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rondo Ngonal de iencia y Tecnología Caracterización y aprovechamiento del extractoy aceite esencial de apio (Apium graveolens), para uso farmacéutico, a través de un proceso de destilación a nivel de planta piloto. Investigadores: Ing. Qco. José Eduardo Calderón García Br. Jugn Carlos Castañeda Molina Br. Herbert Roberto Romero E m o Unidad Ejecutara: Centro de investigaciones de la facultad de ingeniería, USAC Periodo: 2 de septiembre al 3 0 de noviembre del 2002.y del 1 de enero al 3 0 de octubre del 2003 Página 1. Resumen........................................................................... 1 .. 2 . Introduccion......................................................................-2 3. Objetivos...........................................................................4 4. Antecedentes..................................................................... -5 5. Metodología......................................................................14 6. Resultados.......................................................................-18 7. Discusión de resultados........................................................ -21 8. Conclusiones..................................................................... -23 9. Recomendaciones............................................................... 24 10. Bibliografía...................................................................... 25 . 11. Apendices........................................................................-26 . Apéndice A Datos, cálculos y tabulaciones para extracción de Aceite esencial de apio........................................................ 27 Apéndice B Datos, cálculos y tabulaciones para el cocido de Apio............................................................................... 32 Apéndice C Datos, cálculo y tabulaciones para el concentrado de Apio............................................................................... 34 Apéndice D Fotos del equipo y productos....................................37 Apéndice E Estado Financiero del proyecto................................. 40 Apéndice F Análisis cromatográficos del aceite esencial de hojas de apio y análisis fotoquímicos del extracto acuoso de hojas de apio, extracto acuoso de tallo de apio, extracto etanólico de hojas de apio y extracto etanólico de tallos de apio ............................. 41 E l uso de productos medicinales alternativos va aumentando día a día. Con ellos se obtienen los mismos resultados que con productos farmacéuticos y su origen natural los hace mas atractivos al consumidor. E l apio es una planta bastante cultivada en Guatemala cuyo consumo es muy recomendado a personas con problemas con alta presión sanguínea, además es utilizado como un sedante menor y también como diurético. Con la presente investigación se obtuvo un producto medicinal de origen natural que es una nueva opción para aquellos que padecen de presión alta o necesitan de un diurético. Inicialmente se iba a elaborar un jarabe pero debido a que el extracto de las hojas de apio resultó ser insoluble en agua, se optó por realizar una suspensión. Su presentación es en un frasco color ámbar de 250 m1 con una etiqueta con los logotipos del CII y del CONCM. Además se determinó e l costo de producción de esta suspensión Para la realización de la suspensión se utilizó el extracto acuoso de hojas de apio, que luego de comparar con los extractos etanólicos de hoja y tallo, se observó que contenía la mayor cantidad de componentes activos. La suspensión llevó una serie de otros componentes. El objetivo específico, obtención de aceite esencial a partir de tallos y hojas de apio para la preparación de un medicamento líquido, no se pudo cumplir ya que al realizar la extracción en tallos no se encontró aceite esencial y en las hojas se encontró un 0.04% en masa, lo que no hace rentable comercialmente su extracción. Por lo anterior, no se llevo a I cabo la formulación del medicamento líquido. El apio es una hortaliza cuyo tallo se usa para cocinar, pero sus hojas se remueven y se tiran. Se conoce que esta planta tiene propiedades antihipertensivas, diuréticas y como sedante menor, y con éste proyecto de investigación ubicado dentro de la línea del Fondo de Desarrollo Científico y Tecnológico (FODECYT) del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONCM), se extrajeron los componentes activos de las hojas y tallos de apio que le dan las propiedades anteriormente mencionadas para obtener un producto medicinal alternativo. E l objetivo principal del proyecto era el de obtener un producto natural que utilice como materia prima una hortaliza cultivada en Guatemala buscando e l aprovechamiento de sus hojas puesto que no son utilizadas. La materia prima (apio fresco) se compró a Horticultores Nacionales S.A en el km 29.5 San Lucas Sacatepequez, Sacatepequez y se transportaba a las instalaciones de la Planta Piloto donde se sometía a los diferentes procesos de extracción. E l aceite esencial de las hojas de apio fresco se extrajo mediante arrastre con vapor y se recuperó con una trampa hexánica debido a que la cantidad de aceite presente es muy pequeña. E l hexano se rotaevaporó posteriormente para obtener el aceite esencial. Para obtener los extractos se hicieron decocciones del tallo y las hojas del apio con agua y con alcohol etilico, las cuales se evaporaron al vacío para su concentración y posteriormente se I analizaron para determinar los metabditos secundarios presentes y con ellos establecer los usos y cantidades apropiadas del medicamento. Los procesos de extracción se realizaron en la Planta Piloto de ExtracciónDestilación del Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala (CII/USAC)y los análisis se llevaron a cabo en el Laboratorio de