Resumen: La extracción y caracterización química del aceite de Tocte (JuglansneotropicaDiels) a partir de la cromatografía GC-ME permitió identificar una serie de compuestos pertenecientes a diferentes familias orgánicas, entre ellas: Parafinas lineales, olefinas, alquenoles, aldehídos insaturados, ésteres y compuestos saponificables, siendo el más abundante el ácido linoleico, cuya saponificación permitió obtener el linoleato de sodio (surfactante). Para caracterizar el linoleato de sodio obtenido, y cuantificar una de sus propiedades tensoactivas se construyó la curva de Tensión Superficial versus Concentración de Surfactante, que arroja una concentracionmicelar critica (CMC) de 0,016 % p/v (5,3x10-4 M). Tales resultados demuestran que el aceite de Tocte es una fuente de compuestos tensoactivos, lo que representa un hallazgo importante al considerar que, para nuestro conocimiento,es la primera vez que se reporta análisis químico de éste aceite.
Palabras clave:aceite de tocteaceite de tocte,JuglansneotropicaDielsJuglansneotropicaDiels,surfactantesurfactante,síntesis químicasíntesis química,análisis químicoanálisis químico.
Abstract: Extraction and chemical characterization of Tocte(Juglansneotropica Diels) oil by using GC-ME chromatography allowed to identifya series of compounds of different organic families, such as: linear paraffins, olefins, alkenes, unsaturated aldehydes, and esters among others. The most abundant compound is the linoleic acid, whose saponification allowed to obtain sodium linoleate (surfactant). In order to characterize the sodium linoleate obtained, and quantify one of its surfactant properties, the Surface Tension versus Surfactant Concentration curve was constructed, yielding a critical micelle concentration (CMC) of 0.016% w/v (5.3x10-4 M). These results show that Tocte oil is a source of surfactant compounds, which represents an important finding when considering that, to our knowledge, this is the first time that chemical analysis of this oil is reported.
Keywords: “Tocte” oil, Juglansneotropica Diels, surfactant, chemical synthesis, chemical analysis.
Artículos
Síntesis de un Surfactante Aniónico a partir del Ácido Linoleico obtenido del Aceite de Tocte (Juglansneotropica Diels)
Synthesis of an Anionic Surfactant from the Linoleic Acid Obtained from “Tocte” (Juglansneotropica Diels) Oil
Universidad de los Andes
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Recepción: 13 Septiembre 2017
Aprobación: 20 Marzo 2018
La familia Juglandaceae está constituida por siete géneros (Alfaroa, Carya, Eugelhardia, Juglans, Oreomunnea, Platvcarva, Pterocarya) que engloban alrededor de 60 especies vegetales distribuidas en Norte, Centro y Suramérica, Europa del Este y Asia (Roth 1991,Badillo 1985). En Suramérica una de las especies más prominentes de esta familia esJuglansneotropicaDiels, también conocida como árbol de nogal, cuyo fruto, comúnmente conocido como tocte, consiste en una nuez cuya semilla (kernel) es rica en aceite (Ospina y col., 2003)
Estudios realizados a otras especies del género Juglans, entre ellas la especie Juglans regia L(nativa de Asia central y la región occidental del Himalaya) (Fernández-López y col., 2000), han demostrado que el aceite de nuez posee un alto valor nutricional debido a que dentro de su constitución química destaca el alto contenido de ácidos grasos insaturados, principalmente ácido linoleico, oleico y linolénico (Martínez y col., 2010), vitaminas y minerales, además destaca por ser una fuente de una gran variedad de flavonoides y ácidos fenólicos de relevante importancia para la salud por sus propiedades antioxidantes y anti- inflamatorias (Anderson y col., 2001, Carvalho y col., 2010). Por tal motivo, la especie Juglans regia L. se constituye en un cultivo de alto interés para la industria alimenticia.
Las investigaciones realizadas a la especie Juglansneotropica D. se han limitado a estudios de preservación y aprovechamiento de la madera, partes aéreas y frutos de la especie (Rave-Ovierdo y col., 2013, Quintero- García y col., 2012), mientras que desde el punto de vista composicional se han realizado pocas investigaciones, cuyos resultados arrojan demuestran la actividad antioxidante de las hojas del árbol(Hurtado y col., 2015).
