UTILIZACIÓN DEL CARBÓN ACTIVAD DE ESCBAJ DE UVA PARA EL ABATIMIENT DE CRATXINA A (TA) EN VINS Nora D Martínez, Rosa B. Venturini 1, Ana María Rodríguez, Eduardo Strazza Instituto de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan, Argentina Av. Libertador San Martín 1109 (), San Juan, Argentina 1 roventu@unsj.edu.ar RESUMEN Uno de los principales requerimientos en la comercialización internacional de vino y mosto de uva se refiere a concentración de cratoxina A (TA), compuesto orgánico generado por hongos usualmente presentes en los viñedos. Esta toxina, de efecto cancerígeno, puede aparecer en la uva en fresco, uva pasa o en vinos y mostos producidos a partir de uva contaminada. Al menos 99 países tienen reglamentaciones para micotoxinas. Si bien en la actualidad es práctica común el uso de carbón activado comercial para clarificar vinos, no se conoce la influencia del mismo en el abatimiento de TA. En este trabajo se utilizó carbón activado obtenido a partir de escobajo de uva, residuo de la industria vitivinícola, como adsorbente para eliminar o disminuir a valores permitidos la concentración de TA en vino. El carbón vegetal se obtuvo carbonizando el escobajo a 820K en atmósfera inerte. Este carbón se sometió a lixiviación con ácido clorhídrico al 5% y posterior activación física utilizando vapor de agua. Para llevar a cabo los ensayos de adsorción se sembró una muestra de vino con TA. La concentración obtenida, medida por HPLC, fue de 3,29 µg/l. De este vino sembrado se tomaron tres muestras de 200 ml, poniéndose en contacto cada una de ellas con 25, 50 y 100mg de carbón activado malla 30, con agitación permanente a 300K. En cada ensayo se determinó concentración de TA a los 30, 60 y 120 minutos, por extracción de alícuotas de 30 ml, las cuales se centrifugaron realizándose luego el proceso de clean-up con columnas de inmunoafinidad y posterior medición por HPLC. En todos los ensayos se obtuvo disminución en la concentración de TA, de acuerdo con la cantidad de carbón utilizado, alcanzando hasta un 88% de abatimiento para 100 mg de carbón. PALABRAS CLAVE TA, carbón activado, adsorción, HPLC. 1. INTRDUCCIÓN La agroindustria es una de las industrias más fuertemente ligada al desarrollo económico de la provincia de San Juan, Argentina, especialmente la relacionada con la uva y todos sus derivados. Entre ellos, el vino y el mosto son productos por los cuales la provincia es reconocida a nivel internacional, siendo San Juan el principal exportador de mosto concentrado de la República Argentina. Para ello se deben mantener los estándares de calidad de estos productos, dado que los países que los
importan imponen condiciones cada vez más estrictas en sus respectivas legislaciones. Uno de los principales requerimientos en la comercialización internacional de los productos mencionados se refieren a concentración de cratoxina, compuesto orgánico (ver Figura 1) generado por hongos tipo Penicillium verrucosum, Aspergillus ochraceus y Aspergillus niger que se encuentran en forma natural en la vid, especialmente en años donde las lluvias sobrepasan los valores normales promedio de precipitación. La producción de esta toxina está influenciada por el valor de la actividad del agua (entre 0,80 y 0,90) y la temperatura (entre 277 and 310 K, variable de acuerdo con el microorganismo productor. tros factores involucrados pueden ser el uso de pesticidas, condiciones de transporte de la uva en fresco, condiciones de fermentación, etc. Figura 1. Molécula de TA. La cratoxina A (TA) tiene propiedades carcinogénicas, nefrotóxicas, teratogénicas e inmunotóxicas cuando se incorpora al organismo humano en altas concentraciones. Esta toxina, aparece en la uva en fresco y, en consecuencia, en los vinos y mostos producidos a partir de uva contaminada. La legislación vigente en la mayoría de los países que tienen límites de tolerancia de esta toxina, indica que para vinos la cantidad máxima permitida de TA es de 2 µg/l. En este trabajo se utilizó carbón activado [1] obtenido a partir de escobajo de uva, residuo de la industria vitivinícola, como adsorbente para eliminar o disminuir a valores permitidos, la concentración de TA en vino. El Instituto de Ingeniería Química cuenta con un laboratorio de análisis que determina TA por HPLC (Cromatografía Líquida de Alta Resolución), método exigido por la normativa de la República Argentina. 