Highlights

1. Se realizó el estudio de P. subspathualta encontrando un nuevo quimiotipo en la región de Nariño.

   El diseño experimental permitió encontrar valores óptimos de potencia y tiempo de 800 W y 81 min.

   El rendimiento de extracción por microondas fue de 1,49 % versus 1,15 % por el método convencional.

   Se reporta por primera vez la optimización de las áreas cromatográficas para el género Peperomia.

   El estudio contribuye al estudio de especies de la familia Piperaceae en el suroccidente colombiano.

Highlights

1. The study of P. subspathulata was conducted, identifying a new chemotype in the Nariño region.

   The experimental design allowed the determination of optimal power and time values of 800 W and 81 min.

   The extraction yield by microwave was 1.49% versus 1.15% using the conventional method.

   For the first time, optimization of chromatographic areas for the genus Peperomia is reported.

   The study contributes to research on species of the Piperaceae family in southwestern Colombia.

1. INTRODUCCIÓN

La obtención de aceites esenciales de plantas aromáticas se puede realizar mediante diversos métodos de extracción como la hidrodestilación, destilación por arrastre con vapor y extracción con disolventes. Sin embargo, en los últimos años la hidrodestilación asistida por microondas ha tenido gran aceptación ^[1]. Esta técnica se destaca por sus mejores rendimientos y menores tiempos de extracción, reduciendo el consumo energético, lo que resulta en procesos más sostenibles en comparación con métodos convencionales. Estas ventajas no solo minimizan el impacto ambiental, sino que también incrementan la viabilidad industrial, haciéndola ideal para aplicaciones en sectores como cosméticos, agroquímicos y alimentarios^[1]. Sin embargo, la hidrodestilación asistida por microondas presenta varias condiciones que pueden modificar el rendimiento, el perfil fitoquímico y la calidad de los aceites esenciales, lo que hace necesario optimizar los parámetros mediante métodos estadísticos como el de superficie de respuesta ^{[2], [3].} Esta metodología permite identificar qué condiciones hacen que la variable de respuesta estimada alcance un valor óptimo ^[4].

En la actualidad muchos estudios enfocados en la extracción de fitoquímicos de diferentes matrices utilizan esta metodología para encontrar los valores óptimos de rendimiento, y la interacción entre las variables que afectan el proceso, donde se considera de gran importancia el tiempo y la potencia utilizada como es el caso de la extracción de cafeína ^[5], o volátiles ^[6]-[8]. Estudios realizados en aceites esenciales comerciales extraídos de lavanda ^[9], romero ^[10] y albahaca ^[11]. han permitido optimizar las condiciones de extracción, obteniendo mejoras significativas tanto en los tiempos del proceso como en los rendimientos, con resultados comparables o incluso superiores a los alcanzados en el método convencional. Otro parámetro importante que se considera es el área cromatográfica de los componentes marcadores en el aceite esencial; es por ello, que se realiza un perfil cromatográfico del aceite esencial para evaluar cómo afectan los factores y cuáles son los valores óptimos del área para cada metabolito ^[12].

En el caso de la hidrodestilación asistida por microondas, la radiación empleada sigue mecanismos de transferencia de masa y calor en la misma dirección, desde el interior hacia el exterior de las células vegetales. Esto contrasta con la extracción convencional, donde los procesos ocurren en direcciones opuestas, generando pérdidas y mayor consumo energético ^[13]. La interacción de este tipo de radiación con la muestra permite la ruptura de las células del material vegetal de manera eficiente y realizar el calentamiento de los componentes volátiles y del disolvente a través de los mecanismos de conducción iónica y rotación dipolar lo cual, mejora los rendimientos en menor tiempo. La absorción de este tipo de radiación generalmente es directamente proporcional a la constante dieléctrica del disolvente, razón por la cual se usa agua puesto que no genera procesos de contaminación ambiental en este método de extracción ^[14].

La producción de aceites esenciales en Colombia tiene un gran potencial para aplicaciones en sectores como la industria alimentaria, cosmética y agrícola, con la posibilidad de generar ingresos económicos significativos. En 2023, se reportaron dividendos de 42,79 millones de dólares, con un crecimiento anual estimado del 6 % ^[15]. Lo anterior ha incentivado un interés creciente en el país de especies vegetales, tanto endémicas como introducidas y en familias o géneros con gran diversidad con el propósito de encontrar nuevos quimiotipos con altos rendimientos, basados en nuevas técnicas de extracción que permitan optimizar las materias primas y generar un menor consumo energético.

Entre las especies vegetales, se destaca la familia Piperaceae, que cuenta con más de 600 especies en Colombia ^[16]. y un uso amplio en la medicina tradicional. Los géneros más representativos son Piper y Peperomia.