Investigación de Productos Naturales (LIPRONAT) de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia de la Universidad de San Carlos. Objetivos Generales: Obtención de un producto con propiedades fitoterapeuticas a partir de apio (Apium graveolens), para uso en la industria farmacéutica, como alternativa de un producto diurético y tranquilizante menor, en presentaciones de jarabe y aceite esencial para suministrarse por medio de gotas. Aprovechar e l cultivo de un producto tradicional de Guatemala, como lo es e l apio, para proporcionarle mayor valor agregado, utilizándose en la industria farmacéutica además de su uso alimenticio, promoviendo e l consumo de los guatemaltecos. Objetivos Específicos: Obtener aceite esencial a partir de tallos y hojas de apio para la realizacion de un medicamento liquido para suministrarse por medio de gotas Obtener un extracto acuoso a partir de hojas y tallos de apio para la preparacion de un jarabe con propiedades diureticas y como tranquilizante menor. Establecer las variables de rendimiento en e l proceso de extraccion de aceite esencial y un extracto acuoso de apio a nivel de planta piloto. Determinar los costos de produccion del medicamento a nivel de planta piloto. Realizar un tamizado para determinar los componentes activos de los productos obtenidos y con ello establecer la posologia y dosificacion adecuadas. Cultivo del Apio E l apio es una planta procedente del Mediterráneo, existiendo otros centros secundarios como e l Cáucaso y la zona del Himalaya. Se conocía en e l antiguo Egipto y su uso como hortaliza se desarrolló en la Edad Media y actualmente es consumido tanto en Europa como en América. En Guatemala, e l apio es cultivado en las regiones departamentales dedicadas a hortalizas, como Sacatepequez, principalmente, Guatemala, y Chimaltenango. El apio pertenece a la familia de Umbeliferae; se distinguen dos variedades botánicas: Apium graveolens var. dulce y Apium graveolens var. rapaceum; este último es e l apio-nabo. Tiene raíz pivotante, potente y profunda, con raíces secundarias superficiales. Del cuello de la raíz brotan tallos herbáceos que alcanzan de 30 a 80 cm de altura. Las hojas son grandes que brotan en forma de corona; e l peciolo es una penca muy gruesa y carnosa que se prolonga en gran parte del limbo. En e l segundo año emite el tallo floral, con flores blancas o moradas y su fruto es un aquenio. La semilla tiene una facultad germinativa media de 5 años; en un gramo de semilla entran aproximadamente 2.500 unidades. La floración en e l apio se motiva principalmente por la acción de temperaturas vernalizantes durante un cierto tiempo (normalmente temperaturas por debajo de 7°C a 10°C, actuando por un período comprendido entre 14 y 28 días), cuando la planta ya tiene un cierto tamaño, momento en que es capaz de recibir el I estímulo vernalizador. Desde que se planta hasta que se recolecta tiene una duración aproxima-da de 4 meses. Es un cultivo de clima templado, necesita luminosidad para su crecimiento y al aire libre no soporta los fnos del invierno en las zonas del interior: cuando la planta está en e l periodo de desarrollo, si ocurre una disminución fuerte de temperatura durante algunos días, puede dar lugar a que la planta florezca antes de tiempo; problema que se ve disminuido cuando e l suelo está acolchado con lamina de plástico. Las temperaturas dependen de la fase de cultivo: Fase de semillero: siembra entre 1 7 y 20°C. Se debe garantizar una temperatura mínima de 13-15°C para evitar la inducción floral prematura. Fase de campo: durante e l primer tercio del cultivo la temperatura ideal está en torno a 16-20°C. Posteriormente se acomoda a temperaturas inferiores a estas, pero superiores siempre a 8-10°C. Temperaturas mínimas frecuentes próximas a 5°C producen pecíolos quebradizos. E l apio no es demasiado exigente en suelos, siempre que no sean excesivamente húmedos. Requiere un suelo profundo, ya que el sistema radicular alcanza gran longitud vertical. E l pH debe estar rondando la neutralidad. Es exigente en boro, por lo que este elemento no debe faltar en e l suelo. Soporta mal la salinidad, tanto del suelo como del agua de riego. Este cultivo es exigente en humedad del suelo, pero sin que llegue a ser exagerada; los riegos deben permitir que e l suelo esté en un estado perfecto de humedad de tempero. Si el suelo sufre sequedad da lugar a un embastecimiento de los tejidos y, por tanto, a una perdida de calidad. Las variedades de apio hay que diferenciarlas en dos grandes grupos: 1 variedades verdes, que necesitan la práctica de blanqueo s i se quieren obtener pencas blancas, y variedades amariUas que no necesitan de esa práctica. Dentro de estas dos modalidades hay que distinguir las características siguientes: resistencia a la "subida" a flor, grueso de las pencas, altura de las pencas, peso medio de la planta, número medio de pencas por planta. O Variedades verdes: son variedades rústicas, de fuerte crecimiento vegetativo y más fáciles de cultivar. Entre las más utilizadas destacan: De Elne (raza Isel), Pascal, Repager R. (raza Istar), Florida 683 y Utah52-70 R. O Variedades amarillas: su cultivo resulta más dificultosa. Son más apreciadas en los grandes mercados. Estas variedades se blanquean por sí solas: Celebrity, Golden Spartan, Light, Dore Chemin y Golden Boy son las más comunes. La siembra se realiza en función del ciclo productivo (invierno y verano). Cuando la plántula alcanza los 15 cm de altura y a desarrollado 3 ó 4 hojas verdaderas, con una longitud de pecíolo de unos 10 cm y de limbo de hoja de 4 a 5 cm, está lista para e l trasplante, siempre que tenga una adecuado crecimiento radical. Si la plántula alcanza un desarrollo excesivo de la pare aérea en las primeras fases de semillero, hay que practicar una poda a unos 10 ó 12 cm