2. EXPERIMENTAL 2.1 PREPARACIÓN DEL CARBÓN ACTIVAD El material utilizado para la obtención del carbón fue el escobajo de uva, esqueleto leñoso que queda luego de extraídos los granos del racimo de uva, residuo de la industria del vino, del mosto y de la pasa de uva. Para obtener el carbón, se siguió el protocolo descripto en trabajos previos [2], [3]. El material elegido se sometió a carbonización, llevada a cabo mediante un proceso batch en un reactor tipo retorta de acero inoxidable con atmósfera inerte de nitrógeno, a 773 K, manteniéndose durante 2 horas. Se utilizó una termocupla tipo K y un controlador digital para establecer y controlar la temperatura de las muestras [2], [3], [4]. El carbón obtenido se sometió a una etapa de lixiviación con HCl al 5% en peso, para reducir el contenido de sodio y potasio. Se secó en estufa y posteriormente se realizó la activación física con vapor de agua para conseguir la formación la porosidad característica de este tipo de material. La activación se realizó en horno eléctrico a 1153 K con un caudal de 1,7g de vapor de agua/g de materia car-
bonizada por hora, manteniéndose las condiciones de operación por 105 minutos. Se enfrió en atmósfera de nitrógeno y se molió a malla 30. 2.2 CARACTERIZACIÓN Los parámetros texturales se determinaron mediante ensayos de adsorcióndesorción realizados en un equipo Autosorb-1 (Quantachrome). Las muestras se desgasificaron a 473 K bajo vacío durante 10 horas, con una presión final menor a 10-4 mbar. A partir de los datos obtenidos de las isotermas de adsorción se estimó el área superficial específica por BET [5] y el volumen específico total de poros, convertida a volumen de líquido tomando para el nitrógeno una densidad de 0,808 g/cm 3. El volumen específico de microporos se determinó usando el modelo de Dubinin-Radushkevich [6]. La distribución de tamaños de poro se analizó usando el método BJH [7]. Se determinó el ph y se midió el punto de carga cero (Pzc) para conocer la carga neta en superficie, usándose el método de titulación másica propuesto por Noh y Schwartz [8]. Se realizaron, además, ensayos para medir acidez y basicidad, con el objeto de medir la concentración total de grupos ácidos y básicos superficiales [8] y se determinó cenizas, según Noma ASTM 2866-94. 2.3 ENSAYS DE ADSRCIÓN Para llevar a cabo los ensayos de adsorción se sembró una muestra de vino con TA a partir de patrón R-Biopharm Rhone. De este vino sembrado se tomaron tres alícuotas de 200 ml, poniéndose en contacto cada una de ellas con 25, 50 y 100 mg de carbón activado, con agitación permanente a una temperatura ambiente de 300 K. En cada ensayo se extrajeron tres muestras de 30 ml cada una a los 30, 60 y 120 minutos. En todos los tiempos se midió el ph de la solución para probar si un cambio en el mismo podía modificar las condiciones de adsorción. Las nueve alícuotas extraídas se centrifugaron por 1 minuto para quitar las partículas de carbón. Se retiraron 20 ml de sobrenadante y los otros 10 ml de residuo se volcaron nuevamente en el recipiente para no modificar la cantidad de carbón activado presente en la muestra ensayada. El método de determinación de TA ha sido validado por la institución y se basa en la Norma UNE EN 14133:2004. Las muestras se sometieron al proceso de cleanup con columnas de inmunoafinidad CHRAPREP, con posterior elución con metanol. La TA se midió por cromatografía, usando un Cromatógrafo Perkin Elmer serie 200 con detector por fluorescencia. 3. RESULTADS Y DISCUSIÓN 3.1 CARACTERIZACIÓN La isoterma de adsorción-desorción para el carbón activado de escobajo se muestra en la Figura 2. En la Figura 3 se presenta las distribuciones de tamaño de poro analizadas usando el método BJH. En la Tabla I se exponen los parámetros texturales obtenidos a partir de los datos de adsorción. Los valores de la tabla muestran que el carbón activado obtenido tiene un área superficial, volumen total de poro y volumen de microporo que lo hacen adecuado para ser utilizado como un buen adsorbente. Se trata esencialmente de un material altamente microporoso.
