Extracción de oleorresina de cúrcuma (ORC)

La oleorresina de Cúrcuma longa (ORC) se obtuvo mediante la metodología presentada por ^{Wakte et al. (2011}) y ^{Li et al. (2014}) . La Cúrcuma deshidratada (6,4 % de humedad) se llevó a microondas (140 W por 1 min), luego se mezcló con solución de etanol:agua (40:60, relación sólido/solvente de 1:15 (g/mL)), y se sometió a extracción asistida por ultrasonido (Amplitud 45 % por 10 min con pulsos on:off (3:1), circulación de agua a 40 °C (Branson Digital Sonifier 450, USA). El extracto se filtró al vacío y se rotoevaporó (IKA RV8-S S99, Suiza) a una temperatura de 53 °C y una velocidad de 30 rpm, posteriormente se liofilizó (Labconco freezone 6 plus, USA) a una presión de vacío de 0,120 mBar y una temperatura de -60 °C por 24 horas y se conservó en refrigeración (4 °C) hasta su uso.

Caracterización de oleorresina de cúrcuma (ORC)

La caracterización de ORC obtenida se realizó con la determinación de rendimiento, fenoles totales (TPC) (^{Singleton et al., 1999}), ensayo ABTS (ácido 2'2-azino-bis-[3-etilbenzotiazol-6-sulfónico]) (^{Machado et al., 2015}) y contenido de curcumina (%C) (^{Syed et al., 2015}). El porcentaje de curcumina se obtuvo mediante la ecuación 1 reportada por ^{Patil et al. (2018}).

Donde:

Solubilidad de curcumina en aceites

La solubilidad de la curcumina se determinó utilizando método espectrofotométrico planteado por ^{Ahmed et al. (2012}) con modificaciones. Brevemente, se añadió curcumina en exceso en 20 mL de cada aceite a una temperatura de 80 °C por 10 min. La mezcla se sonicó (20 min) y se centrifugó (1750 rpm por 10 min). Las soluciones se mantuvieron a 25 °C por 24 h. Posteriormente, el sobrenadante fue diluido en aceite para lectura en el espectrofotómetro (Shimadzu UV 1800, Suiza). Se empleó una celda cero con aceite puro según el caso como referencia. Se calculó el contenido de curcumina utilizando una curva de calibración estándar para curcumina comercial en aceite de soya (R² = 0,9835, λ= 418,8 nm), girasol (R² = 0,9978, λ= 418,2 nm) y oliva (R² = 0,9913, λ= 417,8 nm). Para la oleorresina de cúrcuma (ORC) se obtuvo una curva de calibración con un R² = 0,9867, λ= 417,8 nm.

Formulaciones y preparación de nanoemulsiones

Preparación de la fase oleosa. Una vez se obtuvo el aceite en el cual la curcumina es más soluble, éste se calentó a 80 °C y se adicionaron 0,1890 mg ORC/g emulsión y el SPAN 80 agitando por un periodo de 1 hora.

Preparación de la fase acuosa. En paralelo con la fase oleosa, se preparó la fase acuosa, la cual acuosa contiene azida de sodio (N_aN₃) como antimicrobiano, según lo reportado por ^{Kharat et al. (2018}). La fase acuosa se llevó a 80 °C y se adicionó Tween 80 hasta observar su completa dilución.

Preparación de nanoemulsiones. Posteriormente, se mezclaron las fases y se llevaron a homogenización (Ultraturrax IKA, T18 digital, Brasil) (14.000 rpm por 15 min). Esta mezcla se sometió a ultrasonido (Branson Digital Sonifier 450, USA) (Amplitud 40 %, 15 min, baño de circulación de agua a 12 °C), condiciones establecidas mediante pruebas previas. Finalmente, las emulsiones se conservaron a temperatura de refrigeración alrededor de 5±1 °C hasta su aplicación. Para realizar la emulsión control se realizó el mismo procedimiento, pero reemplazando la oleorresina por curcumina comercial al 75 % (0,00191 mg de curcumina comercial/ g emulsión).