de altura, para evitar descompensaciones en la planta entre la parte aérea y subterránea. Propiedades atribuidas al Apio E l apio se considera un ve2etal verde y crujiente, muy apetecido en ensaladas. Se considera que la raíz del apio, las hojas y las semillas de la planta ofrecen beneficios I medicinales. El jugo de apio y el extracto de la semilla se han tomado como diuréticos coadywando en el flujo adecuado de la orina a través de los riñones. Aparte de su uso como diurético natural, se le ha asociado en el tratamiento natural del sistema digestivo y e l apetito, el alivio de los síntomas de reumatismo especialmente en artritis reumatóidea, donde se presente un cuadro de depresión mental asociado, y de la gota. Se ha asociado al apio también con la promoción de la menstruación. Los estudios recientes han demostrado que ciertos productos químicos en semillas del apio pueden ayudar con la tensión arterial alta, la artritis, y la ansiedad. Los estudios hechos en ratones del laboratorio han demostrado que algunos productos químicos dentro de la semilla pueden ayudar con la prevención del cáncer. Concluyendo también que ciertos productos químicos en la semilla del apio ayudan a bajar la tensión arterial. E l apio es también rico en calcio, otro coadyuvante en bajar la presión arterial. En la siguiente tabla se presentan las propiedades nutricionales del apio: ~= b l o r nutricional del apio en 100 g de materia fresca I /Calorías (cal) - ......1i .- 17 i 1 -i k----e---" Plúcidos (q) r----*----- ~Sodio(mg) . -- -. 1 - ..- " - 110 1 " - i Los siguientes son Los constituyentes en 100 gramos de apio hervido. Constituyentes en 100 2 de apio hervido Calorías 18 9 - Grasa Total 0 !i! Colesterol 0 3! Sodio 91 rng Potasio 284 rng Carbohidratos totales 42 Fibra 12 Proteína Og Vitamina A 132 UI Vitamina C t 6 . 1 1 1 Calcio 42 rng l I Vitamina E t 0.36 ATE 1 Tiarnina I 0.043 rng I Riboflavina 0.047 mg I Niacina 0.319 mg Vitamina B-6 0.086 rng 1 Foliato 22 rncg 1 Acido Pantoténico 0.195 rng I Fósforo 25 rng Magnesio g I I Zinc 0.14 rng Extracción de principios activos de materia vegetal Los métodos de extracción utilizados para fabricar extractos vegetales, se pueden clasificar de la siguiente manera: Destilación Destilación con agua Destilación con vapor Hidrodifusión Otros tipos especiales de destilación Cohobación Rectificación Destilación con agua y vapor Fraccionamiento Expresión Expresión con esponja Écuelle a piquer Abrasión Extracción por solvente Maceración Enfleurage Lixiviación Extracción hipercritica con CO, Destilación en la fabricación de extractos Al alquimista y médico árabe Ibn Sina (también conocido como Avicenna), que vivió entre los años 980 y 1037, se debe e l inicio de la destilación con fundamentos científicos, ya que perfeccionó la destilación de vapor. E l proceso utilizado por Ibn Sina era tan bueno que permaneció sin cambios por un par de siglos. La destilación convierte e l liquido volátil que se encuentra en la trama de fibras vegetales (los aceites esenciales) en un vapor y después condensa el vapor nuevamente; es este e l método más extendido y rentable en uso hoy para producir aceites esenciales. E l lado negativo de la destilación es e l hecho de que el calor utilizado en este proceso de extracción, no es apto para su uso en materia vegetal que posee una baja resistencia al contacto con calor masivo, o donde los aceites se extraen con gran dificultad. Cuando este método de extracción se aplica, e l gran cuidado se tiene que poner en la temperatura y e l tiempo de exposición al calor para prevenir daño a los aceites de interés. Este tipo de destilación se puede clasificar en los siguientes términos: Destilación con agua Destilación con vapor (por arrastre) Destilación con agua En la fabricación de aceites esenciales usando e l método de destilación con agua, el material vegetal se sumerge totalmente en agua y el alambique se lleva a ebullición. Este método protege los aceites así extraídos hasta cierto grado, puesto que el agua circundante actúa como barrera para evitar que se recaliente. Tiene como inconveniente que otros aceites pueden descomponerse, mezclarse o diluirse. Destilación con vapor (por arrastre) Cuando se utiliza la destilación por arrastre de vapor en la fabricación y la 1 extracción de aceites esenciales, se coloca la materia vegetal en un alambique o tanque de arrastre, y e l vapor se hace pasar entre e l material a extraer. E l vapor caliente ayuda a lanzar las moléculas aromáticas del material de la planta, puesto que la energía del vapor abre los receptáculos en los que se encuentra e l aceite esencial de la planta. Las moléculas de estos aceites volátiles después se escapan del material fibroso vegetal son arrastrados junto con el vehículo de arrastre. La temperatura del vapor se debe controlar cuidadosamente. Ésta debe ser apenas lo suficiente para forzar al aceite esencial fuera de la materia vegetal; pero no deberá ser demasiado caliente, de tal forma que pueda dañar el material de la planta o el aceite esencial. E l vapor, que entonces contiene el aceite esencial, se pasa a través de un sistema de enfriamiento para condensar e l vapor, que forma un líquido del cual se separan el aceite esencial y el agua. E l vapor necesario para el proceso de destilación, se produce a mayor presión que la atmosférica, por lo que el vehículo ebulle por arriba de los 100 grados Celsius, lo que facilita la extracción del aceite esencial de la materia vegetal, a una en una velocidad mayor, lo que previene daños por exposición prolongada al calor en los aceites esenciales. Algunos aceites, son sensibles al calor (termolábiles) y con este método de destilación, se evita que e l aceite el aceite esencial se dañe por exposición. Ejemplo de lo anterior es e l acetato de linalilo, que de no usarse la