Seguimiento de la formación de ésteres etílicos y etanol durante el proceso de centrifugación de pasta de aceituna

En el año 2013 el COI introdujo el contenido ésteres etílicos de ácidos grasos o FAEEs, (acrónimos de su nombre en inglés) como nuevo paramento de calidad para distinguir los aceites de oliva vírgen extra, ya que su contenido está relacionado con la frescura y la calidad de la aceituna. Los FAEEs son el resultado de una reacción de esterificación de los ácidos grasos libres (principalmente C16 y C18) con etanol. Los ácidos grasos libres son compuestos que aparecen de manera natural en el AOV a partir de la hidrólisis de los triglicéridos, especialmente cuando se estropea la aceituna. Por su parte, el etanol puede tener un origen natural como resultado del metabolismo del mismo fruto (etanol endógeno) de manera que su concentración depende tanto de la variedad de aceituna como de su estado de maduración (Beltran et al., 2015; Boudebouz et al., 2020). Sin embargo, cuando su origen son procesos fermentativos, el contenido de etanol dependerá principalmente del estado sanitario del fruto y de las prácticas de elaboración. De ahí su introducción en la norma oficial como parámetro de calidad.

No obstante, el hecho de que la norma limite el contenido en FAEE a 35 mg/kg para los AOVE, ha generado una situación preocupante para el sector (sobre todo tras la propuesta de reducir el limite a 30 mg/kg) ya que, en algunos casos, se considera muy difícil no superar estos límites (sobre todo cuando se trabaja con variedades con alto contenido de etanol endógeno) lo cual implicaría importantes pérdidas económicas para los productores. Todo esto nos lleva a una situación en la que para garantizar que los aceites producidos tengan valores de FAEEs por debajo del límite establecido, no basta con el control del estado de la aceituna, sino que también es necesario controlar las diferentes etapas durante la elaboración de AOV para intervenir en aquellas con mayor riesgo de aumentar el contenido de ésteres etílicos.

En este artículo, se presentan los principales resultados obtenidos al evaluar el efecto que la etapa de separación (decanter y centrífuga vertical) tiene sobre los FAEE y su alcohol precursor (etanol). Dichos resultados se obtuvieron llevando a cabo distintos ensayos que permitieron estudiar, por un lado, el efecto del flujo de adición de agua y, por otro, el ritmo de inyección de pasta en el decanter, ya que son dos intervenciones fáciles de realizar y que se pueden implementar en cualquier momento o tipo de decanter sin interrumpir el proceso. Además, como objetivo secundario de este trabajo, también se evaluó el efecto que tiene el paso existente entre el decanter y la centrífuga vertical en relación a los niveles de FAEEs y etanol del aceite final. Para asegurar la representatividad y fiabilidad de los resultados obtenidos, todos los experimentos se llevaron a cabo en una almazara en funcionamiento (Cooperativa La Granadella, Lleida, Cataluña) y trabajando en condiciones óptimas para la producción de AOV.

El primer grupo de experimentos evaluó el efecto que podía tener el distinto ritmo de inyección de pasta de aceituna sobre la producción de FAEEs. En este grupo de ensayos se fijó un caudal constante de agua inyectada al decanter de 150 l/h (~4% respecto de la pasta inyectada) y se testaron diferentes ritmos de pasta inyectada: 68% (3.400 kg/h), 76% (3.800 kg/h), 82% (4.100 kg/h) y 90% (4.500 kg/h) de la capacidad teórica del decanter (ritmos de trabajo que están dentro de los niveles recomendados para los decanters de dos-fases).

El segundo grupo de experimentos se centró en estudiar el efecto de inyección de pequeños volúmenes de agua en el decanter. En este caso lo que se fijó fue el ritmo de inyección de la pasta (76% de la capacidad del decanter) y se varió el caudal de inyección de agua a valores de: 0 l/h (0%), 100 l/h (3%), 200 l/h (5%) y 300 l/h (8%). En todos los casos, el porcentaje de inyección estaban por debajo del límite recomendado en un sistema de dos-fases (10-15% de adición de agua), para mejorar la extracción del aceite de pastas difíciles como es el caso de la variedad 'Arbequina', variedad con la que se realizaron todos los experimentos.