Un análisis en la base de datos Scopus sobre el estudio de aceites esenciales muestra una diferencia significativa entre los dos géneros en el cual se reportan más de 1236 resultados para el primero incluyendo 32 estudios en Colombia (Figura 1), mientras que solo se encuentran 45 estudios para el segundo con solo 3 reportes en el país (Figura 2), donde las áreas relacionadas con las ciencias agrícolas, ciencias biológicas y ciencias químicas tienen mayor impacto. Algunos quimiotipos de aceites esenciales de esta familia incluyen algunos fenilpropanoides como safrol, miristicina y elemicina en especies como Piper rivinoides^[17],Piper xylosteoides^{[18], .}Piper caninum^[19],Piper hispidinervum, Piper auritum, Piper marginatum^{[20], [21].} los cuales han demostrado propiedades antimicrobianas y antifúngicas ya sean solos o en mezclas con medicamentos, llegando a inhibir cepas resistentes.

Figura 1.
Reportes de investigaciones realizadas en el género Piper
Fuente: Elaboración propia a partir de Scopus.

Figura 2.
Reportes de investigaciones realizadas en el género Peperomia
Fuente: Elaboración propia a partir de Scopus.

En el caso del género Peperomia, los escasos estudios realizados en Colombia indican un campo de investigación amplio por explorar, especialmente en procesos de optimización mediante metodología de superficie de respuesta. Tan solo dos estudios se han realizado utilizando la extracción por hidrodestilación convencional uno en P. subspathulata^[22] y otro en P. galioides^[23]. ambos en Cundinamarca con rendimientos de 0,16 % y 0,3 %, respectivamente. También se encuentran dos estudios utilizando el método asistido por microondas, uno en el oriente en Arauca, donde se utilizó material vegetal fresco de cada especie y con bajos rendimientos, para P. angustata, P. glabella, P. pellucida y P. serpens con valores de 0,0032 %, 0,0033 %, 0,06 % y 0,02 %, respectivamente ^[24], y otro en la costa Caribe donde se realizó el análisis de P. pellucida; sin embargo, no reportan el rendimiento ^[25]. Estos datos brindan una oportunidad de búsqueda de nuevas fuentes de especies aromáticas de este género que puedan brindar mayor cantidad de aceites esenciales y metabolitos activos en mayor concentración, en áreas de gran biodiversidad como lo es el suroccidente colombiano.

En el departamento de Nariño, la familia Piperaceae es representativa de los bosques húmedos tropicales, incluyendo los géneros Piper y Peperomia. Estas últimas son plantas arbustivas que crecen desde el nivel del mar hasta los 3500 msnm. En los páramos zonales cercanos a la Laguna de la Cocha ^[26]. se cultiva Peperomia subspathulata, conocida tradicionalmente como “congona”, y valorada en la medicina tradicional por sus propiedades terapéuticas, especialmente en varios municipios de la región ^[27].

En la actualidad no hay reportes previos sobre las especies del género Peperomia orientados hacia la extracción y caracterización de sus aceites esenciales en este departamento. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue optimizar la extracción del aceite esencial de Peperomia subspathulata de Nariño mediante el método asistido por microondas utilizando un diseño experimental factorial y se compararon los rendimientos con los obtenidos en el método convencional.

2. METODOLOGÍA

2.1 Reactivos

El sulfato de sodio anhidro grado reactivo fue adquirido de Panreac (Barcelona, España), la mezcla de estándares de n-alcanos (C7-C30) de Sigma-Aldrich (St. Louis, EE. UU.). Los reactivos fueron usados directamente sin purificación adicional.

2.2. Material vegetal

Se recolectaron 10 kg de hojas de P. subspathulata en la vereda El Motilón, corregimiento de El Encano, del municipio de Pasto, con coordenadas 1° 07’ 14” N, 77° 10’ 14” W en el mes de septiembre del 2021. La especie vegetal fue identificada de acuerdo con el código COL-612215 el cual reposa en el Herbario Nacional Colombiano (COL). El material vegetal se secó a temperatura ambiente obteniendo 3,05 kg y se procedió a su extracción.

2.3. Proceso de optimización del rendimiento del aceite

Para este proceso se aplicó un diseño experimental factorial 3² considerando dos factores (potencia y tiempo) con tres niveles, cada uno por triplicado (Tabla 1).

Se utilizaron los gráficos de efectos principales para conocer la correlación de los factores con la variable de respuesta y se establecieron los parámetros óptimos con la metodología de superficie de respuesta a través del software Statgraphics Centurión versión 19.6.04, ajustada al siguiente modelo (1)

(1)

2.4. Extracción asistida por microondas

Se emplearon 70 g de hojas secas trituradas manualmente, se utilizó 1,1 L de agua desionizada y las extracciones se realizaron en un microondas convencional marca Haceb modelo 1.1 99822D (1000 W; 2,45 GHz) en intervalos de 15 min, la variable de respuesta fue el rendimiento del aceite (Figura 3). Se utilizó agua como sistema de refrigeración a 4°C. Concluido el tiempo de extracción se separó el aceite esencial, se eliminaron los residuos de humedad con sulfato de sodio anhidro, y se almacenó en un vial ámbar en refrigeración hasta su posterior análisis cromatográfico. El porcentaje de rendimiento se calculó en base seca (% m/m).