Aunque no existen reportes que demuestren la constitución química del aceite de nuez de esta especie, su ubicación taxonómica permite inferir que puede ser muy similar a la de la especie Juglans regia L, lo que sin duda constituiría un elemento de interés no solo para la industria de alimentos, sino también para la industria química encargada de la comercialización y síntesis de surfactantes, ya que hipotéticamente el contenido de moléculas saponificables en el aceite de nuez, como los ácidos grasos, puede ser considerable.
Las sales de sodio o de potasio de ácidos grasos son de gran utilidad en la industria del jabón, así como para la formulación de emulsiones en la industria alimenticia y farmacéutica debido a la no toxicidad del grupo lipofilico de la molécula (cola hidrocarbonada del ácido graso), en relación a aquellos que se derivan del petróleo (por ejemplo: alquilbencenosulfonatos de petróleo) (Salager y col.,1970, Becher 1972, Schawartz y col., 1977, Davidsony col., 1978).
En ese orden de ideas, el presente trabajo tiene por finalidad extraer y fraccionar el aceite de tocte para dilucidar por primera vez su composición, y aislar algunas especies químicas saponificables que permitan la obtención de jabón a partir de esta fuente natural.
La recolección del tocte madurado se realizó en los alrededores de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (Riobamba-Ecuador) en el mes de julio del año 2016. El fruto recolectado se expuso a la luz solar durante 7 días a temperatura ambientepara secar la corteza y facilitar su apertura.
Medio kilogramo (0,5 kg) de semillas de tocte se sometió a molienda y posteriormente fueron secadas enuna estufa durante cuatro días a 70°C. Seguidamente, el material seco y molido (0,42 kg) fue macerado con n-hexano durante cuatro días en un recipiente color ámbar. El líquido sobrenadante se dejó en reposo durante 24 horas para permitir la sedimentación de las partículas sólidas suspendidas, y luego de decantado se destiló en un rota- evaporador,obteniéndose 0,13 kg de aceite de tocte.
El aceite obtenido por maceración se sometió a fraccionamiento a través de una cromatografía en columna (CC) sobre sílica gel (60-200 mesh), a partir de la cual se obtuvieron 3 fracciones (1, 2 y 3) empleando como eluyentes: n-hexano y mezclas de polaridad creciente constituidas por n-hexano/i-butanol en proporciones volumétricas 90/10 y 70/30 respectivamente. Cada fracción se sometió a un proceso de destilación en un rota- evaporador para eliminar el solvente, con lo cual se obtuvieron: 40,94 g de la fracción 1, 72,85 g de la fracción 2 y 16,21 g de la fracción 3.
El análisis de cada fracción obtenida por CC se realizó en un equipo Hewlett-Packard modelo 6890 serie II, provisto con una columna capilar HP-5 (5% fenil - 95% metil silicona) de 30 m de longitud y 0,2 mm de diámetro interno, con un espesor de pared de 0,33 μm. Se utilizó Helio como gas portador, a un flujo de 1 ml/min. Las condiciones utilizadas fueron las siguientes: Temperatura inicial: 60 ºC (0 min); temperatura final: 300 ºC (10 min); gradiente de temperatura: 4 ºC/min; temperatura del inyector: 250 ºC. La identificación de los componentes se realizó mediante comparación computarizada de sus espectros de masas con los de la base de datos del equipo
(Librería Wiley, Sexta Edición y Nist 05).
Tres gramos (3 g) de la fracción 2 obtenida de la CC (rica en ácido linoleico, como se mostrará en la sección 3) se hicieron reaccionar con una solución de NaOH (1M) a 80°C con agitación constante. Seguidamente, la fase acuosa resultante se decantó y filtró por gravedad. Finalmente se secó en una estufa a 80°C durante 3 días. De este proceso se obtuvieron 0,21 g de linoleato de sodio.
Una mezcla constituida por aceite de tocte, NaOH y metanol se calentó a reflujo con agitación constante durante 90 min. Los ésteres obtenidos se lavaron con HCl (5% v/v) para neutralizar el excedente de NaOH, seguido de una extracción en CH2Cl2 y posterior separación en un embudo de decantación. La fase orgánica se secó con sulfato de sodio y se eliminó el solvente en un rota-evaporador.
