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OBTENCIÓN DE ÁCIDO FERÚLICO POR HIDRÓLISIS DEL MAÍZ Obtención de materias primas para la producción de medicamentos DOCENTE: DRA. LUCINA ÁRIAS GARCÍA -2013 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA XOCHIMILCO

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OBTENCIÓN DE ÁCIDO

FERÚLICO POR

HIDRÓLISIS DEL MAÍZ Obtención de materias primas para la

producción de medicamentos

DOCENTE: DRA. LUCINA ÁRIAS GARCÍA

-2013

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA

METROPOLITANA

XOCHIMILCO

OBTENCIÓN DE ÁCIDO FERÚLICO POR HIDRÓLISIS DE MAÍZ

Alan Huerta Acosta*, Yolanda Rodríguez Jorge*, Ivonne Quetzali Valencia

López*, Omar Villegas Villegas*

*Estudiantes de Química Farmacéutica Biológica. Ciencias Biológicas y de la

Salud, Universidad autónoma Metropolitana Xochimilco, México D.F.

RESUMEN

El ácido ferúlico, también llamado ácido 3-(4-hidroxi-3-metoxifenil)-2-propenoico, es un

derivado del ácido cinámico, extremadamente abundante en la naturaleza y en el pericarpio

del maíz (1g/kg), se encuentra en forma libre o enlazado por medio de enlaces éster a

algunos residuos de a-L-arabinosa, sacárido que se encuentra en la hemicelulosa de la pared

celular vegetal. Para poder liberarlo es necesario hidrolizarlo química o enzimáticamente, el

mecanismo de hidrólisis no ha sido del todo estudiado, pero se cree que sucede del mismo

modo que una hidrolisis de ésteres. Las feruloil esterasas, son enzimas que ocasionan la

liberación del ácido ferúlico a través de la hidrólisis del enlace éster; además son

producidas por un gran número de microorganismos presentes en el nejayote. El maíz (Zea

mays) contiene más fenoles totales y mayor poder antioxidante que cereales como trigo,

arroz y avena. El principal ácido hidroxicinámico es el ácido ferúlico, que representa

alrededor de 85 % de los fenoles totales presentes en el maíz. El objetivo principal de este

trabajo fue identificar la presencia de ácido ferúlico en el nejayote. El método que se utilizo

para su extracción fue por hidrólisis ácida, y para su identificación se utilizo la técnica de

cromatografía en capa fina. Se obtuvo como producto total 0.828g de acido ferúlico y un

R.f. de: 0.25. Se considera que el método de acidificación es más eficaz que otros. Se

obtuvo el compuesto esperado con una mezcla de otros componentes que fueron

observados mediante luz ultravioleta (UV). El Nejayote es un medio inestable para extraer

de forma directa el ácido ferúlico, sin embargo al acidificarlo se permite al contenido

microbiano por medio de las enzimas feruoil esterasas llevar a cabo la hidrólisis para

obtener el ácido ferúlico.

PALABRAS CLAVE: Ácido ferúlico, hidrólisis, nejayote, maíz, enzimas feruoil

esterasas.

ABSTRACT

Ferulic acid, also called 3 - (4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-propenoic acid is a derivative

of cinnamic extremely abundant in nature and corn pericarp (1g/kg), is in free or bound

through ester linkages to some α-L-arabinose residues, saccharide hemicellulose is in the

plant cell wall. Release is necessary to chemically or enzymatically hydrolyzing the

hydrolysis mechanism has not been fully studied, but is believed to occur in the same way

that an ester hydrolysis. The feruloyl esterases are enzymes which cause the release of

ferulic acid through hydrolysis of the ester bond, are also produced by a number of

microorganisms present in the nejayote. Maize (Zea mays) contains more phenols and more

antioxidant power than cereals like wheat, rice and oats. The main phenol is ferulic acid,

which accounts for about 85% of total phenols. The main objective of this work was to

identify the presence of ferulic acid in nejayote. The method used for extraction was by

acid hydrolysis, and identification technique was used for thin layer chromatography. Total

product was obtained as ferulic acid and 0.828g of an R.f. 0.25. It is considered that the

acidification method is more effective than others. Expected compound is obtained with a

mixture of other components which were observed by ultraviolet light (UV). The half

nejayote is unstable to directly extract the ferulic acid to acidify it nevertheless allows the

microbial content through feruloyl esterase enzymes carry out hydrolysis for ferulic acid.