Figura 3.
Sistema de extracción asistido por microondas
Fuente: elaboración propia.

2.5. Proceso de optimización del área cromatográfica de los componentes mayoritarios

Como compuestos mayoritarios en el aceite esencial de P. subspathulata se identificaron safrol, miristicina y alfa-bisabolol (Figura 4). Para los dos últimos, se utilizó el mismo diseño experimental factorial. El proceso de optimización se llevó a cabo mediante el método de superficie de respuesta, lo que permitió encontrar los valores óptimos para cada componente.

Figura 4.
Estructuras de los compuestos mayoritarios en el aceite esencial de P. subspathulata
Fuente: elaboración propia.

2.6 Análisis estadístico

Se utilizó la prueba ANOVA para analizar los datos con un nivel de significancia del 95 %, se incluyó el estadístico de Durbin-Watson para el análisis de los residuos.

2.7 Extracción por hidrodestilación Clevenger convencional

Para este proceso se tomó 100 g del material vegetal seco, se molió manualmente, se utilizó 1,1 L de agua desionizada y se realizó la extracción por hidrodestilación tipo Clevenger por 3 horas en una plancha de calentamiento. Concluido el tiempo, se separó el aceite esencial, se eliminó el agua remanente con sulfato de sodio anhidro, se trasvasó a un vial ámbar y se mantuvo bajo refrigeración hasta el análisis cromatográfico. El porcentaje de rendimiento se calculó en base seca (% m/m) y el procedimiento fue realizado por triplicado.

2.8 Análisis por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas

Los análisis fueron realizados en un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas marca Shimadzu GC-MS QP 2010S bajo las siguientes condiciones: se utilizó una columna SHRXI-5MS (30 m x 0,25 mm x 0,25 μm, Shimadzu), el gas de arrastre fue helio UAP, un volumen de inyección de 1,0 μL, la temperatura del inyector fue de 250°C y la inyección se realizó en modo Split 1:50, la temperatura de la interfase fue de 280°C, la rampa de temperatura utilizada fue: 40°C x 5 min, aumentando a una proporción de 5°C/min hasta 250°C y se mantuvo a esta temperatura por 15 min. Los espectros de masas fueron obtenidos en modo full scan de 35 – 400 uma, por impacto electrónico a 70 eV. Los compuestos fueron identificados por comparación con los espectros de masas de las librerías NIST y Wiley, los índices de retención y con datos de la literatura ^{[28], [29].} Los índices de retención se calcularon de acuerdo con (2)

(2)

donde:

1. Pz: número de carbonos de la parafina previa al analito

   RT(x): tiempo de retención del analito (min)

   RT(Pz): tiempo de retención de la parafina previa al analito (min)

   RT (Pz+1): tiempo de retención de la parafina posterior al analito (min)

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Proceso de optimización por microondas y análisis estadístico

El diseño experimental se llevó a cabo utilizando el método asistido por microondas y se estructuró mediante un diseño factorial 3² de manera aleatoria y por triplicado en términos de la variable rendimiento en hojas. Para el análisis de los datos se usó el software Statgraphics. Los resultados obtenidos para los 27 experimentos se presentan en la Tabla 2.

El gráfico de efectos principales muestra un comportamiento creciente del rendimiento en función de la potencia y no lineal creciente en función del tiempo como se observa en la Figura 5.

Figura 5.
Gráfico de efectos principales para el rendimiento en hojas
Fuente: elaboración propia.

Trabajos previos han demostrado cómo el uso de la radiación de microondas permite el rompimiento de las células al interior del material vegetal, como se ha evidenciado mediante estudios de microscopía electrónica de barrido (SEM), facilitando la liberación de metabolitos secundarios ^{[30], [12].} Algunos factores clave a considerar en la potencia de extracción son la tasa de transferencia de calor y el transporte de metabolitos, ya que ambos aumentan proporcionalmente a la energía suministrada, proporcionando mayores rendimientos en tiempos más cortos. Sin embargo, el uso de altas potencias puede generar la degradación de compuestos ^{[31], [32].} o la pérdida de componentes muy volátiles afectando el rendimiento de extracción ^{[33], [34].}

De manera similar, en el caso del tiempo, se debe tener en cuenta el calentamiento debido a la transferencia de calor del disolvente, que posee un alto valor de constante dieléctrica. Esto permite que la extracción alcance un valor máximo, determinado por la tasa de solvatación de los compuestos en la matriz, tras lo cual el rendimiento permanece constante o disminuye. Para implementaciones exhaustivas y prolongadas, se puede recurrir a ciclos de extracción, dependiendo de la matriz y los analitos, asegurando evitar la degradación por sobrecalentamiento o tiempos excesivos. Los modelos cinéticos de primer y segundo orden explican el comportamiento del rendimiento de extracción en función del tiempo^[35]. La disponibilidad de los compuestos volátiles en la superficie del material y en el interior de las células depende de la tasa de transferencia del disolvente, lo que puede generar comportamientos lineales o no lineales ^[10].

