PRODUCCIÓN DE EDULCORANTES A PARTIR DE STEVIA REBAUDIANA
INTEGRANTES: JOSE LEONARDO GOMEZ BALLESTEROS CARLOS MAURICIO CELIS CORNEJO CAMILO ANDRES CORONADO DELGADO GRUPO: A1 SUBGRUPO: 5
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS BUCARAMANGA, JULIO 29 DE 2010
PRODUCCIÓN DE EDULCORANTES A PARTIR DE STEVIA Celis. C., Coronado C., Gómez J. Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Química. Bucaramanga, Colombia. Julio de 2010.
Resumen: En el presente trabajo se ilustra el proc eso de producción de edulcorantes a partir de Stevia Rebaudiana Bertoni, una breve descripción del mercado, de sus usos industriales y medicinales e información del proceso a ni vel industrial. Se analizan los resultados obtenidos en la experiencia práctica y se dan algunas recomendaciones.
Introducción En el siguiente estudio se da una descripción detallada del proceso de producción de edulcorantes a partir de Stevia a escala laboratorio, y una breve caracterización para determinar la presencia de grupos funcionales característicos de los esteviósidos. La Stevia Rebaudiana Bertoni, también llamada “ yerba dulce”, es una planta arbustiva semiperenne nativa de la región tropical de Sudamérica [1]. Ha sido usada desde hace siglos como edulcorante y como planta medicinal. Se pueden utilizar las hojas para endulzar, industrialmente se extraen dos productos edulcorantes solubles de importancia comercial: el Steviósido y el Rebaudiósido A [2]. Las propiedades de la Stevia para procesar son excelentes frente a las de otros edulcorantes, teniendo en cuenta su bajo contenido calórico, gran estabilidad frente a las altas temperaturas, la acidez y la alcalinidad, no es fermentable y además, tiene poder bactericida y antimicótico lo cual permite extender la vida útil de los productos en donde se utiliza. Dentro de la medicina botánica las hojas de Stevia se utilizan en el tratamiento de la diabetes como regulador del azúcar en la sangre,
como hipotensor, como regulador de las funciones gastrointestinales y en tratamientos de problemas de la piel como el acné, seborrea, dermatitis y eczema [2,3]. En cuanto al mercado, el principal destino de las exportaciones es Japón que a finales de los años 90 consumía alrededor de 2000 toneladas por año, recientemente China y Malasia han aumentado sus importaciones de hoja como insumo industrial. Dentro de los principales productores de hojas de Stevia se encuentran Paraguay, Argentina, Brasil e Israel. Japón es el principal productor mundial de Steviósido y Steviósido refinado cuyas ventas se encuentran cercanas a 130 millones de dólares a finales de la década de los 90 [4]. En Colombia, el cultivo se inició hace 16 años, debido a que sus promotores no habían tenido hasta entonces suficiente apoyo de las entidades gubernamentales [5]. Actualmente se cultiva principalmente en la costa atlántica, Antioquia, Valle del Cauca, Cundinamarca y Boyacá [4]. Por ahora este mercado se limita a ofrecer hoja seca, extracto líquido y en polvo, aromáticas y cápsulas, se espera que en los próximos años se logre un aumento en la cantidad cultivada y la posterior industrialización que permita una producción competitiva de Steviósido refinado [5].
Marco teórico En estado silvestre, crece en terrenos arenosos, de fertilidad moderada, abundantes en materia orgánica, pH óptimo entre 5.5- 6.5 y buen drenaje [1,2]. Sin embargo, al sembrarse en forma intensiva requiere de cantidades considerables de nutrientes, fósforo, potasio, nitrógeno y abono para regenerar el suelo empobrecido [2]. La planta crece en regiones semihúmedas (1400-1800 mm anuales), la temperatura óptima para su cultivo varía de 15 a 30°C, siendo más tolerables los ambientes húmedos que los secos. El rendimiento anual de hoja seca puede oscilar entre 1500 y 2500 kg/Ha sin riego y alrededor de 4300 kg/Ha con riego [6]. Las hojas son lanceoladas o elípticas y dentadas, son alternas, simples, de color verde oscuro brillante y superficie rugosa [1], éstas poseen un intenso sabor dulce que puede alcanzar entre 300 y 450 veces el poder endulzante de la sacarosa [7].
hojas es de 7% y 3% respectivamente y otros de menor relevancia: Rebaudiósido (B,C,D y E) y Steviolbiósido en proporciones muy pequeñas [7,8]. COMPUESTO STEVIÓSIDO REBAUDIÓSIDO A
R1 Glu-Glu
R2 Glu Glu
STEVIOLBIÓSIDO REBAUDIÓSIDO B
Glu-Glu
H H
Tabla 1. Grupos radicales en los principales glicósidos diterpénicos (glu=glucosa) [8].