KEYWORDS: ferulic acid, hydrolysis, nejayote, corn, feruoyl esterase enzymes.

INTRODUCCIÓN

En México la Nixtamalización es un

proceso en el que el grano de maíz es

sometido a un tratamiento alcalino (cal,

hidróxido de calcio o lejía). Es un proceso

requerido para la elaboración de múltiples

alimentos a base de maíz, como las

tortillas, los tamales, los totopos, entre

otros. Debido a esto, en nuestro país se

generan diariamente cantidades

importantes del líquido residual de la

nixtamalización llamado “nejayote”, el

cual ha sido utilizado para la generación

de compuestos como el ácido ferúlico,

compuesto precursor en la producción de

vainilla, importante en la industria

farmacéutica por sus efectos terapéuticos

y como protector solar [1,2,3]. El objetivo

del presente proyecto es la obtención de

ácido ferúlico a partir de nejayote por

hidrólisis ácida.

El nejayote contiene diversos ácidos

cinámicos, entre ellos el acido ferúlico [4];

está compuesto principalmente de agua,

cal viva (CaMgO2) y residuos de

cascarilla y endospermo de maíz, también

contiene una gran variedad de

microorganismos [1, 5, 6]. El pericarpio de

maíz es la fuente más prometedora de

ácido ferúlico pues posee altas

concentraciones de este componente. Los

residuos de la industria de la tortilla

generalmente son desechados y utilizados

para preparar alimento para ganado. Así,

la utilización del nejayote como fuente

potencial de ácido ferúlico representa una

alternativa para disminuir el costo de

extracción de ácido ferúlico [1, 7, 4 ,6]. El

nejayote contiene diversos

microorganismos que son capaces de

catalizar la hidrólisis para obtener el ácido

ferúlico, la presencia de estos

microorganismos es gracias a su pH el

cual es aproximadamente de 9. En el

nejayote existen microorganismos

alcalófilos identificados como Bacillus

megaterium, productores de enzimas con

capacidad de catalizar reacciones a

determinado pH [8, 9]. Existen varios

métodos para extraer ácido ferúlico, el

método por hidrólisis alcalina o por

hidrólisis ácida del nejayote son de los

menos costosos y fáciles de realizar en

laboratorio. La hidrólisis alcalina no es

muy eficaz ya que se obtienen

rendimientos verdaderamente bajos o

impuros. Uno de los métodos más

importantes y mejores para la extracción

de acido ferúlico es la hidrólisis

enzimática, solo que existe un

inconveniente: El método enzimático no

es un método práctico para producir ácido

ferúlico comercial debido al alto costo de

la producción de enzimas a partir de

microorganismos [10]. Para identificación

de ácidos cinámicos en el nejayote

existen diversas técnicas, sin embargo La

técnica más usual, menos costosa y más

práctica es la cromatografía en capa fina [11]. Por todo lo anterior en este trabajo se

ha optado por la extracción de acido

ferúlico a partir de nejayote por medio de

hidrólisis ácida. Y para identificar la

presencia de dicho ácido se ha utilizado la

cromatografía en capa fina.

ANTECEDENTES

En 1866 Hlasiwetz y Barth en Innsbrucx,

Austria, aislaron ácido protocatecuico y

resorcinol de la resina comercial de una

planta conocida como férula foetida, al

mismo tiempo obtuvieron un precipitado

ligeramente amarillo después de la

adición de plomo divalente a una solución

alcohólica de la resina, luego de que la sal

de plomo fue lavada con alcohol y

reconstituido el ácido libre, se determinó

su composición como C10H10O4 lo

nombraron ácido ferúlico. Poca

investigación al respecto se realizó sobre

este recién descubierto ácido durante los

siguientes 60 años; en 1925 fue

sintetizado químicamente por la

condensación de vainillina con ácido

malónico catalizada con amina. Los

isómeros cis y trans fueron separados en

1957 y la estereoquímica del ácido

ferúlico fue revelada por RMN─13C y

confirmada por cristalografía en rayos X

en 1988 [12].