Se prepararon diluciones acuosas del linoleato de sodio obtenido por saponificación y semidió la tensión superficial de cada dilución empleando el método del anillo de Du Nouyen un equipoKrüss-K100.
En primer lugar se determina el rendimiento en aceite obtenido a partir del tocte, que puede calcularse a través de la Ecuación 1:
(Ecn,2)Por otra parte, el cromatograma GC-ME mostrado en la Figura 1 (Tabla 1) da cuenta de la composición química del aceite de tocte. Se puede verificar la presencia de diversos compuestos pertenecientes a diferentes familias orgánicas, dentro de las que destacan: Parafinas lineales, terpenos (limoneno), alquenoles, aldehídos insaturados y ésteres.
El primer aspecto a destacar es la ausencia aparente de ácidos grasos, resultado inesperado sobretodo considerando el perfil químico de otras especies pertenecientes al género Juglans, como J. regia. Debido a que los ácidos grasos pudieran estar presentes bajo la forma de triglicéridos, y además,algunas señales del cromatograma pudieran solaparse impidiendo la detección adecuada por parte del equipo, se procedió a transesterificar el aceite siguiendo la metodología antes expuesta, con la finalidad de verificar la presencia o no de ácidos grasos.
Figura 1.
Cromatograma GC-ME del aceite de Tocte obtenido por maceración con n-hexano.
Constitución química del aceite de Tocte. TR = tiempo de retención
El cromatograma del aceite transesterificado (Figura 2; Tabla 2) muestra los resultados obtenidos, destacando la presencia de linoleato de metilo (éster del ácido linoleico) y palmiato de metilo (éster del ácido palmítico), además del ácido linoleico y palmítico que comprueban la presencia de especies químicas saponificables en el aceite de tocte. En términos porcentuales el ácido linoleico y el linoleato de metilo representan aproximadamente el 85 % (p/p) de la muestra transesterificada, lo que indica que el ácido linoleico es el ácido graso más abundante en el aceite de Tocte.
Figura 2.
Cromatograma GC-ME del aceite de Tocte transesterificado
Constitución química del producto transesterificado obtenido a partir del aceite de Tocte
El ácido linoleico contenido en el aceite de Tocte eluyó en las fracciones 1 y 2 obtenidas a través de la CC, cuyos cromatogramas GC-SE ME muestran en las Figuras 3 y 4. Las Tablas 3 y 4 muestran la composición química de cada fracción.
Figura 3.
Cromatograma GC-ME de la fracción 1 obtenida del aceite de Tocte a través de la CC.
Constitución química de la fracción 2 obtenida del aceite de Tocte a través de la CC
En base a la masa de la fracción 1 (72,85 g) y de la fracción 2 (40,94 g), se calcula el rendimiento del ácido linoleico en el aceite de Tocte (Ecuación 2):
(Ecn,2)Donde xac. lin. es la fracción másica del ácido linoleico en las fracciones 1 y 2 (Tablas 3 y 4).
Figura 4.
Cromatograma GC-ME de la fracción 2 obtenida del aceite de Tocte a través de la CC.
Constitución química de la fracción 2 obtenida del aceite de Tocte a través de la CC
Asumiendo una relación molar 1:1 entre el ácido linoleico y el linoleato de sodio en la reacción de saponificación, este resultado muestra el rendimiento máximo en linoleato de sodio que es posible obtener a partir del aceite de tocte.
Este resultado es inferior al reportado en otros aceites, como el de avellana, nuez y pistacho (Kola y col., 2015), cuyo porcentaje en ácido linoleico es próximo al 12 %. Esto indica que el aceite de Tocte posiblemente no es la mejor fuente en ácido linoleico, pero si se constituye en una nueva fuente de ácidos grasos, y por tanto, una nueva fuente de materia prima para la síntesis de surfactantes iónicos.
La saponificación del ácido linoleico se realizó a partir de la fracción 2, debido, por una parte, a que su contenido en ácido linoleico es muy superior en relación al de la fracción 1, y por otra, a que el ácido linoleico es la única especie química saponificable en esta fracción.
