Extracción y Caracterización del Aceite de Semilla de Manzana Estrellada Africana (Chrysophyllum albidum) y las Propiedades de Adsorción de la Cáscara de la Fruta en Ghana

Resumen

Este trabajo de investigación se llevó a cabo para determinar los parámetros fisicoquímicos del aceite de semillas de Manzana Estrellada Africana (Chrysophyllum albidum) y evaluar más a fondo las propiedades de adsorción de la cáscara de la fruta. El aceite se extrajo utilizando hexano con el aparato soxhlet a una temperatura de 65°C durante 4 horas. Los resultados mostraron un rendimiento promedio de aceite obtenido de 11,6%, gravedad específica de 0.92 kg/m3, el índice de refracción de 1,464 a 30°C, un valor de ácido de 7,72 mg KOH/g, un valor de ácidos grasos libres de 3,16 g/100 g, un valor de saponificación de 200,56 mg KOH/g y un valor de yodo de 70,64 g / 100 g. Un estudio infrarrojo de Transformada de Fourier (FTIR) en el aceite identificó algunos compuestos de triglicéridos, carbonilo, alcanos y alquenos. También se realizaron estudios de adsorción de la cáscara de la fruta para la eliminación del tinte después de la activación química con CaCl2, MgCl2 y ZnCl2. La cinética de la adsorción favoreció una vía de reacción de pseudo-primer orden para CaCl2 con R2 de 0.941 mientras que ZnCl2 y MgCl2 favorecieron una vía de reacción de pseudo-segundo orden con R2 de 0,914 y 0,973, respectivamente.

1. Introducción

Hay varias frutas en Ghana que tienen aceites esenciales que son de gran importancia médica. La manzana estrellada africana (Chrysophyllum albidum) es un tipo de fruta que se cultiva en Ghana. El árbol crece como planta silvestre y pertenece a la familia de las Sapotáceas, que tiene hasta 800 especies y constituye casi la mitad del orden . Es una especie de árbol pequeño a mediano, hasta una altura de 25-37 m con una circunferencia madura que varía de 1,5 a 2,0 m . Los frutos generalmente no se cosechan de los árboles, sino que se dejan caer naturalmente al suelo del bosque donde se recogen . La mayoría de las semillas de plantas son una fuente de aceites esenciales. Ejemplos de algunas semillas de plantas que se han explotado comercialmente convencionalmente para este propósito incluyen la soja, la semilla de algodón, el maní, el maíz, las semillas de palma y el girasol . El aceite de plantas y animales se emplea en la formulación de alimentos, cosméticos y medicamentos en muchas actividades industriales . Las frutas y verduras son una buena fuente de antioxidantes naturales, que contienen muchos componentes antioxidantes diferentes que brindan protección contra los radicales libres dañinos que han estado implicados en la etiología de varias dolencias humanas, como el cáncer, los trastornos neuronales, la diabetes, la artritis y el trastorno cardiovascular . Una investigación sobre el valor antioxidante y alimentario de Chrysophyllum albidum mostró que la planta contiene algo de fenol, flavonoide, antocianina y proantocianidina, y también un alto valor antioxidante . En general, las raíces, cortezas y hojas de Chrysophyllum albidum son ampliamente utilizadas como una aplicación para esguinces, moretones y heridas en el sur de Nigeria . Los extractos de semillas y raíces de Chrysophyllum albidum se utilizan para detener el sangrado de heridas frescas e inhibir el crecimiento microbiano de contaminantes conocidos de heridas y también mejorar el proceso de cicatrización de heridas . El aceite de Chrysophyllum albidum se ha extraído de las semillas correspondientes en un extractor de soxhlet con hexano (rango de punto de ebullición: 55 ° C-65 ° C) y se analiza el contenido de humedad, el pH, la gravedad específica, el valor de saponificación, el índice de refracción, el valor de peróxido, el número de ácidos, los ácidos grasos libres y el valor de yodo por . Sus resultados mostraron que el rendimiento de aceite fue de 21,57% y los valores de ácido fueron de 2,87. Del mismo modo, se investigó la extracción y caracterización del aceite de semilla. Otros investigadores investigaron el efecto de variables de proceso (tamaño de partícula, temperatura y tiempo) en la extracción de petróleo de Chrysophyllum nigeriano. Albidum para determinar las condiciones óptimas para la extracción del aceite y también para caracterizar el aceite extraído y determinar sus propiedades fisicoquímicas. La adsorción tiene ventajas sobre otros métodos de remediación de metales pesados de aguas residuales porque su diseño es simple; no contiene lodos y puede requerir poco capital . El adsorbente más utilizado es el carbón activado . Se ha informado de que diversos productos agrícolas, como la cáscara de coco , la cáscara de arroz , la cáscara de cacahuete , las cáscaras de mandioca , las cáscaras de pacana y los desechos de té , son eficaces en la rehabilitación de las aguas residuales. Las semillas de Chrysophyllum albidum han sido utilizadas en la adsorción de plomo Pb de aguas residuales industriales por algunos investigadores donde se monitorearon los efectos del pH, el tiempo de contacto y la masa adsorbente. El carbón activado por vapor preparado a partir de la cáscara de semilla de Chrysophyllum albidum para la adsorción de cadmio en aguas residuales (estudios de cinética, equilibrio y termodinámica) también se investigó y se observó que era un posible secuestrador de cadmio en aguas residuales. Se realizaron estudios sobre el efecto del pH en la sorción de cadmio (ll), níquel (II), plomo (II) y cromo (VI) a partir de soluciones acuosas de cáscara de manzana estrellada blanca africana (Chrysophyllum albidum) y se observó que el proceso depende en gran medida del pH. De la literatura, la mayoría de los trabajos de investigación realizados son de Nigeria y todas las conchas se han utilizado en la eliminación de metales pesados. El objetivo de este trabajo de investigación es extraer y caracterizar el aceite de semilla de fruta de Chrysophyllum albidum de Ghana y utilizar la cáscara de la semilla como adsorbente en la eliminación de naranja de metilo (tinte) de soluciones acuosas.