Origen biosintético del ácido ferúlico

Las plantas sintetizan una gran variedad

de productos secundarios que contienen

un anillo aromático con uno o más grupos

hidroxilos, incluyendo sus derivados

funcionales. Estas sustancias reciben el

nombre de compuestos fenólicos o

polifenoles. Desde el punto de vista de la

estructura química, los fenoles son un

grupo muy diverso que comprende desde

moléculas sencillas como los ácidos

fenólicos hasta polímeros complejos

como los taninos y la lignina. En el grupo

también se encuentran flavonoides y los

ácidos hidroxicinámicos (Compuestos

C6C3). Los compuestos fenólicos están

directamente relacionados con las

características de los alimentos, tales

como sabor, polaridad, efectos

farmacológicos, etc. Los ácidos

hidroxicinámicos son un grupo de

compuestos fenólicos encontrados

ampliamente en plantas y semillas,

conocidos principalmente por su función

antioxidante. Los principales ácidos

hidroxicinámicos son: ácido caféico,

ácido cumárico y ácido ferúlico. Este

último es el más abundante de los ácidos

hidroxicinámicos [7, 8, 10]. Su origen

biosintético se encuentra en los

aminoácidos fenilalanina y tirosina. Bajo

la influencia de enzimas, que para el

primero de ellos se llama fenilalanina

amónico liaza (PAL), dicho aminoácido

experimenta una transformación

funcional muy poco frecuente que no

tiene equivalente en procesos in vitro: la

eliminación de amoniaco en la

fenilalanina forma un doble enlace c=c,

dando lugar al ácido cinámico,

Posteriormente al hidroxilar el ácido

cinámico se forma el ácido p-cumárico el

cual es el precursor del ácido ferúlico.

Curiosamente, la mayoría de las plantas

no son capaces de llevar a cabo una

transformación semejante en el

aminoácido tirosina. Una notable

excepción son la gramíneas, que pueden

hacerlo gracias a disponer de una enzima

denominada tirosina amoniaco liaza

(TAL), equivalente a su efecto al enzima

PAL antes mencionado. El ácido

cinámico y p-cumárico son ejemplos

arquetípicos de compuestos

fenilpropanoides, es decir, del tipo

estructural C6C3. Sirven asimismo de

precursores biosintéticos de otros

compuestos C6C3. Mediante reacciones

de oxidación, reducción, alquilación, etc.

Estos ácidos no aparecen en la naturaleza

únicamente de forma libre, sino también

esterificando grupos hidroxilos de otras

estructuras, muy a menudo de tipo

carbohidrato [13].

Propiedades físicas del ácido ferúlico

Su nombre sistemático es: 3-(4-hidroxi-3-

metoxifenil)-2-propenoico (Imagen a).

Generalmente existe como el isómero

trans; las agujas ortorrómbicas de este

isómero pueden ser cristalizadas de agua

caliente. Su masa molecular es de 194

g/mol. Y su punto de fusión es de 174°C.

Es soluble en etanol, acetato de etilo y

agua caliente; moderadamente soluble en

éter y ligeramente soluble en benceno y

éter de petróleo. Es un fuerte ácido

diprótico; la disociación del primer protón

produce el anión carboxilato, la de un

segundo protón genera el anión fenolato.

El isómero trans absorbe fuertemente en

el ultravioleta a una longitud de onda de

248 nm y 307 nm en solución acuosa

pH=6; también exhibe una fuerte

fluorescencia.

Fuentes

Se encuentra presente en maíz, arroz,

trigo, avena, sorgo, forraje, café tostado,

tomate, espárragos, olivos, moras,

chicharos, frutos cítricos y hojas, en las

semillas generalmente se halla en la

fracción de la fibra. En sus fuentes

naturales es difícil encontrarlo en forma

libre, generalmente se encuentra como

éster, covalentemente enlazado con

monosacáridos, disacáridos,

polisacáridos, glicoproteínas, lignina,

betacianinas y otros carbohidratos y

biopolímeros insolubles de la pared

celular vegetal [8, 9, 14].