Pruebas de caracterización de nanoemulsiones

Cuantificación de curcumina. El contenido de curcumina en las nanoemulsiones se determinó según la metodología implementada por ^{Syed et al. (2015}), con modificaciones. Se mezclaron 0,5 g de emulsión (p/p) en 25 mL de metanol, se calentó en baño de agua a 60 °C hasta disolución completa (10 min), se agitó manualmente (15 min) y se sonicó (15 min) (Branson 2510R-DTH, USA), luego de lo cual se centrifugó (4.000 rpm por 10 min). Para cuantificar la cantidad de curcumina presente se utilizó la regresión lineal (R² = 0,9989), en tanto que el contenido de curcumina se expresó como porcentaje de retención (%CR) mediante ecuación 2 similar a lo reportado por ^{Aditya et al. (2015}) con modificaciones.

Donde:

Fenoles Totales. Se determinó el contenido de fenoles (TPC) de acuerdo con lo reportado por ^{Wolfe et al. (2003}). Se preparó la curva de calibración de ácido gálico (R² = 0,9986). Luego, se agregaron 60 µL de muestra a la concentración adecuada y 60 µL de RFC en todos los pozos, seguido de 180 µL de disolución de carbonato de sodio, siguiendo el proceso se llevó la microplaca a incubación 30 °C por 30 min, se llevó a vortex y se procedió a leer las muestras a 750 nm en el lector de microplacas.

Tamaño de partícula y morfología de emulsiones (TEM). Las emulsiones se caracterizaron por su tamaño y morfología teniendo como base el estudio realizado por ^{Lu et al. (2018}), mediante el uso de microscopio electrónico de transmisión (TEM) (JEOL, JEM 1011, Tokio, Japón) (100 kV). Se secó una muestra a temperatura ambiente por 24 h antes de obtener imágenes de las partículas bajo TEM, las cuales se analizaron con el software libre Image J (versión 1.50i).

Estabilidad. La estabilidad de las emulsiones fue determinada mediante el procedimiento presentado por ^{Sugumar et al. (2015}). Inicialmente, se centrifugó para probar la estabilidad a 3.500 rpm durante 30 min y se evidenció si había separación de fases, seguido de un ciclo de calentamiento-enfriamiento a temperaturas de 40 y 5 °C alternativamente, cada día durante 15 días.

Índice de cremado. El índice de cremado (%IC) se midió de acuerdo con la metodología reportada por ^{Aditya et al. (2015}). Las emulsiones se almacenaron en probetas de vidrio a 4±1 °C y 25±2 °C. Las mediciones se hicieron a intervalos de tiempo específicos (5, 10 y 15 días). El porcentaje de cremado expresado como porcentaje que permanece estable se determinó utilizando la ecuación 3:

Donde: .

Características fisicoquímicas de las emulsiones

Determinación de pH. El valor de pH de las emulsiones se midió por triplicado, usando un medidor de pH (Mettler Toledo, modelo FE20).

Determinación de color. Se determinaron las coordenadas de color de las emulsiones (b*) con un colorímetro Konica Minolta (Chroma Meter CR-400, Japón). El equipo se calibró, posteriormente se colocó una muestra (10 mL) en una caja de Petri y se iluminó con luz diurna artificial D65 (2 ángulos estándar).

Obtención bebidas acuosas. Las bebidas se desarrollaron de acuerdo con la formulación planteada por ^{Kim et al. (2014}). Brevemente, sacarosa (7,5 % p/v), ácido cítrico (0,2 % p/v), ácido ascórbico (0,1 % p/v) y benzoato de sodio (0,05 % p/v) se añadieron al agua y se disolvieron completamente. Para aportar color a las bebidas se incorporaron las emulsiones preparadas con anterioridad a base de oleorresina (EORC) y curcumina comercial (ECC), ambas con una concentración de curcumina de 1,88 µg/mL. La bebida control (tartrazina) se preparó mediante incorporación de 5 mL de solución (60 µg/mL, dentro de la dosis permitida). Se utilizaron botellas de vidrio esterilizado para almacenar el sistema de bebidas fortificadas con curcumina bajo refrigeración (4±1 °C).