El compuesto de mayor importancia comercial es el Steviósido que aporta el 65% de la dulzura de la Stevia y es entre 110 y 270 veces más dulce que la sacarosa, adicionalmente es el principal responsable del sabor residual amargo. El Rebaudiósido A aporta el 35% del sabor dulce de la planta y es entre 180 y 400 veces más fuerte que el de la sacarosa, no genera sabor residual [2]. -
Figura 1. Fórmula general de los glicósidos diterpénicos [8]
Los principios activos edulcorantes de la Stevia rebaudiana son glucósidos de naturaleza diterpénica, siendo los principales: el Steviósido y el Rebaudiósido A, cuyo contenido medio aproximado en las
Proceso Industrial
La extracción se realiza con agua o con solventes orgánicos como alcohol, el extracto es sometido a varios pasos de refinación para purificar y enriquecer los componentes endulzantes. Previamente las hojas son seleccionadas, pasan por un proceso de reducción de tamaño, se colocan en un tanque con agua desionizada para el proceso de extracción a una temperatura de aproximadamente 50 °C, el extracto líquido es calentado y tratado con sales inorgánicas como FeCl3 y CaO, con el fin de precipitar algunos compuestos disueltos indeseados, los sedimentos se separan por decantación o centrifugado.
Figura 2. Diagrama del proceso industrial.
Posteriormente cuando se ha alcanzado una transparencia aproximada del 50% y un pH entre 7 y 8, el líquido es filtrado para obtener un producto cuyo contenido de Steviósido es del 0.2% [2]. Entre los procesos más usados se combina la precipitación de contaminantes con sales inorgánicas y posterior tratamiento con resinas de intercambio iónico para adsorber el Steviósido, para su recuperación y regeneración de las resinas se agrega etanol (Fig. 2), se pueden incluir otros tratamientos como la precipitación de contaminantes mediante la variación controlada del pH (adición de fosfatos y sulfatos de calcio) y el uso de adsorbentes fijos (por ej. poliacrilamida). Adicionalmente dependiendo de la calidad deseada del producto, se realiza purificación mediante cromatografía, extracción líquida, electroforesis o filtración con membranas (microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración) [10]. El retrogusto amargo remanente se puede tratar mediante extracción con fluidos
supercríticos como CO2, obteniéndose un residuo de la extracción que es casi completamente libre de compuestos indeseados que alteran el sabor [9]. Procesos alternativos de purificación más económicos, incluyen una etapa de decoloración, posterior al tratamiento con resinas, usando carbón activado, en donde el líquido alcanza una transparencia del 95% y un proceso de concentración por secado, de dónde se obtiene el Steviósido en polvo [2]. Procedimiento Experimental Los materiales y equipo usados en el laboratorio fueron: 102 g de hojas de Stevia Rebaudiana Agua 7 g de hidróxido de Calcio Ácido sulfúrico Molino de cuchillas Plancha de calentamiento Agitador Probeta de 2000 ml Balanza Caja de Petri
Vidrio de reloj pH metro Recipiente esmaltado Centrífuga Cedazo Vaso de precipitado de 400 ml Horno secado Refractómetro Espátula Mortero -
Descripción del proceso
Reducción de tamaño
Lixiviación
Filtración
Secado de la fibra
Sedimentación
Centrifugación
Cristalización y triturado Figura 3. Etapas del proceso en el laboratorio.