Para ambos grupos de experimentos se mantuvieron constantes el resto de los parámetros del proceso (molturación, batido y centrifugado vertical), incluidos los otros ajustes del decanter (las revoluciones y el diafragma de salida). Todas las condiciones de trabajo experimentadas permitieron un rendimiento normal para la variedad 'Arbequina' en la zona de Garrigues, donde las pérdidas de grasa con el alperujo se sitúan entre 10-15% sobre materia seca. Además, permitieron obtener aceites de buena calidad, ya que todos los criterios de calidad coincidieron con la categoría AOVE (acidez libre, índices de peróxido, K232, K270 y evaluación sensorial).

Tal y como se muestra en la figura 1, en los dos grupos de ensayos se realizó un balance del contenido de alcoholes y de FAEEs entre la entrada del proceso (aceitunas recién llegadas a la almazara) y las diferentes salidas del mismo (alperujo y aceite a las salidas del decanter y de la centrífuga vertical). De esta manera, fue posible determinar la cantidad de etanol y FAEEs de origen natural, los formados durante el proceso de producción e incluso los perdidos por evaporación o transesterificación.

Con respecto al uso de agua en el procesado de las aceitunas, es bien conocido que éste afecta negativamente a los compuestos minoritarios del AOV, principalmente a los compuestos volátiles y polifenoles, y por tanto a la vida útil y valor nutricional del aceite obtenido. Sin embargo, cuando los contenidos de FAEE son altos, la preocupación del productor está más relacionada con la categoría comercial final que podrá tener su aceite que con los valores nutricionales o la vida útil del mismo. Además, hay que tener en cuenta que existen nuevos dispositivos inyectores que permiten suministrar agua directamente al decanter sin mezclarla con la pasta y así disminuir el problema de la pérdida de polifenoles. También, hay que señalar que los maestros molineros necesitan equilibrar la cantidad y la calidad del aceite extraído, por muchas razones que no han sido consideradas en este estudio, de manera que, el estudio que aquí se presenta pretende darles más criterio para tomar tal decisión.

Para poder evaluar los resultados obtenidos de manera pormenorizada, se realizó el balance del contenido de etanol y FAEEs entre la entrada y la salida de cada etapa del proceso. Así, se calculó la cantidad de cada compuesto en cada fracción (pasta, alperujo y aceite de oliva) y se expresó en gramos por hora (g/h), teniendo en cuenta la cantidad total de cada fracción procesada en una hora y la concentración de etanol y FAEEs medidos en muestras alícuotas de cada fracción.

La tabla A, resume el balance de los compuestos estudiados entre la entrada y salida de la etapa de centrifugación (decanter y centrífuga vertical) y los resultados se comparan con respecto a la entrada (aceituna).

Los resultados demuestran que, aunque parte del etanol se elimina con el alperujo durante el procesado, existe una cantidad significativa de etanol (entre el 15 y el 25% de su contenido en el fruto) que puede alcanzar el aceite final. Por tanto, parece recomendable prestar especial atención al etanol y, en consecuencia, a los ésteres etílicos ya que, si no se aplican las condiciones adecuadas en el decanter, estos compuestos pueden aumentar su contenido en el aceite al final del proceso.

Tabla A. resultados de etanol (EtOH) y esteres etílicos (FAEE), en gramos por hora de trabajo, en diferentes pasos del proceso (aceituna, salida del decanter, salida de la centrífuga vertical).