Por lo tanto, es esencial identificar los valores óptimos de estos factores para maximizar el rendimiento y evitar efectos de degradación. Con base en lo anterior, se realizó la optimización utilizando el método de superficie de respuesta (ver Figura 6), obteniendo (3), que describe el comportamiento entre la variable de respuesta (rendimiento) y los factores tiempo y potencia.

(3)

Figura 6.
Gráfico de superficie de respuesta para el rendimiento en hojas. El punto óptimo en la superficie se indica por el punto rojo
Fuente: elaboración propia.

El diagrama de Pareto muestra cómo solo el parámetro potencia al cuadrado no es significativo en el modelo (ver Figura 7), lo cual se puede corroborar con el análisis de varianza ANOVA (ver Tabla 3) a través de los estadísticos F y P que demuestran que cuatro parámetros son significativos en el modelo: potencia, tiempo, tiempo al cuadrado y el producto de ambos, dando valores altos en el estadístico F y valores inferiores al 0,05 en el estadístico P (indicados por barras sombreadas en la Figura 7); solo el parámetro potencia al cuadrado no es significativo con un valor F de 0,27 y un valor P de 0,6106.

Figura 7.
Diagrama de Pareto para los parámetros del modelo. Los parámetros significativos en el modelo se indican por sus barras sombreadas
Fuente: elaboración propia.

El valor de R² en el modelo fue 98,44 %, indicando la variabilidad del rendimiento, y el R² ajustado fue de 97,87 %, lo que representa un buen ajuste de los datos al modelo. Además, el estadístico de Durbin-Watson, con un valor P de 0,5971 (mayor a 0,05), indica que no hay correlación en los residuos, dando validez a los datos aleatorios.

Con los datos calculados a través del software, se estableció el punto óptimo con una potencia de 800 W y un tiempo de 81 minutos (punto rojo en la Figura 6), lográndose un valor esperado de rendimiento de 1,53 %. Estos parámetros se probaron experimentalmente, obteniéndose una respuesta de 1,49 %, con un error de 2,6 %. Adicionalmente, se realizó la extracción de los tallos mediante el método asistido por microondas en el punto óptimo, obteniendo un rendimiento de 0,99 %.

El valor de potencia óptima encontrado ha sido utilizado en otros estudios. Por ejemplo, en flores de mango (Mangifera indica), donde se utilizó 200 g de material fresco y 75 minutos de extracción, el rendimiento del aceite fue de 0,16 %, superior al método convencional, que alcanzó 0,11 % ^[36]. Otro reporte en hojas frescas de Cinnamomum iners (200 g) obtuvo un rendimiento de 0,12 %, mismo valor que el obtenido mediante hidrodestilación convencional, pero requiriendo 5 horas de extracción^[37].

Otras investigaciones recientes en especies colombianas también han utilizado el método asistido por microondas. En Hyptis colombiana, en estado vegetativo y de floración, se lograron rendimientos de 0,1 % con un tiempo de 45 minutos ^[38]. En Salvia aratocensis, se obtuvo un rendimiento de 0,08 % utilizando una potencia de 1100 W y 1,5 horas de extracción^[39]. En otro estudio, que analizó once especies diferentes colectadas en Santander, se empleó una potencia de 800 W y 30 minutos de extracción, obteniéndose los siguientes rendimientos: Swinglea glutinosa y Pelargonium graveolens con 0,2 %; Thymus vulgaris con 0,3 %; Salvia officinalis, Lippia origanoides (quimiotipo felandreno), Cymbopogon nardus y Cymbopogon martinii con 0,4 %; Lipia alba con 0,5 %; Turnera difusa con 0,7 %; Lippia origanoides (quimiotipo timol) con 1,6 % y Eucalyptus globulus con 2,0 % ^[40].

Sin embargo, solo se conocen dos investigaciones realizadas en Colombia sobre aceites esenciales de especies del género Peperomia mediante extracción asistida por microondas.