destilación con vapor, se descompondría linalool y en ácido acético. Hidrodifusión Cuando se extraen los aceites esenciales usando la difusión hidráulica el proceso vana únicamente en la forma en la que el vapor se inyecta en el alambique. Es decir, que este es un tipo de destilación con vapor. Con la difusión hidráulica el vapor se alimenta desde la parte superior del alambique (tapadera) sobre e l material botánico, en vez de hacerse del fondo como en la destilación normal con vapor. La condensación del aceite esencial que contiene la mezcla del vapor 1 ocurre debajo del área en la cual se encuentra el material vegetal, mantenido en su lugar por una parrilla. La ventaja principal de este método es que se requiere menos vapor, el tiempo de exposición es más corto y se obtiene una producción mayor de aceite. Este método se utiliza cuando el aceite se extrae durante la destilación con agua, y el componente principal (por ejemplo alcohol fenil-etílico), se disuelve en e l agua de la destilación, y no forma parte del aceite esencial que se extrajo. E l aceite así extraído es, por lo tanto, incompleto, y es deficiente en este ingrediente odonfero. Para producir un aceite "completo", e l alcohol fenil-etílico se deberá destilar del agua en la cual se disolvió, y agregarse de nuevo al "aceite incompleto". a) Diseño de tratamientos Extracción de aceite esencial. En la obtención del aceite esencial a partir de apio se evaluaron las siguientes variables. Estado de la materia prima: Se utilizaron separadamente e l tallo y las hojas de apio fresco con el objeto de determinar la parte en que se muestra mayor rendimiento. Granulometria: Se evaluó e l tamaño de partícula, para determinar la influencia de esta en el rendimiento de aceite esencial. Tamaño de lote y rendimiento: Se realizo una cuantificación del tamaño de lote (Medido en Kg) y e l aceite esencial obtenido, para determinar e l rendimiento. Tiempo de extracción: Se determino e l tiempo optimo para la extracción del aceite esencial, esto a partir de correlacionar tiempo contra cantidad de aceite esencial, de manera que se pueda encontrar e l punto donde ya no es posible extraer aceite significativamente. Uno de los fines de obtener los datos de dicha variable es poder realizar cálculos en cuanto al consumo energético de la planta piloto. Selección de solvente: Se realizaron análisis a nivel laboratorio (análisis cualitativos y cuantitativos) para determinar cual tiene mayor capacidad de extracción por solubilidad l y cual de ellos produjo mayor rendimiento. Para luego realizar la extracción a nivel planta piloto. Tiempo de maceración: Con el (los) solvente(s) elegido(s) a usar se realizaron análisis cualitativos y cuantitativos para determinar e l mejor tiempo de maceración. Concentración. Para la concentración se evaluaron las siguientes variables: Estado de la materia prima: Se utilizaron separadamente el tallo y las hojas de apio fresco con el objeto de determinar la parte que muestra mayor rendimiento. Granulometna: Se evaluó el tamaño de partícula, para determinar la influencia de esta en el rendimiento de la concentración. E l extracto se transfiere a la unidad de destilación (concentración) y en este punto las variables analizadas fueron: Tiempo de concentración Fracciones que componen el extracto Temperatura de concentración Presión de vacío necesaria en la unidad Por ultimo se efectuaron los análisis fisicoquímicos y cromatográficos necesarios para tipificar y evaluar la cantidad del concentrado. b) Descripción del Método Extracción E l proceso de extracción es el tratamiento de la sustancia bruta con un disolvente apropiado que en caso ideal disuelve solo el componente deseado, permaneciendo sin disolver las demás sustancias. En realidad se obtiene una mezcla de compuestos solubles en el disolvente empleado. Posteriormente esta mezcla es tratada para separar el componente de interés de los compuestos indeseados que fueron arrastrados. Maceración Consiste en remojar la planta, debidamente fragmentada en un menstruo hasta que éste penetre en la primera estructura celular ablandando y disolviendo las porciones solubles. Se puede utilizar cualquier recipiente con tapa que no se ataque con e l disolvente, en éste se coloca la materia prima (materia vegetal), con e l disolvente y tapado se deja en reposo por un periodo de 2 a 14 días con agitación esporádica. Luego se filtra e l liquido y se exprime e l residuo. Si el material aun contuviera e l principio de interés, se repetirá el proceso con solvente fresco (puro) tantas veces como sea necesario. A nivel planta piloto los extractos vegetales se pueden concentrar si se desea o cree conveniente, transportando el extracto al calderin y efectuar una evaporación al vacío. Esto con e l fin de reducir la temperatura de evaporación del solvente y con ello evitar la descomposición de los principios activos de interés. E l solvente (luego de separado) se recupera en e l tanque de recuperación de solvente de la unidad. E l solvente obtenido puede ser utilizado para nuevas extracciónes. Obtención de Aceite Esencial La obtención de aceite esencial se realiza por arrastre con vapor de agua. El proceso es el siguiente: Se coloca la materia prima en una cámara extractora, y por aparte se calienta agua hasta ebullición. E l vapor obtenido de la evaporación, se hace pasar por la materia prima en la cámara extractora y arrastra e l aceite esencial. Luego en un intercambiador de calor, se condensa e l vapor y la mezcla se recupera en un vaso florentino 1 (ampolla de decantación continua) y por diferencia de densidades entre el aceite esencial y e l agua, se separan. E l agua que queda por debajo del aceite, contiene una porción disuelta de la esencia y se conoce como hidrolato. Los aceites esenciales se caracterizan por su olor, densidad, indice