Pruebas de evaluación en bebida acuosa

Contenido de curcumina. Se usó la metodología reportada por ^{Aditya et al. (2015}), con modificaciones. Para ello se tomaron 500 µL de bebida, se adicionaron 500 µL de metanol y se mezclaron completamente. Se usó un vortex (Boeco, V1 Plus) para romper la emulsión y solubilizar la curcumina, luego se centrifugó (16.000 x g por 40 min). El sobrenadante se diluyó adicionalmente con metanol según se requirió (200 µL de sobrenadante en 5 mL de metanol) y se cuantificaron utilizando espectrofotómetro UV vis y la curva de calibración para curcumina patrón (R² = 0,9989). Se expresó como porcentaje de retención de curcumina (%CR) como se hizo para emulsiones (Ecuación 2).

Turbidez. Las pruebas de turbidez se utilizaron para medir la formación de cristales de curcumina en sistemas acuosos usandoó un método espectrofotométrico reportado por ^{Kharat et al. (2017}). La turbidez en las bebidas se midió cada 24 horas, utilizando un espectrofotómetro (Thermo Scientific Genesys 10S UV-vis, China) a 600 nm, empleando una plancha de agitación (Thermo scientific SP131325Q) y un agitador magnético. La turbidez se calculó a partir de cada valor de absorbancia utilizando la ecuación 4:

Donde:

Características fisicoquímicas de las bebidas. Las características fisicoquímicas se determinaron de igual manera que en las emulsiones.

Tamaño de partícula y morfología de curcumina en bebida (TEM). El tamaño de partícula se determinó con la misma metodología usada en emulsiones.

Análisis estadístico

Todas las mediciones se realizaron por triplicado y se presentaron como media ± desviación estándar. El análisis estadístico se realizó mediante un análisis unidireccional de la varianza (ANOVA) utilizando el software InfoStat y prueba de Tukey a un nivel de significación del 5 %. Por otra parte, para analizar estadísticamente el comportamiento de los datos en el tiempo se usó un Diseño de Bloques Completamente al Azar (DBCA), donde los bloques fueron los días de estudio.

Solubilidad de curcumina comercial y oleorresina

En cuanto a la solubilidad, se encontró que la curcumina comercial es más soluble en aceite de oliva, seguido de soya y girasol con valores de 2,911±0,047, 1,940±0,165 y 1,519±0,024 mg de curcumina/mL de aceite (mg/mL), por que se seleccionó el aceite de oliva como fase oleosa para las emulsiones. Para ORC, la solubilidad fue 2,289±0,004 mg de oleorresina/mL aceite (0,142±0,003 mg curcumina /mL aceite).

Los resultados obtenidos mostraron que la solubilidad es alta en relación con la solubilidad de curcumina pura en agua reportada en otros estudios (456 μg/L) (^{Jakubek et al., 2019}). Además, la solubilidad obtenida en aceite de oliva tanto para CC como para el ORC es mayor a la reportado por ^{Araiza-Calahorra et al. (2018)} para curcumina aislada con un valor de 0,080 mg/mL (60 °C, 10 min), debido al coeficiente de partición relativamente alto de la curcumina P entre 2,3 y 2,6 (medida de la preferencia de la fase lipídica sobre la fase acuosa en un sistema disolvente bifásico, inmiscible) (^{Jamwal, 2018}).