Efecto del ritmo de inyección de pasta

A nivel del decanter, los contenidos de etanol y especialmente de FAEE mostraron una relación cuadrática con respecto al ritmo de inyección de pasta (Figura 2). Como era de esperar, el etanol y los ésteres etílicos mostraron tendencias inversas, que pueden estar relacionadas con la conversión del etanol en FAEE ya que la esterificación de los ácidos grasos libres con dicho alcohol es una reacción rápida. Por otro lado, los ensayos demostraron que los mejores resultados (menor cantidad de FAEE) se obtuvieron al trabajar dentro el rango de 76 a 82% de capacidad de la máquina ya que, a mayor ritmo de inyección, menor es el tiempo de permanencia del aceite en el decanter y menor el etanol transformado en FAEE. Sin embargo, alrededor de la capacidad máxima del decanter (95-100%), el sistema se desvía de las condiciones óptimas de trabajo y empeora el rendimiento de separación. En concreto, aumentaron tanto las pérdidas de aceite como el contenido de humedad del aceite, por lo que este mayor contenido de agua arrastrará más etanol en la fase oleosa (aceite sucio) que podría esterificarse en presencia de ácidos grasos libres. Esta hipótesis se confirmó observando la acidez del aceite final ya que, al trabajar en estas condiciones, la acidez disminuyó significativamente sugiriendo que algunos de los ácidos desaparecieron al reaccionar con el etanol, dando origen a los ésteres etílicos.

Figura 2. Efecto del ritmo de inyección de pasta al decanter: Contenido en etanol y esteres etílicos en el aceite a la salida dl decanter. Nota: D_1(azul) corresponde a frutos verdes; D_2 (rojo) frutos maduros.

A nivel de la centrífuga vertical, el contenido de etanol en el aceite (es decir, en el producto final) mostró una cierta tendencia cuadrática con un máximo cuando se trabajaba entre 76-82% de la capacidad del decanter y con valores ligeramente superiores en el caso de trabajar con aceitunas maduras. En cuanto a los FAEEs, se observó que la tendencia cuadrática en este caso era estadísticamente significativa para el caso de aceitunas maduras, donde los valores máximos de FAEE se encontraron trabajando a un ritmo de inyección entre el 76 y el 82% de la capacidad total del decanter. Como ya se ha indicado antoriormente, alrededor del 15-25 % del etanol que entra en el sistema (aceituna) puede llegar al aceite (Figura 3 izquierda), ya sea en forma de etanol o de ésteres etílicos.

Figura 3. Efecto del ritmo de inyección de pasta al decanter. balance de etanol y de esteres etílicos en el aceite a la salida de la centrífuga vertical respecto al fruto. Nota: fruit_1 (azul) corresponde a aceituna verde; fruit_2 (rojo) aceituna madura.

Comparando los valores de FAEE en el aceite con los de la aceituna, se observó que durante el proceso se produce una síntesis importante de FAEE, que puede aumentar hasta el 150% de su valor con respecto al del fruto. Sin embargo, cuando se regula el decanter para una salida de aceite más limpia, se observa una disminución importante de dichos compuestos. La explicación a este comportamiento implica dos procesos simultáneos: por una parte, el lavado de sus precursores de naturaleza polar a través del alperujo y, por otra parte, es posible que algunos FAEEs se hidrolicen durante el proceso, siendo lavados sus productos derivados.

Efecto de inyección de agua

Cuando se estudió este parámetro en el decanter, los resultados mostraron una relación cuadrática significativa entre la cantidad de agua inyectada y el contenido de etanol en el aceite. Además, los ensayos mostraron una clara interacción con la maduración de la aceituna, especialmente cuando se trabajaba con la mayor adición de agua (en este caso 8%). En estas condiciones, la concentración de etanol en la fase oleosa se reduce cuando se procesa aceituna verde pero aumenta en el caso aceituna madura, lo que implica la necesidad de reajuste de las condiciones de trabajo dependiendo de la aceituna procesada.