La primera, en P. pellucida de la costa Caribe colombiana, reportó un quimiotipo Carotol/Dilapiol con áreas relativas de 43,7 % y 20,9 %, respectivamente, utilizando una potencia de 700 W y 60 minutos de extracción^[25], no se informó el rendimiento, lo que impide comparar este parámetro con el presente estudio. La segunda, realizada en Arauca, investigó cuatro especies: P. angustata, P. glabella, P. serpens y P. pellucida, obteniendo quimiotipos tipo sesquiterpeno en las tres primeras y sesquiterpeno-fenilpropanoide en la última. Los rendimientos en base fresca no superaron el 0,02 %, utilizando 800 W y 30 minutos ^[24].

El parámetro rendimiento y el quimiotipo dependen de las condiciones ambientales y agroecológicas. Sin embargo, se observan rendimientos de extracción bajos en la mayoría de las especies comparadas con este estudio, lo que resalta el potencial de esta especie aromática.

3.2 Proceso de optimización de los componentes mayoritarios

Se realizó un análisis de los componentes mayoritarios (Figura 4) en el proceso de optimización. La Figura 8 muestra que el comportamiento del Safrol con el tiempo y la potencia es decreciente, teniendo un valor máximo para el primer nivel. Para la Miristicina y el alfa-bisabolol y se optimizaron los factores e identificaron las condiciones necesarias para obtener el valor máximo de área (Ver Tablas 4 y 5).

Figura 8.
Perfil químico de los componentes mayoritarios en cada punto del diseño experimental
Fuente: elaboración propia.

Los gráficos de efectos principales para ambos compuestos se pueden ver en las Figuras 9 y 10. En el caso de la Miristicina la potencia tiene un comportamiento ascendente no lineal mientras que el tiempo presenta un punto de inflexión para el valor máximo de área cromatográfica cerca de los 70 minutos. Para el caso del alfa-bisabolol ambos factores son crecientes no lineales; sin embargo, la potencia presenta un valor máximo para el área cerca de los 700 W.

Figura 9.
Gráfico de efectos principales para Miristicina
Fuente: elaboración propia.

Figura 10.
Gráfico de efectos principales para Miristicina
Fuente: elaboración propia.

Para realizar el proceso de optimización se empleó el método de superficie de respuesta para ambos compuestos (ver Figuras 11 y 12), obteniendo los modelos cuadráticos dados por (4) y (5) para Miristicina y alfa-bisabolol, respectivamente.

(4)

(5)

Figura 11.
Gráfico de superficie de respuesta para Miristicina. El punto óptimo en la superficie se indica por el punto rojo
Fuente: elaboración propia.

Figura 12.
Gráfico de superficie de respuesta para alfa-bisabolol. El punto óptimo en la superficie se indica por el punto rojo
Fuente: elaboración propia.

Para la miristicina se observa tanto en el diagrama de Pareto (Figuras 13) como en el análisis de varianza ANOVA (Tabla 6), que solo los parámetros potencia y la interacción de potencia y tiempo son significativos en el modelo, mientras que para el alfa-bisabolol los parámetros potencia, tiempo y tiempo al cuadrado son significativos en el modelo (ver Figura 14 y Tabla 7). Los valores de P mayores a 0,05 en el estadístico de Durbin-Watson tanto para Miristicina como alfa-bisabolol indican que no hay una correlación en los residuos dando validez a los datos aleatorios (Ver tablas 6 y 7).

Figura 13.
Diagrama de Pareto para Miristicina. Los parámetros significativos en el modelo se indican por sus barras sombreadas
Fuente: elaboración propia

Figura 14.
Diagrama de Pareto para alfa-bisabolol. Los parámetros significativos en el modelo se indican por sus barras sombreadas
Fuente: elaboración propia.

Con los datos obtenidos del proceso de optimización se espera un área de 58,84 %, con un tiempo de extracción de 54 minutos y una potencia de 800 W para la Miristicina, mientras que para el alfa-bisabolol, se espera un área de 18,58 % con un tiempo de 90 minutos y una potencia de 727 W (punto rojo en las Figuras 11 y 12). Un estudio realizado de la especie Trachyspermum ammi, permitió determinar el comportamiento de los 3 componentes mayoritarios del aceite esencial ^[8]. Para el caso del timol, el área aumenta con el aumento del factor potencia, pero disminuye con el aumento del tiempo. Por otro lado, p-cimeno y gama-terpineno presentan un punto de inflexión para el valor del área ^[8], similar al comportamiento observado para la Miristicina en este estudio (Ver figura 9). Otro reporte para el romero (Rosmarinus officinalis) de Irán ^[41] permitió establecer que tiempos altos y bajas potencias favorecían el aumento en la concentración de los cuatro componentes mayoritarios (alfa-pineno, 1,8-cineol, canfor y verebenona), ya que al aumentar la potencia (por encima de 800 W) se generaba degradación de estos metabolitos, disminuyendo su concentración. Una potencia de 700 W y un tiempo de 68 minutos fueron los valores óptimos para encontrar la mayor concentración de los cuatro compuestos ^[41], parámetros comparables a los obtenidos en este estudio para el alfa-bisabolol. En el caso de la Miristicina, en este estudio se observó que requiere una potencia ligeramente mayor a la requerida para el alfa-bisabolol, lo que concuerda con su punto de ebullición, masa molar y grado de oxidación, permitiendo reducir el tiempo de extracción y obtener una mayor área cromatográfica.

