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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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