En la Tabla II se presentan los resultados de las determinaciones de ph, acidez, basicidad, el punto de carga cero (P zc ) y cenizas. El carbón presenta elevada basicidad en superficie, concordante con los resultados de ph y el valor de P zc. En trabajos previos se determinó la existencia de alto contenido en sodio y potasio, concordante con la elevada cantidad de cenizas, aún después del lavado con ácido clorhídrico. Figura 2. Isoterma de adsorción de N 2 a 77K. Figura 3. Distribución de tamaño de poros. Área superficial BET [m 2 /g] Tabla I. Parámetros texturales. Volumen total de poro [cm 3 /g] Volumen de microporo [cm 3 /g] 816,0887 0,55027 0,423104 Tabla II. Resultados de determinación de ph, acidez y basicidad, P zc y cenizas. ph Acidez [mmol/g] Basicidad [mmol/g] Pzc %Cenizas 10 0,28 1,30 11,30 10,2 Los carbones activados son de naturaleza anfótera. Esto implica la coexistencia de grupos ácidos y básicos en su superficie. La basicidad está asociada con la presencia de estructuras del tipo cromeno, quinona y γ-pirona (Figura 4) y con la presencia de electrones π deslocalizados sobre el plano basal de la superficie del carbón activado. Los grupos ácidos están relacionados con la existencia de estructuras tales como carboxilos, carbonilos, fenoles y lactonas. H R Grupo cromeno γ-pirona quinona Figura 4. Estructuras posibles en la superficie del carbón de comportamiento básico.
3.2 ENSAYS DE ADSRCIÓN La concentración de TA obtenida en la muestra sembrada inicial fue de 3,29 µg/l. El ph de las soluciones, en todo momento y en todas las muestras se mantuvo en 3,5 unidades de ph, cualquiera sea la cantidad de carbón activado agregado. El ph normal de un vino tinto está entre el 3,3 y el 3,6. La presencia de tan pequeña cantidad de carbón no modificó en nada la acidez natural de la muestra. En la Figura 5 se presentan como ejemplo, dos de los cromatogramas obtenidos para el ensayo con 100 mg de carbón activado: el correspondiente a la muestra sin tratar y el de la muestra tratada con carbón activado por 120 minutos. (a) (b) Figura 5. Cromatogramas obtenidos en el ensayo con 100 mg de carbón activado. (a) Tiempo 0 y (b) 120 minutos de contacto. En todos los casos, el abatimiento de TA fue marcado, según se ve en la Figura 6. Como era de esperarse, mientras mayor es la cantidad de carbón activado agregado, mayor es la actividad adsorbente del material, de modo que la concentración de la micotoxina (Figura 6-a) decrece continuamente desde el valor inicial hasta el máximo valor a los 120 minutos. Para una mejor comprensión se presenta en la
Figura 6-b un gráfico mostrando el abatimiento en porcentaje, desde el valor inicial hasta el obtenido luego de 120 minutos de contacto. En las muestras tratadas con 25, 50 y 100 mg de carbón, la caída de concentración de toxina alcanzó el 56, 75 y 88% respectivamente al tiempo final. (a) (b) (b) Figura 6. Curvas de abatimiento de TA con diferentes cantidades de carbón activado. (a) Concentración de TA versus tiempo de contacto. (b) Abatimiento de TA en porcentaje respecto de la concentración inicial. Las curvas obtenidas son regulares y su forma hace pensar que podría seguir la adsorción por más tiempo, haciéndose asintótico a un valor que podría estar determinado por la cantidad de sitios activos en la superficie del carbón o por la disponibilidad de microporos con entrada libre, teniendo en cuenta de