llanos: https://repositorio.unillanos.edu.co/handle/001/2944
Reconocimientos especiales
Agradecemos a los aprendices Diego Andres Castiblanco Ramirez por su participación en la edición del presente documento, y a Santiago Nonsoque Fonseca por su apoyo en las actividades prácticas. A los instructores del SENA -Centro de Gestión Industrial, de Química Aplicada a la Industria: Etna Milena Sánchez Castelblanco, Martha Patricia Montaño Ruiz y Juan Pablo Medina Rodríguez, por su colaboración en el desarrollo experimental y acompañamiento en la elaboración del artículo.
Filiaciones Institucionales.
Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Centro de Gestión Industrial. Bogotá, Colombia.
Jose Daniela Forero Cepeda: jose.forero11@soy.sena.edu.co
Valentina Cogollo Madera: valentina_cogollom@soy.sena.edu.co
Diego Alexander Daza Ruiz: diego.daza5@soy.sena.edu.co
Paula Andrea Gallo Castillo: paulaa_gallo@soy.sena.edu.co
Diagrama 1. Comparación de los resultados obtenidos en los tres métodos de extracción de pectina cítrica.
Imagen 7. Hidrogel almidón- pectina.