2. Procedimiento experimental

2.1. Recolección de Frutas y Preparación de Semillas

Frutas frescas arrancadas de Manzana Estrellada Africana se compraron a algunos vendedores del mercado local en el mercado científico de la Universidad de Cape Coast, ubicado en la parte sur de Ghana. Esta es una fruta de temporada que está disponible durante las estaciones secas. Las semillas primero se secaron al aire al sol a una temperatura promedio de 29°C durante 7 días y luego se rompieron mecánicamente utilizando una galleta de nueces para extraer la semilla. Las semillas secas se secaron al aire durante 5 días y luego se secaron al horno a una temperatura de 100°C durante 24 horas en un horno de laboratorio (MMM Medcenter Ecocell 55).

2.2. Procedimiento de Extracción y Concentración de aceite

Las semillas secas se molieron utilizando un molino rotativo de laboratorio (Molino Universal IKA M20). Una cantidad de la semilla molida se utilizó para la extracción de Soxhlet . Un matraz de fondo redondo que contenía N-hexano de grado analítico (99%) estaba equipado con un condensador de reflujo en la parte superior. Esto se colocó en un manto calefactor a 65 ° C y el condensado líquido goteó en el dedal que contenía la muestra molida. El extracto se filtró a través de los poros del dedal y llenó un tubo de sifón y se permitió que continuara durante 6 horas. El extracto se calentó para recuperar el disolvente con un evaporador rotativo (R00102439, 50W/15A) dejando atrás el aceite extraído. A continuación, se dejó enfriar el matraz y se determinó el porcentaje de rendimiento.

El índice de refracción, la viscosidad, los valores de saponificación, el valor ácido, el valor de yodo, el valor de ácidos grasos libres, la gravedad específica y otros parámetros del aceite se determinaron utilizando AOAC (2000) .