Capacidad antioxidante

La capacidad antioxidante del ácido

ferúlico deriva en su mayoría de su

habilidad de estabilizar a los radicales

libres, también disminuye los efectos de

la radiación ultravioleta, por ello es el

principal componente de varios

bloqueadores solares. Cualquier radical

que se encuentre cercano al ácido

ferúlico, fácilmente atrae a un átomo de

hidrógeno para formar un radical

fenoxilo, el cual está altamente

estabilizado por resonancia, dado que el

electrón libre puede deslocalizarse en

toda la molécula. Una estabilización extra

proviene de la conjugación en la cadena

lateral insaturada [16].

Composición Química del Maíz

El pericarpio se caracteriza por un

contenido elevado de fibra cruda,

aproximadamente el 87%, la que a su vez

está formada fundamentalmente por

hemicelulosa (67%), celulosa (23%),

lignina (0.15%) [1, 2, 3].

Mecanismos de Hidrólisis

El ácido ferúlico se encuentra ligado al

pericarpio del maíz por enlaces éster, para

poder liberarlo es necesario hidrolizarlo

químicamente o enzimáticamente. Las

feruoil esterasas, son enzimas que

ocasionan la liberación del ácido ferúlico

a través de la hidrólisis del enlace éster;

además son producidas por un gran

número de microorganismos que se hayan

presentes en el nejayote. Las feruoil

esterasas pertenecen a las cinamoil ácido

esterasas que son enzimas del tipo

carboxil éster hidrolasas. Estas enzimas

hidrolizan los enlaces éster formados

entre los ácidos hidroxicinámicos y los

azúcares primarios (a-L-arabinosa o P-D-

galactosa) de la red de polisacáridos de la

pared celular vegetal (Imagen 1). La

actividad ácido ferúlico esterasa (FAE)

fue detectada en los sobrenadantes de los

cultivos de Streptomyces

olivochromogenes y Schizophylum

commune. Años después aparece el

primer trabajo que detalla la purificación

y caracterización de una feruoil esterasa

(4-hidroxi-3-metoxicinámico ácido

esterasa), a partir del sobrenadante de los

cultivos de Streptomyces

olivochromogenes [15]. Para llevar a cabo

la hidrólisis la mayoría de las veces estas

enzimas necesitan interactuar con otras

enzimas ya que solamente un número

limitado de feruoil esterasas son capaces

de hidrolizar directamente el ácido

ferúlico a partir de la fracción insoluble

de la hemicelulosa estas enzimas se

activan en un pH ácido o básico, es por

ello que la hidrólisis acida es eficiente.

En el caso de la pared celular de las

semillas monocotiledóneas del maíz, se

encuentra en mayor proporción la

hemicelulosa, la cual consiste

principalmente de arabinoxilano o xilano,

cuya estructura reside en un esqueleto

formado por unidades de xilosa (150-200)

arregladas en forma lineal, con presencia

de ramificaciones que consisten de

unidades de otros azúcares como la

manosa, arabinosa, galactosa, glucosa,

arabinosa y ácidos glucorónicos. El

esqueleto de xilosa se encuentra a su vez

sustituido con residuos de α-L-arabinosil

en las posiciones 0-2 y 0-3 de las

unidades de xilosa. Además, algunos de

los residuos de α-L-arabinosa se

encuentran sustituidos en las posiciones

C-5 con moléculas de ácido ferúlico,

mediante enlace éster [8, 9]. (Imagen 2)

El ácido ferúlico se encuentra en

concentraciones elevadas en la pared

celular de diferentes plantas

monocotiledóneas, principalmente en el

maíz. El oligosacárido O-{5 -O-[(E)-

feruoil]-α-L-arabinofuranosil)-(1-3)-O-β-

D-xilopiranosil-(1,4)-D-xilopiranosa

(FAXX), es un ejemplo de oligosacárido

feruloilatado presente en el maíz (imagen

3).

El mecanismo de hidrólisis aún no ha sido

del todo estudiado, sin embargo, se cree

que ocurre por hidrólisis similar a la de

un éster en medio ácido, gracias a la

acción de las feruoil esterasas que son

activadas al llevar a medio ácido a los

microorganismos presentes en el nejayote [8, 9, 5, 6].