Formulaciones y preparación de emulsiones

Las formulaciones obtenidas tanto para ECC como para EORC están compuestas por fase acuosa (FA) (84 %) y fase oleosa (FO) (16 %), la relación entre FA y FO fue de 5,25. La relación entre los surfactantes fue de 2,01 teniendo en cuenta sus balances hidrofóbicos (HLB): Tween 80= 15 y Span 80= 4,3. También se encontró que FO fue menor al 33 %, el uso de surfactantes fue menor al 32 % y el agua fue mayor al 50 %.

Pruebas de caracterización de emulsiones

El mayor porcentaje de CR de curcumina fue para ECC con un valor de 81,991 % con respecto a EORC (67,136 %). Esto se podría explicar debido a la influencia del pH (Cuadro 2), porque EORC tiene un pH inicial de 6,943 cercano a la neutralidad y esto puede ocasionar cambios en la estructura y estabilidad fisicoquímica de la curcumina (^{Kharat et al., 2017}); los mismos autores mencionan que la curcumina es relativamente estable en emulsiones acidas con porcentaje de CR entre 85 y 95 %, pero inestables en emulsiones alcalinas neutras con porcentajes de retención entre 53 y 62 % durante 30 días. Por su parte, ^{Aditya et al. (2015}) reportaron que la estabilidad de la curcumina en emulsiones fue 91 y 87 % después de 15 días de almacenamiento a 4 y 23 °C, respectivamente, con un pH de 2,85±0,3, por tanto su estabilidad es mayor. Además, los resultados de color (coordenada b*), demuestran que las coordenadas presentaron cambios entre el día 1 y 15, especialmente EORC (Figura 1, cuadro 2) con un pH cercano a la neutralidad (6,707±0,131), lo que indicaría que se produjo una leve degradación química de la curcumina (^{Martínez-Guerra et al., 2019}). ^{Kharat et al. (2018)} analizaron color (coordenada b*) en emulsiones O/W en función de surfactantes como caseinato de sodio, Tween 80, quillaja saponina y soluciones de goma arábiga, bajo condiciones de pH neutro (pH= 7,55 °C, 15 días), donde se nota una disminución del color entre los días 1 y 15 similar al comportamiento que se ha obtenido en el presente estudio.

Cuadro 2 Resultados para EORC y ECC, día 1 y 15. 

*letras diferentes evidencian diferencias significativas respecto al tipo de emulsión (EORC y ECC) y al tiempo (día 1 y 15).

Los resultados de porcentaje de CR se relacionan con los resultados obtenidos en TPC, para ECC pasó de 37,552 en el día 1 a 36,128 mg EAG/L en el día 15, valores ligeramente superiores a los obtenidos con EORC los cuales variaron de 35,830 a 35,466 mg EAG/L en el mismo tiempo. Además, los análisis ANOVA mostraron diferencias significativas entre el tipo de emulsión y entre los días 1 y 15.

Los resultados TPC obtenidos en las emulsiones (EORC y ECC) son inferiores a los obtenidos para ORC antes de su encapsulación, es decir, que es posible que las propiedades antioxidantes se hayan visto afectadas por las condiciones de emulsificación (ultrasonido y homogeneización) (^{Liu et al., 2019}). Sin embargo, más del 60 % de curcumina permaneció estable en ambos tipos de emulsión y, según ^{Kumar et al. (2019}), las fuerzas de cavitación creadas por el ultrasonido hacen que se produzca nanoemulsiones estables. Además, los resultados de estabilidad física en las emulsiones ECC y EORC en el periodo de estudio (15 días) permiten evidenciar que no se presentaron cambios importantes en cuanto a consistencia, debido a que las emulsiones se mantuvieron físicamente en fase homogénea (Figura 1), de color amarillo claro, sin formación de cremas, ni separación de fases después del almacenamiento, lo que demuestra que la curcumina en las emulsiones fue estable, esto se puede atribuir a que las nanoemulsiones a menudo tienen mejor estabilidad a la separación gravitacional, floculación y coalescencia que las emulsiones convencionales (^{Aswathanarayan & Vittal, 2019}).