2.3. Análisis infrarrojo (FTIR) Junto con Transformada de Fourier

El uso del espectrómetro infrarrojo de Transformada de Fourier (FTIR) para determinar los grupos funcionales ha sido reportado por varios investigadores . Se realizó para determinar los diversos grupos funcionales de los componentes químicos utilizando el Modelo de Espectroscopia por Transformada de Fourier I-R Prestige 21 Shimadzu.

2.4. Preparación de la cáscara Antes del Experimento de adsorción

Las cáscaras de semillas de Chrysophyllum albidum se secaron al aire durante 14 días a peso constante y se molieron en polvo. Se secó al aire durante 7 días y luego se secó al horno en un horno de laboratorio (MMM Medcenter Ecocell 55) a 105°C durante 8 horas para reducir el contenido de humedad. Luego se pirolizó en un horno (Nabertherm, LE140K1BN, 230V, 1/N/PE) a una temperatura de 500°C durante dos horas. Durante la pirólisis, se utilizó gas nitrógeno a un caudal de 0,1 m3/h como gas de purga. Las conchas pirolizadas se molieron en forma de polvo y se tamizaron con una malla de laboratorio de tamaño + 500 µm.

La activación química de la cáscara pirolizada y en polvo de Chrysophyllum albidum se realizó utilizando CaCl2, MgCl2 y ZnCl2

2.5. Activación química de las cáscaras de Chrysophyllum albidum Utilizando CaCl2, MgCl,2 y ZnCl2

La activación química de las cáscaras de Chrysophyllum albidum pirolizadas y en polvo se realizó utilizando soluciones acuosas de 0,5 M de cada CaCl2, MgCl2 y ZnCl2. se pesaron 20 g de las cáscaras en polvo pirolizadas y se añadieron a 250 ml de las diversas soluciones acuosas químicas de activación. Las mezclas se agitaron con un agitador de placa caliente a 200 rpm y 60°C durante cuatro horas. Luego se filtró con un papel de filtro Whatman y el residuo se secó al horno a 200°C durante 2 horas. Las cáscaras secas se activaron en un horno a una temperatura de 550°C durante 4 horas para completar el proceso de activación de las cáscaras de Chrysophyllum albidum.

2.6. Pruebas de adsorción

Las pruebas de adsorción se realizaron en matraz Erlenmeyer de 2 litros utilizando 1 g cada una de las cáscaras activadas con CaCl2, MgCl2 y ZnCl2. Se preparó naranja de metilo con una concentración de 0,2 mg/L y 0,5 mg/L y se utilizó como adsorbente para este estudio. se pesó 1 g de la cáscara activada, se disolvió en un litro de solución y se agitó con un agitador de laboratorio a 250 rpm. 50 ml de la solución se recogen después de una hora y se filtran con un papel de filtro Whatman y la concentración de naranja de metilo en el filtrado se mide con el espectrómetro UV-Vis Shimadzu T70. Los datos obtenidos se ajustaron a modelos de isotermas de adsorción. Las concentraciones iniciales de naranja de metilo son de 0,2 mg/l para CaCl2 y MgCl2, respectivamente, y de 0,5 mg/l para ZnCl2.

3. Cálculos

El porcentaje de eliminación de sorbente se calculó utilizando donde R% es el porcentaje de recuperación de naranja de metilo de la solución CO es la concentración inicial de naranja de metilo en la solución Ct es la concentración de naranja de metilo en el tiempo t.

4. Cinética de sorción

4.1. Modelo Cinético de Pseudo-Primer Orden

Está representado por lo siguiente:La integración de la ecuación anterior con las condiciones de contorno de t = 0, qt = 0, y t = t, qt = qt da lo siguiente: donde qe y qt son las cantidades de tinte adsorbidas en equilibrio y en el tiempo t (mg/g), respectivamente, t es el tiempo de contacto (min), y K1 es la constante de velocidad de pseudo-primer orden (/min). La gráfica en línea recta de log (qe-qt) contra t da log (qe) como pendiente e intersección igual a k1/2.303. Por lo tanto, la cantidad de soluto absorbido por gramo de sorbente en equilibrio (qe) y la constante de velocidad de primer orden (k1) se pueden evaluar desde la pendiente y la intersección.