1. Lo primero que ocurre es que el grupo

carbonilo aumenta su reactividad al

protonarse.

(1)

2. Como en el medio de reacción existe

agua, una molécula es adicionada al

carbono del enlace C=O.

3. Existe un equilibrio ácido-base

intramolecular, entre el azúcar y el ion

hidronio generado a partir de la adición

de agua al carbonilo.

4. Una vez que se ha formado un

excelente grupo saliente por parte del

azúcar, la resonancia hace que salga

expulsado, generando otro intermediario

ácido. Este intermediario que se forma es

muy estable por la presencia de otro

grupo hidroxilo que permite deslocalizar

aún más la carga.

5. Por último el intermediario que se

generó anteriormente sufre otro equilibrio

ácido-base con el agua que se encuentra

en el medio, generando un ambiente ácido

en el sistema. Y liberando el ácido

ferúlico

(2)

(3)

(4)

(5)

OBJETIVOS

Aislar el ácido ferúlico por medio de

la hidrolisis ácida del nejayote.

Identificar por cromatografía en capa

fina el ácido ferúlico obtenido.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para La extracción e identificación de

acido ferúlico se ocuparon los siguientes

materiales y reactivos.

Material Reactivos

1 Vaso de

precipitados

de 1L

Nejayote

3 Matraces

Erlenmeyer

de 500ml

HCl

1 Embudo

Buchner

Acetato de

etilo

1 Matraz

Kitazato

Hexano

1 Espátula Ácido

acético

glacial

1 Probeta de

250ml

Ácido

ferúlico

como

estándar

5mg

1 Probeta de

25ml

Liquido

revelador.

4 Pipetas de

10 y 5ml

Sulfato de

sodio

anhidro

Lámpara UV Placas

cromatográfi

cas y cámara

Rotavapor Magneto

PROCEDIMIENTO

Procedimiento para obtener el nejayote

Se colocaron 3 litros de agua por 1Kg de

maíz, agregándole 5g de (cal viva)

CaMgO2 (a veces la cantidad de cal varía

dependiendo del tipo del maíz, para

calcular la cantidad de cal a usar el maíz

debe de cambiar a color amarillo intenso).

Se calentó el agua (Imagen b) hasta que

la cascarilla del pericarpio logro

desprenderse al tacto (frotarlo con las

yemas de los dedos).

Se dejo enfriar durante 24 horas,

enseguida se filtra el agua residual,

obteniendo aproximadamente 2 litros de

Nejayote.

Procedimiento para Extracción de

Ácido Ferúlico

1.- Se colocó un litro de nejayote en un

Matraz Erlenmeyer, éste se colocó sobre

una parrilla eléctrica en agitación

constante.

2.- Al vaso de precipitado se le agregó

ácido clorhídrico por goteo, hasta

alcanzar un pH de 6 y se mantuvo en

agitación por media hora (Imagen 4).

3.- Por consiguiente se filtró al vacío para

retirar partículas suspendidas de la

muestra (imagen 5).

4.- Terminado el paso anterior, el

contenido del vaso de precipitado se

dividió en 2 porciones de 500 mL.

5.- Se colocaron las porciones en un

embudo de separación con 100 mL de

acetato de etilo, se agitó el embudo de

separación y se dejó en reposo para

obtener una fase orgánica y una acuosa.

Enseguida se decantó, y se agitó la fase

acuosa por 20 minutos, este paso se repite

2 veces (Imagen 6).

6.- Se reunió el acetato de etilo obtenido

de la extracción (fase orgánica), se filtró,

se secó con sulfato de sodio anhidro y se

volvió a filtrar (Imagen 7). La fase acuosa

se neutralizo y se desecho.

7.- la fase orgánica Se destiló con

evaporador rotatorio. El residuo contuvo

ácido ferúlico y para comprobar su pureza

se realizó cromatografía en capa fina,

comparándolo con un estándar de ácido

ferúlico (Imagen 8).