Figura 1 . Estabilidad en emulsiones. a) ECC día 1. b) ECC día 16. c) EORC día 1. d) EORC día 16 

De acuerdo con la ANOVA, se encontró que los resultados de porcentaje de (%IC) para ECC a 4 y 25 °C no presentaron diferencias significativas ante los cambios de temperatura, contrario a EORC a 4 y 25 °C (Cuadro 3), aunque en lo relacionado con el tiempo ambas emulsiones presentaron diferencias significativas.

Cuadro 3 Resultados índices de cremado para EORC como ECC. 

*letras minúsculas indican diferencias significativas respecto a los tratamientos EORC y ECC a 4 °C y 25 °C.

*Letras mayúsculas indican diferencias significativas respecto al tiempo (día 1 y 15).

La estabilidad de EORC y ECC fue mayor con relación a otros estudios. Por ejemplo, ^{Aditya et al. (2015}) desarrollaron emulsiones a base de aceite de soya, aceite de oliva, aceite de girasol y triglicéridos de cadena media (MCT) y encontraron que el índice de cremado (%IC) es mayor para las emulsiones a base de aceite de oliva y soja ya que alrededor de 90 % permaneció estable.

Tamaño de partícula de las emulsiones y morfología

Teniendo en cuenta los resultados y el ANOVA, existen diferencias entre el TP obtenido tanto para los tipos de emulsión como su cambio en el tiempo (Cuadro 4). En el caso de ECC el TP aumentó, el cual puede estar relacionado con la maduración de Ostwaild (^{Liu et al., 2019}), sin embargo, es importante mencionar que en este estudio se encontraron nanoemulsiones (10-100 nm) que tienen una estabilidad mucho mejor a la agregación en comparación con la de las emulsiones convencionales, debido a su tamaño de gota muy pequeño (^{Liu et al., 2019}). En otros estudios, ^{Lu et al., (2018}) obtuvieron una nanoemulsión almacenada por 6 meses a 4 y 25 °C, con un TP de 12,4±0,5 nm y 16,7±0,6 nm respectivamente, lo que es comparable con los resultados obtenidos para ECC con TP entre 7,083 y 13,847 nm entre el día 1 y día 15 respectivamente.

Cuadro 4 Resultados bebida a base de EORC como ECC y bebida control (día 1 y 15). 

*letras diferentes evidencian diferencias significativas respecto al tipo de bebida y al tiempo (día 1 y 15).

*letras iguales no evidencian diferencias significativas respecto al tipo de bebida y al tiempo (día 1 y 15).

En cuanto a la morfología en emulsiones (Figura 2), las nanoemulsiones presentan forma esférica con glóbulos relativamente uniformes, sin formación de agregados. Sin embargo, EORC en el día 1 presenta forma esférica pero con ciertos bordes irregulares como estructuras dentadas en su superficie, similar a los reportado por ^{Ghayour et al. (2019}) quienes nanoencapsularon curcumina y quercetina en nanoestructuras micelares o las nanopartículas de caseína.

Figura 2 . Tamaño de partícula en emulsiones. a) EORC día 1 b) EORC día 15 c) ECC día 1 d) ECC día 15 obtenidas por microscopia electrónica de transmisión (TEM) (escala: 500 nm). 

Pruebas de evaluación en bebida acuosa

Según los análisis estadísticos ANOVA, se observa que hay diferencias significativas entre los tipos de bebida y el tiempo de análisis. La bebida con EORC presentó mayor porcentaje de %CR que la bebida con ECC con valores de 80,014 y 20,048 % respectivamente (Cuadro 4). EORC presentó resultados superiores a los reportados por ^{Aditya et al. (2015}), quienes obtuvieron una estabilidad de la curcumina en la bebida alrededor del 40 %. Sin embargo, para la bebida con ECC se puede afirmar que hubo una degradación de curcumina en el tiempo, lo cual va acorde con resultados anteriores que han mostrado una degradación hidrolítica de la curcumina en la fase acuosa bajo condiciones de pH ácidos (Cuadro 4) (^{Wang et al., 2019}), además de la posible degradación de curcumina por cristalización en medio ácido (^{Kharat et al., 2017}), acorde con la disminución de color (Cuadro 4, Figura 3).