Hasta el momento, no hay reportes previos que hayan optimizado el área cromatográfica de los tres componentes mayoritarios, lo que establece un punto de partida para estudios posteriores en especies de la familia Piperaceae.

3.3 Hidrodestilación convencional

La hidrodestilación convencional se ha utilizado por mucho tiempo como método de extracción de aceites esenciales de diferentes plantas aromáticas ^[42]. El uso de esta técnica en el presente estudio permitió obtener porcentajes de rendimiento de 1,15 % para las hojas y 0,84 % para los tallos. Estos valores se compararon con estudios previos de la misma especie en plantas colectadas alrededor de Bogotá, donde se obtuvieron rendimientos de 1 % tanto para hojas como tallos luego de 4 horas de extracción del material fresco ^[43] y 0,16 % luego de 3 horas de extracción de las partes aéreas ^[22].

En cuanto al perfil químico del aceite esencial, ambas partes de la planta presentaron como componentes mayoritarios Miristicina, Safrol y alfa-bisabolol (ver Figura 4), con áreas relativas de 50,1/19,4/16,5 % para hojas y 60,6/22,8/10,0 % para tallos. Estos resultados difieren de los estudios mencionados en los que el Safrol fue el componente mayoritario con áreas relativas de 49 % y 44,3 %, respectivamente. Por lo tanto, los datos de la presente investigación permiten establecer un nuevo quimiotipo para la especie de estudio.

Algunas variaciones medioambientales o agroecológicas pueden generar cambios en el perfil químico de diferentes especies y afectar la producción de algunos metabolitos, entre ellos los fenilpropanoides, los cuales ayudan a regular el estrés por factores bióticos y abióticos ^[44], un ejemplo claro es la Miristicina, conocida por sus propiedades insecticidas ^[45]. La edad de la especie vegetal, diferente etapa fenológica, la fecha de cosecha, también pueden influir significativamente en el metabolismo de compuestos afectando el perfil y el rendimiento. Un reporte previo del romero (R. officinalis) muestra la variación del perfil químico en diferentes épocas del año, el 1,8-cineol y β-pineno aumentaron la concentración en temporada de lluvia, el α-pineno presenta un aumento significativo en verano y mientras que el α-felandreno y el alcanfor en otoño, generando variación en la actividad antimicrobiana en los aceites obtenidos ^[46]. La colecta de material vegetal en diferente estado fenológico muestra el cambio en la composición de los aceites de la especie Myrtus communis, al comparar el estado vegetativo con el estado de floración se observó una disminución del contenido de monoterpenos como α-pineno, 1,8-cineol y linalool, mientras que el limoneno y acetato de linalilo aumentaron su concentración^[47].

Cada uno de estos parámetros contribuye a la generación de nuevos quimiotipos en diferentes regiones de Colombia como Nariño y Cundinamarca, con altitudes similares. La comparación entre el método convencional y el método asistido por microondas permitió establecer diferencias significativas. En el caso de las hojas, el segundo método presentó rendimientos con más del 30 % de incremento y tiempos que disminuyen en más del 50 % en el punto óptimo con respecto al primero. Esto refleja una disminución considerable en cuanto a energía y un aumento en la eficiencia del proceso de extracción, lo cual concuerda con trabajos previos ^[48]-[50]. En el caso de los tallos, los rendimientos fueron de 0,84 % y 0,99 %, respectivamente, lo que indica que el método asistido por microondas mejora esta variable en un 15,15 %.

3.4 Análisis cromatográfico

En cuanto al perfil químico se comparó el quimiotipo por el método convencional y el método asistido por microondas de los aceites esenciales de hojas a través de cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. Específicamente, se obtuvieron, para Miristicina, Safrol y alfa-bisabolol, áreas relativas de 50,1/19,4/16,5 % para el primer método y 53,7/18,1/17,0 % para el segundo método en el punto óptimo del rendimiento (ver Figuras 15 y 16). La ausencia de cambios significativos en el perfil químico al utilizar radiación de microondas sugiere que este método preserva la composición de los metabolitos mayoritarios del aceite esencial. Este hallazgo abre la posibilidad de escalar este método para su implementación en procesos industriales, asegurando uniformidad en el perfil químico sin comprometer el rendimiento. Los datos completos del perfil químico se presentan en la Tabla 8.

Figura 15.
Cromatograma para el aceite esencial de las hojas de Peperomia subspathulata por hidrodestilación convencional
Fuente: elaboración propia.