4.2. Modelo Cinético de Pseudo-Segundo Orden

Esto se representa por lo siguiente:La integración de la ecuación anterior con condiciones de contorno de t=0, qt=0, y t = t, qt = qt da lo siguiente: donde k2 representa la constante de velocidad y qt es la capacidad de absorción en cualquier momento (t).

5. Resultados y Discusión

5.1. Caracterización del aceite

Los parámetros físicos y químicos del aceite de semilla de Manzana estrellada africana (Chrysophyllum albidum) se presentan en el cuadro 1.

El aceite extraído de las semillas de Manzana estrellada Africana (Chrysophyllum albidum) con hexano utilizando el aparato soxhlet se analizó física y químicamente y se obtuvieron los siguientes resultados, que se presentan en la Tabla 1.

Se encontró que el color era rojo intenso, tal como lo reportaron Musa, Isah, pero diferente de Adebayor, Orhevba y Ominyi, que lo registraron como rojo.

5.1.1. Rendimiento de aceite

El rendimiento de aceite se calculó con base en las diferencias de peso de la muestra y el dedal antes y después de la extracción:donde Wi es el peso del dedal y la muestra antes de la extracción Wf es el peso del dedal y la muestra después de la extracción.

El rendimiento de aceite fue muy bajo con un valor de 11,6% en comparación con el de 12% registrado por Adebayor, Orhevba, 8,05% y 12,70% para. Esto indica que la semilla puede no ser una buena fuente de aceite abundante. El bajo rendimiento de aceite podría atribuirse a la variación en los genes, el clima, las especies de plantas, las condiciones del suelo y las técnicas de procesamiento inadecuadas, como la exposición prolongada de las semillas cosechadas a la luz solar, que puede afectar considerablemente el rendimiento de aceite .

5.1.2. Índice de refracción

El índice de refracción indica el nivel de claridad óptica de la muestra de petróleo crudo en relación con el agua. El índice de refracción del aceite extraído fue de 1,464, coincidiendo con el de 1. 46 y 1,672 a 31,2°C para Adebayor, Orhevba . Tampoco es tan espeso como la mayoría de los aceites secos cuyos índices de refracción caen entre 1.475 y 1.485 .

5.1.3. Gravedad específica

Tiene una gravedad específica de 0,92 a 30 ° C, que es diferente de la de Adebayor, Orhevba, que tenía 0,89 a 25°C, 0,8269 a 25°C para . El valor de saponificación del aceite sirve como un parámetro importante para determinar la idoneidad del aceite para la fabricación de jabón .

5.1.4. Valor ácido

El valor ácido es un indicador importante de oxidación del aceite. Es el peso (mg) de hidróxido de potasio necesario para neutralizar el ácido libre en 1 g del aceite. En un buen aceite, el valor ácido debe ser muy bajo (< 0.1) y un aumento en el valor ácido es un indicador de oxidación del aceite que puede conducir a la formación de goma y lodo junto con la corrosión. El valor de ácido también fue encontrado para ser 7.72 mg/KOH/g. Esto es diferente de los valores de 2,57 mg/KOH/g por Musa, Isah , 4.50 mg/KOH/g de Adebayor, Orhevba , y 19.70 mg/KOH/g para Ominyi, Ominyi .