de refracción y rotación óptica. Para estudios de tipo cualitativo se recurre usualmente a la cromatografía gaseosa. c) Preparaciones Se prepararon 2 productos: Aceite Esencial y Jarabe Aceite Esencial Se obtiene directamente por extracción con arrastre de vapor de agua de la materia prima. Simplemente se recupera al finalizar la extracción o mientras se realiza la extracción (si hay suficiente). Suspensión Para su preparación se utilizó extracto de apio, azúcar, carboximetil celulosa de sodio (CMC), glicerina y alcohol etílico, que son la base del jarabe; además se utilizará benzoato de sodio como preservante, color y sabor artificiales. E l proceso de elaboración consiste en disolver la CMC en agua desionizada a baja temperatura, se adiciona e l colorante y e l saborizante. Por aparte se disuelve e l azúcar en agua desionizada también y se mezcla con la base preparada anteriormente. Por ultimo se agrega e l extracto y e l benzoato de sodio. El aceite esencial se envasó en viales de 5 mL de color ámbar, y e l jarabe se envasó en frascos de color ámbar de 250 mL. En ambos se coloco etiquetas con el l q o t i p o del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONCYT) y del Centro de Investigaciones de ingeniería (C11) así como las propiedades de cada producto y su posdqía (dosificación). Para el caso del jarabe se utilizó un tapón de rosca plástico. 7. Discusió~DE RESULTADOS En los Últimos años e l uso de plantas medicinales para la elaboración de medicamentos ha tenido auge, y la fitoquímica se plantea como un elemento importante dentro de la industria. Por esa razón, por medio de esta investigación se buscó obtener una suspensión de un extracto de apio, planta a la que se le atribuye varias propiedades medicinales (diurético y antihipertensivo), además de determinar las variables de proceso para la obtención de un extracto de apio a nivel planta piloto. En esta investigación también se buscó caracterizar el aceite esencial de apio. Durante la parte experimental del proyecto para la obtención y caracterización del aceite esencial del apio, se determinó que este solo se encontraba presente en las hojas de apio y no en e l tallo. Para la obtención del aceite esencial de las hojas de apio se utilizó e l método de arrastre con vapor, siendo necesario e l uso de una trampa de hexano de 400 mL. E l aceite se separó del hexano por medio de un rotavapor, y se obtuvo un rendimiento del 0.04% (porcentaje en masa, de aceite obtenido por cantidad de materia prima). E l tamaño de lote óptimo para la extracción de aceite puede variar de 2 a 3 kilogramos de hojas, y el tiempo de extracción recomendado es de 24 min/kg de materia prima. Con los anteriores parámetros se logró optimizar la obtención de aceite esencial; sin embargo, la industrialización del aceite esencial de hojas de apio no es recomendable, ya que presenta un rendimiento bastante bajo. A pesar del bajo rendimiento de obtención de aceite esencial de hojas de apio, si se logró caracterizar e l mismo. Se determinó que tenía un densidad de 0.75 g/ml, un índice de refracción de 1.3842, una ligera acidez (pH entre 6.3 y 6.44 a 25°C) y un punto de congelación de menos de - 15 " C. Al aceite esencial se le realizó un perfil cromatqrafico en e l Laboratorio de Análisis Instrumental de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia, observándose la presencia de tres componentes: limonelo, 8-cariofileno y felandreno. De estos tres componentes e l que se encuentra en mayor cantidad es el limonelo. Para la obtención de un extracto de apio con las mejores propiedades y características, se compararon 4 diferentes combinaciones: extracto acuoso de hojas, extracto etanólico de hojas, extracto acuoso de tallo y extracto etanólico de tallo. Se l l q ó a determinar que e l mejor extracto es e l acuoso de hojas, ya que era e l que mayor metabolitos secundarios contenía, según el perfil cromatográfico realizado en e l Laboratorio de Investigación de Productos Naturales-LIPRONAT- de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia de la USAC. En este análisis se evaluaron los metabolitos secundarios más importantes, encontrándose que en los dos extractos acuosos estaban presentes flavonoides, saponinas y cumarinas, aunque en mayor cantidad para el extracto acuoso de hojas. En el caso de los extractos etanólicos, se encontraron presentes únicamente flavonoides y cumarinas. La presencia de flavonoides es la que le da las propiedades diuréticas al apio, según se reporta en Investigación fitoquímica de Olga Lock de Ugaz. También se reporta las propiedades diuréticas y expectorantes de las saponinas, en Farmacognosia de Karla Kuklinsk. Las cumarinas poseen también propiedades antihipertensivas, ya que pueden ser vasodilatadores, con lo que reducen la presión arterial, esto según Karla Kuklinsk. Para la obtención de los extractos de apio, primero se realizó un cocido de la parte de la planta a analizar y luego una concentración con vacío. Para e l caso de la obtención del extracto acuoso de hojas, elegido como e l mejor extracto, las variables del proceso de cocción fueron las siguientes: lotes desde 1 a 4 kilogramos de hojas, con 7.42 Litros de agua por cada kilogramo de hojas, tiempo de cocción de 1/CL hora. Para los demás extractos las condiciones de cocido fueron las mismas, exceptuando e l solvente y la parte de la planta, esto con e l fin de poder compararlos. Luego de la cocción de las hojas de apio, se procedió a la obtención de un extracto, el cual se obtuvo por medio de la concentración del cocido antes mencionado. El volumen a concentrar depende del proceso de cocido (tamaño del lote) y varía desde 15 a 30 Litros, los cuales se concentran durante 3.48 minutos por cada litro de cocido. La concentración se debe llevar a cabo a unos 45 "C para que no haya una