Figura 16.
Cromatograma para el aceite esencial de las hojas de Peperomia subspathulata por hidrodestilación asistida por microondas
Fuente: elaboración propia.

La cantidad de componentes oxigenados es ligeramente mayor en la extracción asistida por microondas comparada con la hidrodestilación convencional. Tanto los fenilpropanoides como los sesquiterpenos oxigenados presentaron una mayor área cromatográfica en el primer método (ver Tabla 9). Este efecto puede explicarse por la polaridad de las moléculas oxigenadas, las cuales absorben fácilmente la radiación de microondas debido a su mayor momento dipolar. Esto permite un calentamiento más rápido y, por lo tanto, una mayor concentración de estos compuestos [51], [52].

Algunos estudios previos del género Peperomia presentan quimiotipos tipo fenilpropanoide tanto en base seca como en base fresca. Un ejemplo de ello son las especies P. pellucida y P. circinnata var. circinnata, donde se reportan rendimientos de 0,7 % y 1,0 %, respectivamente ^[53]; mientras que para P. macrostachya, P. rotundifolia y P. pellucida se obtuvieron rendimientos en base seca de 1,1 %; 1,4 % y 1,4 %, respectivamente ^[54]. En ambos estudios se utilizó hidrodestilación convencional y para P. pellucida se obtuvo un perfil enriquecido en Dilapiol con 39,7 % y 55,3 %, respectivamente.

Otros estudios en base fresca utilizando el mismo método de extracción se han realizado en varias especies con rendimientos bajos y tiempos entre 2 y 4 horas, empleando grandes cantidades de material vegetal. Por ejemplo, para P. inaequialifolia de Ecuador se obtuvo un rendimiento de 0,16 % con un quimiotipo Elemicina (27,4 %), Miristicina (15,45 %) y alfa-bisabolol (17,76 %) utilizando 4 kg de materia prima^[55]. Para P. borbonensis se obtuvo un rendimiento de 0,46 % y el quimiotipo Miristicina/Elemicina (39,5/26,6 %) utilizando 1,3 kg de la especie de estudio ^[56]; y en P. leptostachya el rendimiento fue de 0,10 % con un perfil enriquecido en sesquiterpenos, utilizando 1 kg de hojas ^[57].

Estos reportes demuestran la importancia de la biosíntesis de fenilpropanoides y sesquiterpenos oxigenados en especies del género Peperomia. Por lo tanto, se resalta la importancia de la extracción de este tipo de metabolitos, los cuales sirven de guía para corroborar la autenticidad de las especies de estudio a través del perfil químico y las aplicaciones que pueden tener en diferentes sectores como se menciona a continuación.

La miristicina, componente mayoritario del aceite esencial obtenido ha sido estudiada ampliamente como un componente principal de aceites esenciales de la nuez moscada (Myristica fragans), perejil (Petroselinum crispum), chirivía (Pastinaca sativa), entre otros debido a su aroma o sabor, lo que permite el uso de estas especies en la industria alimentaria ^[58]. Sin embargo, como compuesto puro no es recomendada debido a que pueden generar toxicidad a altas concentraciones ^[59]. Posee una amplia gama de actividades biológicas como antimicrobiana, antioxidante, antiinflamatoria, es usada en patologías del sistema nervioso central e inhibe la proliferación de células cancerosas ^[60], su uso a bajas concentraciones (mM) ha demostrado una reducción significativa de células de cáncer de ovario in vitro cuando se mezcla con agentes quimioterapéuticos como el cisplatino y el docetaxel lo que ha generado interés en la actualidad ^[61].

Por su parte el safrol es un compuesto regulado en Colombia mientras que en Estados Unidos es restringido su uso, ya que puede sirve como precursor del MDMA (éxtasis) y por su hepatotoxicidad a altas concentraciones ^{[62], [63].} En Europa en la industria cosmética el safrol puede tener una concentración máxima de 100 ppm o en 50 ppm en formulaciones para higiene oral.

El α-bisabolol es un sesquiterpeno bien conocido en géneros de las familias Asteraceae y Lauraceae, como Stachys, Vanillosmopsis, Nepeta, Ocotea y Matricaria, en ese último se encuentra la manzanilla (Matricaria chamomilla) de donde se obtiene para uso industrial. El contenido de este metabolito oscila entre el 8-94 %, es ampliamente usado en medicina tradicional por sus propiedades terapéuticas como antiinflamatorio, problemas dermatológicos, contra la diabetes, anticancerígeno, antinociceptivo, cardioprotector, y antimicrobiano ^{[64], [65].} La FDA aprueba su uso en la industria alimentaria como saborizante o adyuvante, fue incluido en el listado de las 236 nuevas sustancias reconocidas como saborizantes de la asociación de manufactureros de saborizantes y extractos de Estados Unidos (FEMA) y se le dio el carácter de GRAS (sustancia reconocida como segura) ^{[66], [67].} Se utiliza en la industria cosmética en productos de belleza y cuidado para la piel, la comisión europea lo clasifica como ingrediente cosmético con aplicaciones como fragancia, acondicionador de la piel y calmante.