-
Reducción del tamaño
En primer lugar se dispone el material en un molino de cuchillas para reducir el tamaño de las hojas a partículas pequeñas. Esta
etapa tiene como objetivo maximizar el contacto de las partículas con el solvente para extraer la mayor cantidad de soluto (en este caso los esteviósidos y rebaudiósidos). -
Lixiviación(Batch)
En particular, ésta, es la etapa más importante del proceso; para la lixiviación es necesario determinar la cantidad de solvente a emplear, éste se determina mediante una relación 1:5 (por un gramo de Stevia, 5 mililitros de agua como solvente). En el experimento se midieron 102.43 [g] de Stevia pulverizada, por lo que se determinó que la cantidad de agua emplear fuera de 500 [ml]. Las temperaturas elevadas facilitan la transferencia de masa ya que se establece un gradiente que favorece el fenómeno de transporte; conociendo esto se determinó que la temperatura de operación fuera de 70 [°C] en una operación por lotes durante 40 minutos. -
Filtración
Después de la etapa de lixiviación se pasa la mezcla por un filtro de tela para separar el refinado (fase solida) del extracto, luego el refinado se llevó al horno secador para determinar la cantidad de fibra que se retira del proceso. En el vaso de precipitado se reunió un volumen de 300 [ml] de extracto. -
Sedimentación
En esta etapa se agregó 7 [g] Ca(OH)2 para realizar una suavización en caliente del extracto durante 1 hora a temperatura de 70 [°C] y pH de 12. El objetivo de esta etapa es aglomerar los sólidos disueltos para que estos precipiten por un periodo de 24 horas (después de la suavización) y se pueda retirar impurezas de la solución. El líquido
sobrenadante se retira por rebose y el sólido debe llevarse a centrifugado para retirar el líquido remanente por centrifugado, sin embargo todo el volumen de mezcla fue llevado a centrifugado para así retirar más eficientemente el precipitado. -
Centrifugado
Antes de llevar a la centrífuga se neutralizó la mezcla que después de agregar el Ca(OH)2, tenía un pH de 12.3. Las condiciones de la centrifuga fueron de 5000 rpm durante 20 min. Finalmente se obtuvo un peso de sólidos de 32.01 [g] de un volumen inicial de 221.84 [g] de mezcla (antes del centrifugado). -
Cristalización y triturado
El líquido que se retira por centrifugación es llevado al horno secador a 70 [°C] durante 96 horas para lograr la cristalización de los componentes en solución (mayormente esteviósidos). Luego de esta etapa, se retira la escarcha de la caja de petri con una espátula y se lleva a un mortero para obtener los cristales de edulcorante, el producto final. Análisis de datos -
Balance de masa
Con la información que se tiene de cada etapa se logró completar el balance de masa en cada equipo como se muestra en la figura 4. Con base en esta información se determinaron rendimientos que aportan información útil sobre el proceso. Rendimiento del proceso:
De la literatura se sabe que la composición de esteviósidos y rebaudiósidos son del 7%y 3% respectivamente [8], esto, daría un total de un 10% de producto deseado; con respecto a la materia prima inicial 102.43 [g] se intuye entonces que la cantidad de producto deseado tiene que estar alrededor de 10 [g], sin embargo se sabe que las hojas de Stevia contienen hasta un 40% de sustancias hidrosolubles [12], por lo que un gran porcentaje (como mínimo un 40%) del producto final corresponde a sustancias indeseadas. Este resultado se debe a que para obtener un producto más concentrado en esteviósidos debe utilizarse una resina de intercambio iónico [2]. Rendimiento de la etapa de filtrado (en base húmeda) para la eliminación de sólidos suspendidos:
La masa de sólidos suspendidos equivale a la masa de sólidos retirados en la centrífuga (asumiendo que la cantidad de agua retenida es la misma) más la cantidad de sólidos retenidos en el filtro, menos la cantidad de cal apagada que se agregó durante la suavización.
AGUA 500 [g] VAPOR 33.1 [g] STEVIA MOLIDA 102.43 [g]
Ca(OH)2 7 [g]
LIXIVIACIÓN
MEZCLA 569.33 [g]
VAPOR 204.33 [g]
SUAVIZACIÓN EN CALIENTE
FILTRADO EXTRACTO 300 [g]
EXTRACTO CONCENTRADO CENTRIFUGADO 221.84 [g]
REFINADO 269.33 [g] SECADOR
FIBRA SECA 65 [g]
VAPOR 85.16 [g]
VAPOR 168.48 [g] SECADOR EDULCORANTE SÓLIDO 16.35 [g]
SOLIDOS 37.01 [g] (con humedad)
LÍQUIDO 184.83 [g]
Figura 5. Diagrama de Flujo de Bloques (BFD) para el proceso experimental.