La caracterización del linoleato de sodio obtenido por saponificación se realizó a través de la determinación de la concentración micellar crítica (CMC), cuya magnitud se obtuvo a partir de la curva Tensión Superfial versus Concentración de surfactante (Figura 5).
El primer aspecto a destacar es que el comportamiento de la curva es característico de especies químicas con propiedades anfifílicas; a saber, un régimen descendente que indica el aumento dela cantidad de moléculas adsorbidas en la superficie agua-aire en la medida que aumenta la concentración de surfactante, que supone la disminución progresiva de la tensión superficial, hasta una concentración crítica (CMC) a partir de la cual la superficie se satura y todas las molécula adicionales se asocian en el seno del agua formando micelas. Por tanto, a partir de la CMC la tensión superficial no se modifica.
Figura 5.
Variación de la tensión superficial respecto a la concentración de surfactante en sistemas linoleato de sodio / agua
Experimentalmente la CMC se estima a partir del punto de corte entre ambos regímenes, que para el caso actual presenta un valor de 0,016 % p/v (5,3x10-4 M). El valor teórico de la CMC del linoleato de sodio a 20 °Cen medio acuoso se puede estimar a través de la Ecuación 3 (Rosen, 2004):
(Ecn,3)donde A es una es una constante de la cabeza iónica del surfactante, B es una constante cuyo valor es aproximadamente 0,3, y N es el número de carbonos de la cola lipofílica del surfactante. Por lo tanto, para el linoleato de sodio se tendrá:
El resultado obtenido refleja que el surfactante sintetizado corresponde al linoleato de sodio. Además, se debe destacar que la CMC de este surfactante es un orden de magnitud inferior a las correspondientes a surfactantes con grupo polar carboxilato de sodio con longitud de cadena más corta (Rosen 2004), que evidencia un carácter lipofílico mayor del linoleato de sodio, y por tanto mayor tendencia a la asociación en medio acuoso.
Adicionalmente, se debe destacar que el valor experimental de la CMC obtenido en este trabajo es superior a los reportados por Tookey y col. (1958) y Gebicki y Allen (1969); que oscilan entre 2,25x10-4 M y 1,7-2,9x10-4 M respectivamente, partiendo de linoeato de sodio comercial. La discrepancia entre estos resultados y el presentado aquí, obedece posiblemente a la presencia de una pequeña fracción de los alcoholes penten-3-ol y hexen- 3-ol en el producto obtenido por saponificación, que forman parte de la constitución química de la fracción de aceite de tocte empleada para tal fin (Figura 3; Tabla 3). Estas especies químicas al ser lipofílicas aumentan la solubilidad del linoleato de sodio en el agua, por lo que su tendencia a la asociación disminuye, y por tanto la proporción necesaria para formar micellas es ligeramente superior.
Por primera vez se reporta la constitución química del aceite de tocte (JuglansneotrópicaDiels), caracterizada por la presencia alquenoles, aldehídos, parafinas, terpenos y ácidos grasos (fundamentalmente ácido linoleico), que le confieren a esta especie vegetal un importante valor alimenticio y comercial que trasciende desu uso como materia prima de la industria maderera, debido a la presencia de especies químicas saponificables de interés para la industria química y alimenticia.
La caracterización del surfactante obtenido por saponificación demostró que la especie sintetizada corresponde al linoleato de sodio, cuya concentraciónmicelar crítica (5,3x10-4 M)es similar a la reportada en estudios anteriores.
Figura 1.
Cromatograma GC-ME del aceite de Tocte obtenido por maceración con n-hexano.
Constitución química del aceite de Tocte. TR = tiempo de retención
Figura 2.
Cromatograma GC-ME del aceite de Tocte transesterificado
Constitución química del producto transesterificado obtenido a partir del aceite de Tocte
Figura 3.
Cromatograma GC-ME de la fracción 1 obtenida del aceite de Tocte a través de la CC.
Constitución química de la fracción 2 obtenida del aceite de Tocte a través de la CC
Figura 4.
Cromatograma GC-ME de la fracción 2 obtenida del aceite de Tocte a través de la CC.
Constitución química de la fracción 2 obtenida del aceite de Tocte a través de la CC
Figura 5.
Variación de la tensión superficial respecto a la concentración de surfactante en sistemas linoleato de sodio / agua