Preparación de la cámara

cromatográfica

La preparación de la cámara para eluir la

muestra del estándar de ácido ferúlico y el

producto obtenido, consistió en una

solución de proporción 7:3 de hexano y

acetato de etilo más 2 gotas de ácido

acético glacial; total 10ml.

Como reveladores se usaron la Luz

Ultravioleta y un revelador de FeCl3 en

MeOH (imagen 9).

RESULTADOS.

Para llevar a cabo la acidificación del

Nejayote el cual se encontraba

inicialmente en pH 10 se agregaron

132gotas de HCl; equivalente a 2.5ml de

HCl

El residuo que se obtuvo del evaporador

rotatorio se identificó por medio de

cromatografía en capa fina como ácido

ferúlico, comparado con una muestra

estándar comercial de ácido ferúlico.

El peso inicial del envase con el

filtrado de ácido ferúlico fue de

151.173g.

El peso final del envase con el

extracto evaporado fue de 152.001g.

Se obtuvo como producto total 0.828g

R.f. cromatografía en capa fina: 0.25

DISCUSIÓN

Las paredes celulares vegetales contienen

más cantidad de ácido ferúlico, debido a

que éste se encuentra enlazado con los

polisacáridos, por ello resulta difícil

liberarlo y purificarlo.

A pesar de la abundancia del ácido

ferúlico en las paredes celulares el valor

teórico de obtención de éste es de 1g/kg [11]. Lo que está muy cercano con el

resultado que se obtuvo de 0.828 g, que

se extrajo. Finalizado el proceso se

realizó cromatografía en capa fina, para

identificar el compuesto orgánico que

había en el producto resultante, ya que

esta técnica es la única que hace posible

la separación de los componentes

haciéndolos visibles al revelarlo a la luz

UV. Se comparó el producto obtenido con

el estándar de ácido ferúlico, para

comprobar que éste fuera el esperado.

En este procedimiento se preparó una

cámara de desarrollo con los disolventes

que eran capaces de eluir los compuestos

del producto que se tenía, separando tres

platos teóricos debido a las diferentes

polaridades de los eluyentes.

Obtenidas las cromatoplacas se observó

que el estándar y la muestra eran

semejantes, aunque el compuesto que se

obtuvo en el laboratorio no era totalmente

puro; ya que en el procedimiento no se

utilizó carbón activado para purificarlo;

sin embargo se considera que el R.f.

observado que fue de 0.25, está dentro del

parámetro aceptado para extractos

vegetales que es de 0.2 a 0.8 [11]. Se

realizó 2 veces este procedimiento de

cromatografía, tanto del producto que se

obtuvo como el estándar del ácido

ferúlico, para tener un resultado más

confiable (Imagen 10).

CONCLUSIÓN

A partir del método usado para la

extracción de ácido ferúlico por

acidificación del Nejayote, se obtuvo el

compuesto esperado con una mezcla de

otros componentes que fueron observados

mediante la luz ultravioleta, esto significa

que el producto contenía trazas de otros

aceites esenciales característicos del maíz;

al compararlo con el estándar comercial

se observó un resultado semejante, que es

significativo para la identificación del

compuesto.

El método de hidrólisis ácida logra

reducir significativamente los costos del

procedimiento y el tiempo de operación

para realizar una extracción del ácido

ferúlico puro.

El Nejayote es un medio inestable para

extraer de forma directa el ácido ferúlico

por su pH alcalino de 9, al acidificarlo

con HCl y llevarlo a pH 6, se permite al

contenido microbiano por medio de las

enzimas feruoil esterasas llevar a cabo la

hidrolisis del enlace éster que une al acido

ferúlico a los residuos de a-L-arabinosa.

En cambio la alcalinidad y contenido

microbiano del nejayote crean un

ambiente de inestabilidad que ocasiona

variaciones importantes en la

concentración del Ácido ferúlico. Por esta

razón se obtuvieron estos resultados

mencionados en la discusión.

En base a todo lo anterior, podemos decir

que la extracción del ácido ferúlico por

medio de la hidrólisis ácida del nejayote,

se obtuvo satisfactoriamente debido a que

coincidieron los resultados de

cromatografía con la muestra comercial

de acido ferúlico.

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