Por otro lado, la adición de agua tiende a arrastrar el etanol con el alperujo siguiendo una tendencia cuadrática con un máximo cuando un 5% de agua es inyectada (Figura 4 izquierda), lo que resultó en una mayor extractabilidad del aceite. Cabe destacar que la inyección de agua tiene un comportamiento opuesto al de la inyección de pasta de manera que cuando el ritmo de trabajo permite la máxima extractabilidad, en este caso, sólo un mínimo contenido de etanol es arrastrado con el alperujo. Esto sugiere que la inyección de agua es un mejor sistema de regulación, especialmente cuando se procesan frutos de baja calidad (con cantidades significativas de etanol).

Figura 4. Efecto de la inyección de agua al decanter. izquierda: Balance de etanol en el alperujo respecto al fruto, derecha: contenido en esteres etílicos en aceite a la salida del decanter. Nota: fruit_1 (azul) corresponde a aceituna verde; fruit_2 (rojo) aceituna madura.

El lavado de etanol a través del alperujo implica que su concentración en el aceite obtenido al final de proceso (salida de la centrífuga vertical) cuando las olivas son maduras sea significativamente menor que cuando éstas son verdes, para todos los experimentos realizados. Sin embargo, el contenido final de FAEEs observado a la salida de la centrífuga vertical no muestra una relación significativa con la adición de agua al decanter, como ya se puede intuir en la figura 3-derecha, donde a la salida del decanter los FAEEs en aceite oscilaron entre 10 y 20 mg kg^-1. Por tanto, mientras que entre el 12% y el 25% del etanol total procedente de las aceitunas puede alcanzar el aceite en la salida del centrífuga vertical, casi la totalidad de los FAEEs procedentes de la aceituna llegan al aceite final, independientemente de la cantidad de agua inyectada.

Aunque, en teoría, una parte de los alcoholes puede evaporarse a lo largo del proceso, nuestros datos no respaldan dicha hipótesis, sino que atribuyen la disminución del contenido de etanol a su esterificación, reacción que, a su vez, puede depender del estado de maduración de la aceituna. Así, cuando se trabaja con frutos menos maduros, el contenido de FAEE en el aceite a la salida del decanter puede duplicar el valor que se encuentra en las aceitunas. Sin embargo, estos valores no llegan al aceite final ya que se reducen drásticamente tras la clarificación del aceite en la centrífuga vertical. Aunque la centrifugación facilita la eliminación de una parte de estos compuestos, este proceso no explica un descenso tan marcado. Como ya se comentó anteriormente, los resultados sugieren que en este punto del proceso puede ocurrir cierta hidrólisis de los ésteres etílicos, lo que debería verse favorecido por la presencia de un alto contenido de agua en el aceite obtenido a la salida del decanter.

Además, los resultados a la salida de la centrífuga vertical mostraron que cuando se trata de aceituna más madura, el proceso de centrifugación no solo se veía afectado por la hidrólisis, sino que incluso aumentaba la concentración de FAEE. Este comportamiento implica que debe existir un paso intermedio entre la salida del decanter y la centrífuga vertical, donde se sintetiza una parte de los ésteres etílicos. Este paso corresponde al receptáculo que hay bajo el vibrofiltro, muy usual en muchas almazaras, cuyo diseño permite que los líquidos puedan permanecer en su interior durante un tiempo indeterminado y permite la fermentación de los azúcares diluidos en el agua vegetativa mezclada con el aceite en este punto. Es por tanto necesario prestar atención a esta etapa del proceso, limpiando dicho receptáculo periódicamente e incluso buscando soluciones técnicas alternativas, como de hecho ya se están ofreciendo al sector por parte de algunos fabricantes.

Punto crítico donde puede ocurrir una importante formación de esteres etílicos.