degradación térmica de los componentes activos del apio, esto se logra utilizando una bomba de vacío que genere una presión de vacío de -0.7 bar. Para obtener un producto medicinal proveniente del apio, se procedió a elaborar una suspensión de extracto acuoso de hojas de apio y no un jarabe, ya que para la elaboración de este último es necesario que e l extracto sea completamente soluble en agua, lo cual no fue posible porque e l extracto contenía algunos sólidos disueltos. La formulación de la suspensión se llevó a cabo tomando en cuenta las características requeridas para la misma. En el caso del azúcar, se utilizó para darle sabor dulce a la suspensión. E l benzoato de sodio se utilizó como preservante, ya que es necesario que una suspensión tenga una vida de anaquel de por lo menos un año, a temperatura ambiente. Para espesar la suspensión y darle homogeneidad se utilizó carboximetil celulosa de sodio-CMC. Para espesar también se utilizó almidón. Para darle la acidez necesaria se utilizó ácido cítrico anhidro. Como saborizante se utilizó esencia artificial de cereza, y como colorante al colorante rojo FDBC No.3. Para diluir la suspensión se utilizó agua potable purificada C.S.P. Y por último como agente activo al extracto acuoso de hojas de apio. También se le a g r q ó otros aditivos como glicerina y alcohol etílico al 95%) la primera para darle cuerpo y suavidad a la suspensión, y e l segundo para acentuarle e l sabor artificial a la suspensión. El costo de producción de la suspensión hecha en base al extracto acuoso de apio a nivel planta piloto, para una presentación de 250 mL, fue de Q. 12.50. Este costo se reduciría hasta el 70% al producirla a nivel industrial. De igual manera el costo de producción de aceite esencial que es de Q. 222.22 1 mL de aceite, se reduciría hasta un 70% 1 al producirla a nivel industrial. 1. Se encontró aceite esencial en las hojas de apio, pero no en el tallo. 2. Para la extracción de aceite esencial de hojas de apio, es necesario un tiempo de 24.03 min/Kg de hojas, para lotes entre 2 y 3 kilogramos. 3. Para la obtención de aceite esencial de apio es necesario e l uso de una trampa de hexano de 400 mL 4. Se obtuvo un rendimiento máximo de extracción de aceite esencial de 0.04% en masa de hojas de apio, por lo que se considera que no es rentable su explotación a nivel industrial. 5. Se encontró que las principales propiedades fisicoquímicas del aceite esencial fueron, el índice de refracción de 1.3842, la densidad de 0.7507 g/mL, e l pH a 25°C de 6.3 a 6.44 y el punto de congelación por debajo de los -15" C. 6. E l limonelo es e l componente que se encuentra presente en mayor cantidad en e l aceite esencial de hojas de apio. 7. E l extracto con mejores características es e l obtenido a partir de hojas de apio, y utilizando como solvente agua. 8. Los metabolitos secundarios mas importantes encontrados en el extracto acouso de hojas de apio fueron los flavonoides (naringenina, quercetina, ácido clorogénico), las saponinas (colesterol, saponina) y las cumarinas (cumarina, ácido p-cumárico). 9. El tiempo necesario para la concentración de cocido de apio es de 3.84 min/litro de cocido, y la temperatura para la concentración debe ser de 45"C, con una presión de vacío de -0.7 bar. 10. EL costo de producción de la suspensión hecha en base al extracto acuoso de apio a nivel planta piloto, para una presentación de 250 mL, fue de Q. 12.50. 11. El costo de producción de aceite esencial de hojas de apio a nivel planta piloto fue de Q. 222.22 / mL de aceite. 1. Dar a conocer la presente investigación tanto a los productores de apio como a la industria farmacéutica nacional para aprovechar su potencial medicinal. 2. Buscar más alternativas de aprovechamiento del apio para darle un valor agregado a esta hortaliza de gran producción en Guatemala. 3. Determinar los mecanismos de obtención de otros productos medicinales alternativos como pastillas o jarabe a partir del apio 1. Lock Ugaz, Olga. "Investigación fitoquímica, métodos en e l estudio de productos naturales". 2da edición, Fondo Editorial de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Perú, 1994. 2. Kuklinski, Claudia. "Farmacognosia, Estudio de las drqas y sustancias medicamentosas de origen natural". 1ra edición, Ediciones Omega S.A. España, 2000. 3. Austin, George T. "Manual de procesos químicos en la industria". 5ta edición en ingles, l a en español, Editorial McGraw-Hill, Tomo II, traducción Matilde Eva Espinoza. México, 1988. 4. De Raflos, W. "Aprovechamiento industrial de los procesos agrícolas" l a edición, Editoriales SALVAT S.A. Barcelona, 1981. 5. Guenther, E. 'The Essential Oils". Vol. 1, II. D. Van Nostrad Co. Inc. Nueva York, 1956. 6. Puhlow, M. "El gran libro de las plantas medicinales" 6a edición, Editorial Everest. Traducción J. TOLA Y Joho Herrera. España, 1985. 7. Ques, Font P. "Plantas Medicinales". 9a edición, Editorial Alson. España, 1985. 8. 'The domestic production of essential oils from aromatic plants" bulletin, National Farm Chemurgic Council, Columbus, Ohio, 1968. 9. Revista de La Gremia de Exportadores de Guatemala, Agosto de 1997. 10. Muñoz, M. (1992) "Destilación pos arrastre con vapor de agua". Practica No. 10, Experimento No. 1, Guatemala. 11. Perry & Chilton. "Manual del Ingeniero Químico" 6a edición, Editorial McGraw-Hill. México, 1991. 