El rendimiento no es lo suficientemente elevado, por lo que se justifica el empleo de la etapa de centrifugado para retirar la mayor cantidad de sólidos suspendidos. Adicionalmente se puede determinar un rendimiento de la operación de centrifugación para determinar la cantidad de líquido que puede separarse de los sólidos restantes, trabajando bajo la misma suposición, que el agua retenida por los sólidos centrifugados es la misma cantidad que el agua retenida por la torta exprimida después de la etapa de filtrado (75.87% de humedad). De esta manera se determinó que la cantidad de sólidos en base seca retirados por la centrífuga es de 8.93 [g]. De este modo se plantea el rendimiento como:
La masa de líquido inicial es la suma del líquido que se va retenido en la masa de
precipitados separados por centrifugación, más la cantidad de líquido separado:
Este rendimiento puede tolerarse ya que la etapa de centrifugado es crucial para que los sólidos suspendidos no contaminen el producto final. Además es un rendimiento bueno y que permite recuperar la mayor cantidad de extracto concentrado. -
Análisis de espectroscopía IR
Para la obtención del espectro IR se preparó la muestra, conformada por la combinación de producto de esta experiencia y de otra realizada bajo las mismas condiciones (simultáneamente). La línea verde corresponde a Stevia comercial (97%) y la línea azul corresponde a nuestro producto (ver figura 5). Como se observa, el pico entre
3600 y 3200 se debe a interacciones de fuerzas puente de hidrógeno entre grupos alcoholes, debido a la presencia de grupos OH en la molécula. El pico pronunciado que se encuentra entre 1600 y 1700, y el que sobresale en 660, se debe a la presencia de alquenos, característicos de la molécula. Como se observa en la tabla 1, el radical dos (R2) puede ser glucosa o hidrógeno, lo cual da pie a que se forme un grupo funcional éster o ácido carboxílico respectivamente; los picos correspondientes a estos grupos se encuentran en 1730 y en 1100.
- Extracción ineficiente: La torta de sólidos seca presenta altas concentraciones de edulcorantes, tanto así que su sabor es difícil de distinguir entre la torta y Stevia fresca. Con el fin de mejorar la experiencia se proponen las siguientes recomendaciones: - Mejora del solvente: La composición del solvente debería ser [14]: o o
o
Figura 5. Espectro IR de los cristales de Stevia de la muestra SteviaA1-A3, obtenida en esta experiencia.
Recomendaciones El producto final presenta los siguientes inconvenientes: - Color Verde: Se debe al contenido de clorofila, esto lo hace poco atractivo a la vista. - Retrogusto: Tiempo después de ingerido el producto genera un gusto amargo, esto se debe principalmente a la degradación de los grupos glucósidos por el oxigeno disuelto en la solución de solvente [13].
65% Agua destilada. 15% Buffer de Fosfato (KH2PO4), este ayuda a que la clorofila se precipite. 10% Sulfito de Sodio (Na2SO3), el cual elimina el oxigeno disuelto de la solución.
Enlace C–H
Compuesto Alcanos
=C – H
Alquenos
C–H C–H
Alquinos Anillos armomáticos Alcoh. y Fenol (1) Alcoh. y Fenol (2) Ác. Carboxil. (1) Ac. Carboxil. (2) Aminas, Amidas Alquenos Anill. Aromáticos Alquinos Aminos, Amidas Nitrilos Alcoh., éters, ác. Carboxil., ésteres Aldeh., Ceto., ác. Carbox., ésteres Nitroderivados
O–H
N–H C=C C=C C C C–N C N C–O C=O NO2
Frecuencia 2850 – 2970 1340 – 1470 3010 – 3095 657 – 995 330 3010 – 3100 690 – 900 3590 – 3650 3200 – 3600 3500 – 3650 2500 – 2700 3300 – 3500 1610 – 1680 1500 – 1600 2100 – 2260 1180 – 1360 2210 – 2280 1050 – 1300
Intensidad Fuerte Fuerte Media Fuerte Fuerte Media Fuerte Variable Variable (ancha) Media Ancha Media Variable Variable Variable Fuerte Fuerte Fuerte
1690 – 1760
Fuerte
1500 – 1570 1300 – 1370
Fuerte Fuerte
Tabla 2. Frecuencias de absorción IR de grupos orgánicos. (1) Monómeros. (2) Unidos por enlaces puente de hidrógeno [11].