que se trata de un carbón con alto contenido en poros de tamaño menor a los 2 nm. Cuando un carbón con gran cantidad de grupos superficiales básicos se encuentra en medio ácido, queda con cargas predominantemente positivas, correspondientes con la pérdida del H con su electrón en el grupo cromeno y la pérdida de un electrón del basal. Probablemente estas cargas positivas actúen como enlaces con la molécula de TA. 4. CNCLUSINES Con este trabajo se pudo probar la actividad del carbón activado obtenido a partir escobajo de uva para eliminar ocratoxina A presente en vino. Este carbón activado, obtenido a partir de residuos de la industria vitivinícola, se comporta como excelente material adsorbente. Su comportamiento es el esperado de acuerdo con el tiempo de exposición. Esto es, la actividad del adsorbente aumenta con un aumento en el tiempo de exposición, tendiendo a una línea asintótica que depende de la cantidad de carbón activado que se utilice. Con respecto a la cantidad de material adsorbente usado, a mayor cantidad, mayor es al abatimiento de TA. La cantidad de carbón a utilizar dependerá del nivel de ocratoxina A que tenga el vino. Con bajas concentraciones de TA, bastarán pequeñas cantidades de carbón con tiempos cortos de contacto.
AGRADECIMIENT Los autores de este trabajo agradecen a la Universidad Nacional de San Juan, Argentina, por el apoyo financiero para llevar a cabo las actividades previstas. REFERENCIAS [1] Rodríguez-Reinoso F.; Carbons, Schüth F, Sing K, Weitkamp J, editors, Handbook of porous solids, Germany: Wiley-VCH, 2002. [2] Deiana, A., Petkovic, L., Silva, H., Aguilar, E., Sardella, M., Venturini, R.; Residuos y subproductos para la obtención de briquetas de Carbón Activado, VI Curso-Taller Iberoamericano de Adsorbentes y Catalizadores para la Protección Ambiental, Redes Temáticas VC y VC CYTED, p. 9, Caracas, Venezuela, 2002. [3] Martínez N., Venturini R., Silva H., González J., Rodríguez A.; Copper on Activated Carbon for Catalytic Wet Air xidation, Materials Research, Vol. 12, No. 1, 1-00, 2009. [4] Tancredi N, Cordero T, Rodríguez-Mirasol J, Rodríguez J., Activated carbón from Uruguayan eucalyptus Wood, Fuel, 75(15):1701-1706, 1996. [5] Brunauer S, Emmett P, Teller E., Adsorption of gases in multimolecular layers Journal of the American Chemical Society, 60(2):309-319, 1938. [6] Rouquerol F, Rouquerol J, Sing K., Adsorption by powders & porous solids: principles, methodology and applications, Academic Press, UK, 1999. [7] Greg S, Sing K.; Adsorption, Surface area and Porosity, Harcoury Brace & Co. Publishers; 1982. [8] J. S., SCHWARZ, J. A.; Effect of HN 3 treatment on the surface acidity of activated carbons, Carbon, 28:5, 675 682, 1990. DATS DEL AUTR: RSA BEATRIZ VENTURINI Es Ingeniero Químico y Especialista en Higiene y Seguridad del Trabajo de la Universidad Nacional de San Juan. Es Magister en Ciencias de Superficies y Medios Porosos de la Universidad Nacional de San Luis. Es Profesora Adjunta a cargo del dictado de la asignatura Física para la carrera Ingeniería Agronómica en la Facultad de Ingeniería de la UNSJ. Es investigadora del Instituto de Ingeniería Química de la UNSJ. Sus trabajos, publicados en congresos y revistas con referato, han estado dirigidos especialmente a la producción y usos de carbones activados de origen vegetal provenientes de productos regionales o residuos de la agroindustria.