Figura 3 . Estabilidad física de bebidas en el tiempo (EORC y ECC) y al tiempo (día 1 y 15). a) BebidasEORC, ECC y tartrazina (Control) día 1 b) bebidas EORC, ECC y tartrazina (Control) día 15. 

En otros estudios, ^{Kharat et al. (2017}) analizaron curcumina en bebidas acuosas y encontraron que la muestra comercial de curcumina (≥ 65 %), que en realidad consistía en una mezcla de curcuminoides, parecía tener una mejor estabilidad a pH 7 que la muestra de curcumina pura. Este resultado es acorde con estudios previos realizados por ^{Gordon et al. (2015}), quienes mencionan que la lenta degradación del extracto de cúrcuma en relación con la curcumina pura sugirió diferentes tasas de degradación para los curcuminoides en la mezcla de extracto en comparación con los compuestos puros, lo cual confiere mayor estabilidad de la curcumina en extracto ante el pH fisiológico, similar a lo encontrado en el presente estudio, teniendo en cuenta que se usó oleorresina de Cúrcuma longa, la cual contiene carbohidratos, curcuminoides, aceites esenciales, ácidos grasos, entre otros, en comparación a CC, la cual está compuesta por curcumina ≥ 75 %, bisdemetoxicurcumina ≤ 5 % y demetoxicurcumina ≤ 20 %, mediante análisis HPLC (Merck, 2019).

Por otra parte, analizando los resultados de turbidez como una medida de estabilidad física, muestran que no existen diferencias significativas entre la bebida con ECC y tartrazina, pero si hay diferencias con la bebida con EORC y en el tiempo para los tres tipos de bebida (Cuadro 4), siendo más turbia la bebida con EORC. En todos los casos se presenta un aumento de la turbidez con el tiempo (Figura 4), es decir que la curcumina es estable químicamente pero susceptible a formación de cristales y, por tanto, incremento en la turbidez (^{Kharat et al., 2017}). Además, la bebida con EORC posee diferentes curcuminoides ya que no se realizó purificación y, por tanto, estos tienen diferentes estabilidades según el pH, lo cual es importante entender y analizar con mayor profundidad para tomar decisiones durante el proceso de desarrollo de sistemas de entrega efectivos para este componente bioactivo.

Figura 4. Turbidez en el tiempo para los tres tipos de bebida. 

Tamaño de partícula y morfología de curcumina en bebida (TEM)

En cuanto a los resultados de TP obtenidos para las bebidas en estudio (Cuadro 4), se puede encontrar que a menor TP, la turbidez aumenta y, en el caso de la bebida con EORC, el TP inicial es la mitad en comparación a la bebida con ECC por tanto su turbidez es mayor, debido a que estas partículas dispersan la luz de manera más efectiva (^{Kharat et al., 2017}). Para la bebida con EORC se obtiene una disminución del TP de 22,355 nm a 5,732 nm y para la bebida con ECC de 41,028 nm a 5,309 nm.

En cuanto a la morfología en bebidas, se evidencia mediante imágenes de microscopia electrónica de trasmisión (TEM) (Figura 5) que las partículas presentan forma esférica con glóbulos relativamente uniformes, sin formación de agregados, con bordes lisos tal como se observó para las emulsiones, pero en este caso las partículas son dispersas en cuanto a cantidad por área.

Figura 5  . Tamaño de partícula en bebidas a) EORC día 1 b) EORC día 15 c) ECC día 1 d) ECC día 15 obtenidas por microscopia electrónica de transmisión (TEM) (escala: 500 nm).