Con los resultados obtenidos en esta investigación, se implementa una metodología que permite obtener valores significativos de rendimiento en los aceites esenciales de hojas y tallos de Peperomia subspathulata. Además, el uso de grandes cantidades de material vegetal y disolvente, así como tiempos prolongados de extracción, son reducidos significativamente utilizando la extracción asistida por microondas. Esta técnica aplicada a una especie aromática empleada en medicina tradicional en el departamento de Nariño^[57] puede ser utilizada en aplicaciones para la industria. Estudios futuros podrían considerar variables como la edad de la planta, época de cosecha, altitud o condiciones edafoclimáticas para validar la reproducibilidad del método optimizado.

4. CONCLUSIONES

Se implementó una nueva metodología de extracción de aceites esenciales con la optimización de la extracción asistida por microondas para la especie P. subspathulata a través del método de superficie de respuesta, donde se establecieron los parámetros potencia y tiempo de 800 W y 81 minutos. Este enfoque logró rendimientos superiores al método convencional, mejorando significativamente el proceso de extracción de aceites esenciales tanto para hojas (1,49 % vs. 1,15 %) como tallos (0,99 % vs. 0,84 %). Tanto la variable de respuesta rendimiento como el factor tiempo de extracción mostraron mejoras significativas con el método propuesto en comparación con estudios previos del género Peperomia.

Se realizó la caracterización química de los aceites esenciales, encontrándose un nuevo quimiotipo para la especie P. subspathulata del departamento de Nariño: Miristicina/Safrol/alfa-bisabolol. Este hallazgo contribuye al estudio de especies aromáticas del suroccidente colombiano, generando información sobre fuentes alternativas de estos metabolitos que pueden ser empleados en diversos sectores de la industria y como método para validar la autenticidad de la especie estudiada. Estudios futuros podrían complementar los hallazgos químicos con análisis biológicos funcionales.

Se reporta por primera vez la optimización de las áreas cromatográficas para el género Peperomia de los componentes mayoritarios Miristicina y alfa-bisabolol. Los factores óptimos para obtener el máximo valor de área cromatográfica fueron 58,84 % a 800 W y 54 minutos para la primera y 18,58 % con 727 W y 90 minutos para el segundo. Para el safrol el valor de mayor área cromatográfica fue en el primer nivel del diseño experimental a 400W y 30 minutos.

Este estudio representa un avance significativo al optimizar la extracción asistida por microondas en una especie no estudiada en el suroccidente colombiano, proporcionando una metodología aplicable en otras especies aromáticas. La disminución del tiempo de extracción por este método (81 minutos) en comparación con el método convencional (180 minutos) incide directamente en los costos de extracción. La extracción asistida por microondas no solo mejora los rendimientos de extracción y reduce los tiempos de procesamiento, sino que también tiene un impacto positivo en el ámbito ambiental y económico al reducir significativamente el uso de disolventes y generar un menor consumo de energía eléctrica. La implementación de este método a escala industrial podría reducir significativamente los costos operativos y el impacto ambiental, haciéndolo competitivo frente a métodos tradicionales para la extracción de aceites esenciales. Estudios futuros podrían abordar la viabilidad técnica y económica de la metodología implementada en este trabajo en escala piloto o industrial.

Con el quimiotipo encontrado será importante evaluar la actividad biológica de los aceites para aplicaciones futuras y encontrar el potencial en otras áreas.

Agradecimientos

Los autores agradecen a Catalina Garzón del Herbario Nacional Colombiano por la clasificación taxonómica de la especie de estudio. A la Vicerrectoría de Investigaciones e Interacción Social (VIIS antigua VIPRI) de la Universidad de Nariño por la financiación del proyecto con código 1701. Al señor Norberto Jojoa, del corregimiento del encano el cual nos brindó la especie de estudio y permitió la realización de este trabajo.

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Notas

Notas de autor

camilovargas@udenar.edu.co

Información adicional

Cómo citar / How to cite: V. Pérez-Pazos, D. Arturo-Perdomo, C. A. Mujica-Martínez, J. I. Maldonado-Rodríguez, J. C. Vargas-Gallego, “Optimización del proceso de extracción asistido por microondas de aceites esenciales de Peperomia subspathulata en el suroccidente colombiano,” TecnoLógicas, vol. 28, no. 64, e3371, 2025. https://doi.org/10.22430/22565337.3371

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redalyc-journal-id: 3442

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https://revistas.itm.edu.co/index.php/tecnologicas/article/view/3371 (html)