5.1.5. Valor de saponificación

El valor de saponificación (SV) está relacionado con la masa molecular media de ácidos grasos en la muestra de aceite. El valor de saponificación obtenido fue de 200 mg / KOH / g, más cercano al valor de 199,50 mg/KOH/g obtenido para Adebayor, Orhevba . Sin embargo, fue más alto que el de Ominyi, que fue de 90,71 mg/KOH/g, pero más bajo para Musa, Isah, que reportó 228,4 mg/KOH/g. El alto valor de saponificación sugiere el uso del aceite en la producción de jabón líquido, champús y cremas de afeitar con espuma . El alto valor de saponificación se puede atribuir a parámetros del proceso, como el tiempo de extracción, la temperatura de extracción y el tamaño de las partículas de las semillas molidas, según lo informado por .

5.1.6. De Ácidos Grasos libres

Los ácidos grasos libres del aceite extraído fue de 3.16 mg/KOH/g, en comparación con 2,25 mg/KOH/g por Adebayor, Orhevba y 9.90 mg/KOH/g . El bajo contenido de ácidos grasos libres es indicativo de una hidrólisis enzimática baja. Esto podría ser una ventaja, ya que el aceite con altos ácidos grasos libres desarrolla sabor desagradable durante el almacenamiento .

5.1.7. Valor de yodo

El valor de yodo es una medida del grado de insaturación de los aceites vegetales y determina la estabilidad a la oxidación y permite medir cuantitativamente la insaturación general de la grasa . El valor de yodo del aceite extraído se midió y se encontró que era de 72,8 mg / KOH / g. Esto fue mayor que el obtenido por Adebayor, Orhevba y Musa, Isah, pero menor que el obtenido Ominyi, Ominyi .

Se utilizó espectroscopia FT-IR para identificar los diversos grupos funcionales presentes en el aceite. Se utilizó un espectrómetro Nicolet 870 equipado con un detector de sulfato de triglicina deuterado. El análisis de FTIR del aceite extraído también se encontró que contenía algunos grupos funcionales. El análisis espectral que se muestra en la Figura 1 muestra los diversos picos de los grupos funcionales presentes en el aceite. Las frecuencias que oscilaban entre 3008,01 cm−1 y 2853 cm−1 con transmisiones de 92,69 (%T) y 62,1(%T), respectivamente, como se muestra en la Tabla 2, mostraron estiramientos asimétricos y simétricos de C-H representando alcanos al igual que aceites de Maíz y mostaza que mostraron 2854,7 – 2925,8 cm−1 como vibraciones de estiramiento asimétricas y simétricas de C-H del CH2 alifático . Los grupos funcionales identificados dentro de la longitud de onda de 1709 – 1744 cm−1 fueron comparados con aceite de Manzanilla y Romero por Anwer S. El-Badry, y Sameh S. Ali, así como el aceite de Maíz y Mostaza para representar éster carbonilo C= O de triglicéridos .

Figura 1.

el análisis Espectral de Chrysophyllum albidum aceite de la semilla.

5.2. Estudios de adsorción

Se realizaron estudios de adsorción de solución de colorante de naranja de metilo de la cáscara del fruto del Chrysophyllum albidum activado con MgCl2, CaCl2 y ZnCl2. La Figura 2 muestra el efecto del tiempo de contacto de adsorción de las cáscaras en la solución de tinte. En la Figura 2, se observa que la tasa de reducción del tinte generalmente aumentó rápidamente dentro de las primeras dos horas del tiempo de contacto para las tres capas con diferentes químicos de activación. Esto podría atribuirse a los sitios vacantes activos dentro de los proyectiles activados, según lo informado por . Después de las dos primeras horas, la tasa de reducción del tinte disminuye hasta que se alcanzó el equilibrio después de 5 horas de tiempo de contacto para las tres cáscaras de semillas con activación diferente. ZnCl2 y MgCl2 presentan características de reducción similares en el tinte. El rendimiento general de las tres cáscaras muestra que ZnCl2 tuvo un rendimiento ligeramente mejor que MgCl2 en la reducción de la concentración de naranja de metilo en la solución. La activación química con CaCl2 parece no ser tan eficiente como la de ZnCl2 y MgCl2, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2

Porcentaje de reducción de colorantes con el tiempo (hrs).