12. www.sportw.com/salud/fitoterapia/a/afitoterapiaa. htm 13. www.ctv.es/users/fchsl/especias. htm 16. www. puc.cl/sw~educ/hort0498/HTML/p017.html 17. www. hcvn.com/home/home.html 18. www.oviedocomercial.com 19. www.abuela.es.org/platasm/apio.htm 20.www.members.fortunecity.es/natura2001Iindex. html Apéndice A Datos, cálculos y tabulaciones para extracción de aceite esencial de de apio. A. 1 Datos de tamaño de lote, tiempo de extracción y tipo de materia prima utilizada. Tamaño de lote (Kg) 8.16 7.71 Corrida 1 2 5 6 7 Tallo v hoias Tallo Hojas 4.54 3.17 3 4 1 Materia prima 1 0.8 2.64 1 Tiempo de extracción (min) 80 92 Hojas 1 2.49 Hoias Hojas 1 Hojas 80 80 45 81 60 2.72 1O 3 12 3.5 Hojas 70 13 14 3.5 3.5 Hojas Hoias 70 70 15 16 17 1 3.63 3.63 3.63 1 70 Hojas Hojas 80 Hoias 75 8 P P P P 1 1 1 Hoias Hojas Hojas 1 1 70 70 70 18 3.63 Hojas 70 Tabla No. 1 Tabulaciones de tamaño de lote, tipo de materia prima y tiempo de extracción de las corridas de extracción de aceite esencial de apio. A.2 Datos de volumen de hexano utilizado en cada corrida de extracción de aceite esencial de hojas de apio. 1 / 18 400 Tabla No. 2 Tabulaciones de volumen de hexano utilizado para cada corrida de extracción de aceite esencial de apio. A.3 Datos de volumen de aceite esencial recuperado a partir de la materia prima y tamaño de lote. Tamaño de lote (Kg) Aceite recuperado 1 2 8.16 7.71 Materia prima Tallo y hoias Tallo 6 7 8 2.64 Hojas 0.7 2.49 2.72 Hojas Hojas 0.8 0.6 Corrida @-u O O 4.54 Hojas 3-O 3.17 Hojas O 4 0.7 0.8 Hojas 5 Hojas 0.7 2.5 91O 11 0.8 1.6 3 Hojas 4 Hojas p p p p 16 17 1 1 1 3.63 3.63 1 Hojas 1 Hojas 1 1.5 1 1.4 1 1 18 1 3.63 ( Hojas 1.4 Tabla No. 3 Tabulaciones del volumen de aceite esencial recuperado a partir de la materia prima y tamaño del lote. I A.4 Medidas de tendencia central para e l tamaño de lote, Tiempo de extracción, volumen de hexano, y aceite recuperado. Aceite recuperado (mL) Moda: 1.4 Media: 3.18 Vananza: 0.131 6 Desviación estándar: 0.3629 Tamaño de lote (Kg) Moda: 6.63 Media: 3.18 Varianza: 3.004 Desviación estándar: 1.7331 Tiempo de extracción (rnin) Moda: 70 Media: 76.43 Varianza: 97.19 Desviación estándar: 9.8586 A.5 Graficas que representan el comportamiento del lote en la extracción de aceite esencial de apio Masa Vrs Tiempo de extracción T m a b de lote (Kg) .-. ~ ~ ... .-p.-.. - ~~ - -- ~ ~~~ .. Figura No. 7 Grafica que representa el tiempo de concentración en función del tamaño del lote. Vol unen de &te recuperado Vrs tamaño & lote TmWo de lote - - - - p - - --- -- - -- - -- -- - (m) - . - - - l Figura No.2 Grafica que representa el volumen de aceite esencial de hojas de apio en función del tamafio del lote. Vol unen de aceite recuperado Vrs Tienpo de extracción I - - -- -- - - - l J Figura No.3 Grafica que representa el volumen de aceite esencial de hojas de apio en función del tiempo de extracción Apéndice €3 Datos, cálculos y tabulaciones para el cocido de apio. B. 1 Datos de tamaño de lote, tiempo de concentración, tipo de solvente utilizado y tipo de materia prima utilizada. 30 Agua 4.08 9 Hojas Tabla No. 4 Tabuiaciones de tamafio de lote, tipo de materia prima, tiempo de extracción y tipo de solvente de las corridas de cocción de hojas y tallos de apio 0.2 Datos de volumen utilizado en función del solvente y materia prima utilizado. 1 1 Materia Solvente 1 Volumen 1 inicial (L) prima 1 Agua Hojas 15 Hojas Tallos Tallos Etanol Hojas Agua 27 Hoias Etanol 27 7 Tallos 27 Agua 8 27 Tallos , Etanol Hojas 9 Agua 27 Tabla No. 5 Tabulaciones de volumen utilizado en función de solvente y materia prima utilizado de las corridas de cocción de hojas y tallos de apio. Corrida 1 # I B.3 Medidas de tendencia central para e l tamaño de lote y volumen inicial para el cocido de apio. Tamaño de lote (Kg) Moda: 4.08 Media: 3.53 Varianza: 1 .O130 Desviación estándar: 1 .O065 Volumen inicial (L) Moda: 27 Media: 26.2 Varianza: 30.2777 Desviación estándar: 5.5025 8.4 Gráficas que representan el comportamiento del lote la realización de cocido. M asa Vrs Volumen agregado 1 Tamaño d e lote (Kg) I 1 - _ -- -_ _ p . - -- - -- I -- Figura N O . ~Grafica que representa el volumen de solvente agregado en función del tamaño del lote. Apéndice C Datos, cálculos y tabulaciones para e l concentrado de apio C. 1 Datos de volumen del lote (Volumen inicial), tipo de materia prima y tipo de solvente. Tabla No. 6 Tabulaciones de volumen utilizado (volumen inicial) en función de solvente y materia prima. C.2 Datos del volumen final y tiempo de concentración en función de la materia prima y solvente utilizado. / 9IHojas (Agua 1.51 92 Tabla No. 7 Tabulaciones de volumen final y tiempo de concentración en función de solvente y materia primo. 1 1 9IHojas ]Agua -0.71 46 Tabla No. 8 Tabulaciones de la presión de vacío y temperatura en función de la materia prima y solvente utilizado. C.3 Medidas de tendencia central para el tamaño de lote, Tiempo de extracción, volumen de hexano, y aceite recuperado. Volumen inicial (L) Moda: 25 Media: 24.6 Varianza: 23.61 Desviación estándar: 4.86 Volumen final (L) Moda: 1.4 Media: 1.19 Varianza: 0.5867 Desviación estándar: 0.7659 Tiempo de concentración {min) 1 Moda: 80 Media: 94.5 Varianza: 99.25 Desviación estándar: 9.96 C.4 Gráficas que representan el comportamiento de la concentración de los cocidos de apio. Volunen final Vrs Volunen inicial O 5 1O 15 20 25 30 35 ~ l Volunen iriicid (L) l 1 Figura No.5 Grafica que representa el volumen final de al concentración en función del volumen inicial. de concentracion Vrs Volunen inicial Ti- Volunen find (L) -- -- - - -- -- - -- - - -- - - - Figura No.6 Grafica que representa el tiempo de concentración en función del volumen inicial. Apéndice D Fotos del equipo y proaucros Figura No. 1 Vista frontal del Concentrador Figura No.2 Vista frontal del Coric~ntradnr Figura No.3 Vista frontal de la caldera Figura No.4 Vista frontal del concentradoi ~ i & ; a No. 5 Vista Lateral del concentrador Apéndice E ESTADO FINANCIERO Caracterización y aprovechamiento del extracto del aceite esencial del Apio (Apium Graveolens) para uso Fitofamacéutiw, a través de un proceso de destilación a nivel de Planta Piloto 41-01 Ing. José Eduardo Calderón Garcia Q.143,880.00 02-Sep-02 02-Oct-03 Nombre del Proyecto Número de proyecto: Investigador Principal: Monto autorizado: Fecha de Inicio y Finalización: Gru Ren po glon TRANSFERENCIA Asignación Presupuesta ria Nombre del Gasto En Ejecución - Mas(+) Menos(-) Pendiente de ejecutar ejecutado l 1 1 2 1 1 1 1 1 181 l~studios,investigaciones y proy, de Fact. IMateriales y Suministros I 214 1Produc. Agroforestales, madera, corcho. 