Además se debe utilizar una relación en peso solvente-Stevia de 20 a 1, si solo se realiza una etapa y el solvente debe precalentarse
antes de entrar en contacto con el sólido, esto para que el sulfito actúe. Utilizando este solvente se espera que de la centrifugación el extracto salga incoloro, lo que producirá cristales de color similar al azúcar de mesa, sin el oxigeno disuelto no habrá retrogusto, y el producto final mantendrá el sabor hasta por 4 semanas. Conclusiones
[2]Torres, A. Estudio del Mercado de edulcorantes naturales. Instituto de Investigación de recursos biológicos Alexander von Humboldt. Bogotá. 2004. [3]Atteh, J. et al. Evaluation of Supplementary Stevia leaves and Stevioside in broiler diets: effects on feed intake, nutrient metabolism, blood parameters and growth performance. Belgium. 2008.
La producción de edulcorantes a partir de fuentes naturales como la Stevia se presenta como una alternativa viable tanto para consumo doméstico como industrial, teniendo en cuenta sus diversos usos, aplicaciones y beneficios.
[4] Marín, W. Sondeo de mercado de Stevia. . Instituto de Investigación de recursos biológicos Alexander von Humboldt. Bogotá. 2004.
El procedimiento que se plantea permitió obtener un producto de buena calidad, en donde se aprecian las características propias de los componentes activos en los extractos de Stevia, como su intenso sabor dulce y los grupos funcionales característicos obtenidos mediante análisis por espectroscopia infrarroja.
[6] Jordán, F. La propagación de ka´a he´e, Stevia rebaudiana Bertoni. Primer Simposio Nacional de la Stevia. (p. 29) Paraguay. 1983.
Al utilizar sulfito de sodio y buffer de fosfato en el solvente durante la lixiviación podría evitarse el uso de sistemas complejos y costosos de separación tales como membranas o resinas de intercambio iónico estas últimas requieren el uso de otros solventes para recuperar el producto final.
Referencias [1] Lamus, M. García, A. Factibilidad para la creación de una empresa productora de aromáticas con Stevia. Tecnología agroindustrial. Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga. 2009.
[5]http://www.elespectador.com/columna11 0427-stevia-edulcorante-sin-restricciones
[7] Amat, A. Los principios activos edulcorantes de Stevia Rebaudiana. Estado actual de su conocimiento. Universidad Nacional de la Plata. Argentina. 1982. [8] Galperín de Levy, R. Stevia Rebaudiana Bertoni: un singular edulcorante natural. Primer simposio argentino y latinoamericano de farmacobotánica. Buenos aires, Argentina. 1983. [9] Udo, K. Method of making a natural sweetener based on STEVIA REBAUDIANA and use thereof. Patent number 5,112,610. Germany. 1990. [10] Oleh, K. et al. Extraction of sweet compounds from Stevia Rebaudiana Bertoni. Patent Number: 5,972,120. Canada. 1998.
[11] Skoog, Holler, Nieman. Principios de análisis instrumental. Ed. McGraw Hill. 5 ed. Capítulo 17. Tabla 17-2. (1992)
[14] Daciw, M. Stevia rebaudiana bertoni, Kaá-heé. UNQ Editorial SERIE DIGITAL Ciencia y Tecnología.
[12] Machacuay Córdoba, Santiago. Programa de investigación de procesos industriales, área de procesos alimentarios y agroindustria. Universidad Nacional del Centro de Perú. (2010)
[15] Mcabe, W. Smith, J. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. 7th edition. Editorial McGraw Hill.
[13]Miller, L. Use of DinitrosaIicyIic Acid Reagent for Determination of Reducing Sugar. Analytical Chemistry vol. 31 (1953).