5.3. Estudios cinéticos

La Figura 3 muestra la gráfica lineal de log ( – ) versus t para el modelo de pseudo-primer orden de Lagrangien y la Figura 4 muestra la gráfica lineal de t / versus t para el modelo de pseudo-segundo orden de Lagrangien para la reducción de naranja de Metilo utilizando cáscaras de Chrysophyllum albidum activadas con CaCl2, MgCl2 y ZnCl2. Las constantes de la tasa de equilibrio y el coeficiente de correlación para los modelos de pseudo-primer y pseudo-segundo orden se presentan en la Tabla 3. La ecuación de pseudo-primer orden se ajustó bien a los datos experimentales para CaCl2 (R2 = 0.94) mientras que MgCl2 (R2 = 0.97) y ZnCl2 (R2 = 0.97) se ajustaba a la ecuación de pseudo-segundo orden. Sobre la base del coeficiente de correlación, la adsorción del tinte de naranja de metilo a partir de la solución por cáscaras de Chrysophyllum albidum activadas con CaCl2 sigue una vía de reacción de primer orden, mientras que las cáscaras activadas con MgCl2 y ZnCl2 siguen una vía de segundo orden.

Figure 3

Pseudo-first-order adsorption kinetics of the dye.

Figura 4

Pseudo-segundo orden de la cinética de adsorción del colorante.

6. Conclusión

Los resultados del análisis fisicoquímico del aceite extraído de las semillas de Manzana Estrellada Africana se compararon favorablemente con los de otros aceites de semillas tradicionales como almendra de palma y cacahuete. El rendimiento de aceite del 11,6% fue bajo en comparación con el aceite de almendra de palma (45,6%) y el aceite de cacahuete (35%).76%) Las propiedades fisicoquímicas del aceite de semilla de manzana estrellada africana indicaron que no se seca (valor de saponificación de 200 mg/KOH/g) y se puede utilizar como materia prima para la producción de jabones, aceites lubricantes y velas encendidas. Sin embargo, puede no ser adecuado para la producción de recubrimientos de superficie, barnices y pinturas al óleo debido a su atributo de no secar. El bajo nivel de insaturación del aceite se debe a que contiene ácido oleico, que normalmente es ácido graso insaturado. De manera concluyente, es posible que las semillas no tengan un volumen de aceite suficiente para ser utilizadas como aceite comestible (doméstico) e industrial. El análisis de FTIR también reveló que el aceite contiene varios grupos funcionales, como alquenos y aromáticos, que pueden ser beneficiosos para el cuerpo humano. Las cáscaras de semillas también se pueden usar como adsorbente de bajo costo cuando se activan con CaCl2, ZnCl2 y MgCl2. Sin embargo, la activación con ZnCl2 se realizó mejor con aproximadamente un 70% de eliminación de tinte que la de CaCl2 y MgCl2.

Disponibilidad de datos

Las propiedades físicas y químicas de los datos de aceite extraídos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio se incluyen en el artículo. Los datos Infrarrojos de la Transformada de Fourier utilizados para identificar los diversos grupos funcionales con respecto al aceite de este estudio se incluyen en el artículo. Los datos de adsorción utilizados para respaldar los resultados de este estudio se incluyen en el archivo de información complementaria (disponible aquí).

Conflictos de intereses

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Financiación

Este trabajo de investigación fue autofinanciado por los autores.

Materiales suplementarios

Estos son los datos de adsorción que se utilizaron para este estudio. Muestra las concentraciones iniciales del tinte (naranja de metilo), así como del adsorbente (cáscara de semilla de Chrysophyllum albidum) que se activó con tres productos químicos diferentes (CaCl2, MgCl2 y ZnCl2). El experimento se llevó a cabo a temperatura ambiente de 25 C. El cambio en la concentración del tinte con el tiempo se pudo ver en la fecha anterior. (Materiales complementarios)