261 l~lementosy compuestos quimicos 262 l~ombustiblesy Lubricantes 1 1 1 1 ( 1 3 1 1 1 / 1 y de Lab. 297 IÚtiles, accesorios y mat. Eléctricos \propiedad, Planta y Equipo 323 l ~ q u i p omédico-sanitario y de Laboratorio 329 /otras Maquinarias y equipo 914 I ~ a s t o no s Previstos (5%) (-) IGastos Administrativ Monto Autorizado ( - ) Ejecutado Sub-Total ( - ) Apertura de Caja Chica r(:)rAC PENDIENTE DE EJECUCION 1 1 Q.74,800.00 Q.7,000.00 Q.2,000.00 Q.4,000.00 Q.2,000.00 1 1 1 Q.74.800.00 1 Q.2,360.71 1 1 1 1 Q.1,000.00 1 Q.l.OOO.OO ( Q 1,360 71 Q.1,000.00 ) ) 1 Q.15,000.00 / 1 Q.1,000.00 1 1 1 1 Q.315.00 Q.6500 Q.250.00 1 Q.469.50 Q.47.50 Q.1,017.10 Q.94.00 Q.81.79 Q.476.61 ( ~.15- 1 1 Q.330.00 ) Q.o.00 1 ( Q.4,169.79 Q.2,952.50 Q.1,982.90 Q. 1,906.00 Q.1,278.92 Q.523.39 1 Q.250.00 Q.355.00 1 / 1 1 1 1 1 Apéndice F Análisis cromatograficos del aceite esencial de hojas de apio y análisis fotoquímicos del extracto acuoso de hojas de apio, extracto acuoso de tallo de apio, extracto etanolico de hojas de apio y extracto etanolico de tallos de apio. Uh'IVECSiUN3 DE VAN CAiíLOS DE CUATEXIALA FACULTAD DE Cü. QQ. Y FmIACIIP Edificio "T-12" Ciudad Universitaria, zona 12 Guatemala, Ccntroam6rica UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CC.QQ. Y FARMACIA, ESCUELA DE QUIhrlICA UNIDAD DE ANALISIS INSTRUMENTAL -UAITeléfono Directo: 476-9834 l No. RECIBO Il TELEFONO: 4763992 l NLT: 841555-4 DIRECCION: Ciudad de Guatemala. NOMBRE SOLICITANTE: Ing. Eduardo Calderón 1 DESCRIPCION Y PROCEDENCIA DE LAS MUESTRAS: Extracto Acuoso de Apio. ' ANALISIS SOLICITADO: Perfíí Cromatografico 1 1 Una l , 1 COSTO TOTAL Q. 250.00 Q. 250.00 1 RECIBIDO POR: PJ No(s) Registro: oxno~ 90 UKII~EliCliIADDE SAN CMLOS DE GUATEhlALA FACULTAD DE CC. QQ. P FARnIACIA Edificio "T-12" Ciudad Universitaria. zona 12 Guatemala. Cenboam&rica LTNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEAMALA FACULTi4D DE CC-QQ. Y FARnliACIA, ESCUELA DE QUIhlIClZ UNIDAD DE ANALISIS INSTRUMENTAL -UAITeléfoiio Directo: 476-9844 EMPRESAíiNSTITUCION: SENACYT TELEFONO: 4763992 . NO. RECIBO 1 NIT: 841585-4 DIRECCION: Ciudad de Guatemah. NObIí3RE SOLICITANTE? Ing. Eduardo Calderón DESCRIPCION Y PROCEDENCIA DE LAS MITESTRAS: Extracto Acuoso de Apio. 1 ANALISIS SOLICITADO: PerN Cromat~gráfico CANTIDAD DE MUESTRAS Una RECIBIDO POR: PJ No(s) Regstro : nxn~i3~ COSTO/ANÁLISIS Q. 250.00 COSTO TOTAL Q. 250.00 Fecha: 05/09/2003 Laboratorio de Investigación de Productos Naturales (LIPRONAT) Perfil Crornatográfico de Extracto acuoso de Apio Solicitante: Facultad de Ingeniería Química Fecha de ingreso: 01/09/03 No. de Informe L-114 Técnica: Ensayos macro y semimicro (EM), reacciones de coloración y precipitación, y croinatografia en capa fina (CCF) para realizar el tamizaje fitoqiiímico del extracto. Características de la muestra: Ex-acto fiiiido, color verde, olor característico. Resultados: Extracto acuoso de apio hoja Metabolitos 1 RESULTADOS RESULTADOS Analizados EM CCF (Rf) cc-t Flavonoides 0.5,0.58 --Alcaloides -+++ Saponinas 0.17,0.35,0.41,0.49 Antocianinas / --1 ____ Estándar 0.48; 0.58 / 0.56 10.72 1 Estándares: Flavonoides: naringenina, quercetina, ácido clorogénico, nitina AlcaIoides: papaverina, atropina Saponinas: colesteroI, sapoliinas Antocianinas: rojo de sudan Cuinarinas: cuinarina, ácido p-cumárico 1 Laboratorio de Investigación de Productos Naturales (LIPRONAT) Perfil Cromatográfico de Extractos de Apio Solicitante: Facultad de Ingeniería Química Fecha de ingreso: 02/04/03 No. Informe: L-113 Técnica: Ensayos macro y semimicro (EM); reacciones de coloración y precipitación, y cromatografia en capa fina (CCF) para realizar el tamizaje fitoquímico de los extractos. Características de la muestra: Extracto fluído, color verde, olor característico. Resultados: I 1 Taninos Resultados CCF (M Resultados EM Metabolitos Analizados --- --- --- --- --- --- Ext 1: Extracto etanólico tallo Ext 3: Extracto etanólico hoja Ext 2: Extracto acuoso tallo Ext 4: Extracto acuoso hoja Estándares: Flavonoides: naringenina, quercetina, ácido clorogénico. Alcaloides: papaverina. Saponinas: colesterol, saponina. Curnarinas: cum-&na, ácido pcumárico. --- i --- Laboratorio de Investigación de Prociuctos Naturales (LIPRON AT) Perfil Croniatográfico de Extractos de Apio Interpretación de Resuitados: Se realizó el pertil crornatogrático de 4 estractos de apio, se evaluaron los mctabolitos secundarios más iinportantes, encontrándose la presencia de flavonoides, saponinas y cumarinas mediante croinatopaiía en capa fina, al realizar los ensayos macro y semimicro se evidenciaron cambios de coloración, fluorescencia intensa y precipitación para flavonoides y cumarinas; en la evaluación de saponinas mediante la prueba de espuma, no hubo formación de espuma en los extractos etanólicos únicamente en los extractos acuosos de tallo y hoja, siendo más abundante en el extracto acuoso de la hoja. No se evidenció la presencia de alcaloides, aníocianinas, antraquinonas, ni taninos. Existen algunas diferencias entre los extractos ya que las bandas que se presentaron en cada uno de los extractos no son coinpletamente iguales. Para flavonoides y saponinas se presentaron mayor número de bandas en el extracto etanólico tallo. Para flavonoides los estractos etanólico tallo y acuoso tallo presentan bandas con los mismos Rf que el de los estándares, en el caso de las saponinas las bandas del extracto etanólico tallo, etanólico hoja y acuoso tallo presentan similitud al de los estándares.