Consideraciones finales

Las reacciones asociadas a la síntesis, hidrólisis y lavado de los FAEEs y etanol a lo largo del proceso de centrifugación son complejas y dependen tanto de la calidad inicial de la aceituna como del manejo del sistema. Si no se realiza una gestión adecuada, hasta un 25% del etanol procedente de las olivas puede llegar al aceite final, con su posterior transformación en FAEEs. Por otra parte, la práctica totalidad de FAEEs presente en los frutos pasa al aceite al final del proceso.

La adición de agua al decanter puede ser una regulación más eficaz que la inyección de pasta, cuando se procesan frutos con un alto contenido en etanol o FAEEs.

El vibrofiltro a la salida del decanter es un punto crítico a controlar especialmente cuando se detectan problemas de acumulación de FAEEs o etanol en los aceites a la salida de la centrífuga vertical.

Agradecimientos

Este trabajo se realizó en colaboración entre el Insitituto de recerca y Tecnologia Agroalimentaria (grupo Olivicultura i Elaiotecnia) y la Universidad Rovira i Virgili (grupo iSens), gracias a una beca pre-doctoral concedida por el Consejo Oleícola Internacional (COI). Los autores quieren agradecer a la Cooperativa La Granadella y al Ministerio de Ciencia e Innovación (proyecto PID2019-104269RR-C33) por el soporte técnico y financiero concedido.

Bibliografía

• Alcalá, S., Ocaña, M. T., Cárdenas, J. R., Miquel, M. Á., Vilar, J., Espínola, F., Moya, M. (2017). Alkyl esters content and other quality parameters in oil mill: A response surface methodology study. European Journal of Lipid Science and Technology. 119(1). https://doi.org/10.1002/ejlt.201600026
• Beltrán, G., Bejaoui, M. A., Jimenez, A., Sanchez-Ortiz, A. (2015). Ethanol in Olive Fruit. Changes during Ripening. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 63(22), 5309–5312. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5b01453
• Biedermann, M., Bongartz, A., Mariani, C., Grob, K. (2008). Fatty acid methyl and ethyl esters as well as wax esters for evaluating the quality of olive oils. European Food Research and Technology. 228(1), 65–74. https://doi.org/10.1007/s00217-008-0907-x
• Boudebouz, A., Romero, A., Boqué, R., Aceña, L., Busto, O., Mestres, M. (2020). Quantitation of endogenous amount of ethanol, methanol and acetaldehyde in ripe fruits of different Spanish olive varieties. Journal of the Science of Food and Agriculture. 100 (7), 3173-3181. https://doi.org/10.1002/jsfa.10352
• Di Giovacchino, L. (2013). In Aparicio, R., Harwood, J. Handbook of olive oil. Analysis and properties. Second Edition. Chap. 3: Technological Aspects. Pp 57-96. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-7777-8
• Fregapane, G., Salvador, M.D. (2013). Production of superior quality extra virgin olive oil modulating the content and profile of its minor components. Food Research International. 54(2), 1907–1914. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2013.04.022
• García-Vico, L., Belaj, A., León, L., Rosa, R., De la Sanz, C., Pérez, A.G. (2018). A survey of ethanol content in virgin olive oil. Food Control. 91, 248–253. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2018.04.006
• Guerrini, L., Pantani O.L. and Parenti, A. (2016). The impact of vertical centrifugation on olive oil quality. Journal of Food Process Engineering. vol. 40, no.3, 2017. e12489. https://doi.org/10.1111/jfpe.12489
• Hermoso, J.F., Boudebouz, A., Ninot, A., Romero, A. (2021). Evaluation of the effect of a perimetral water injector at the decanter on the extractability and quality of olive oil. In: Abstracts book from Network Congress of Oliviculture, Citrus and Fruit Culture of the Spanish Society of Horticultural Sciences, on-line. 110-111.
• International Olive Council. (2013). Trade standard applying to olive oils and olive-pomace oils. COI/T. 15/Doc. No 3/Rev., 7.
• Jabeur, H., Zribi, A., Abdelhedi, R., Bouaziz, M. (2015). Effect of olive storage conditions on Chemlali olive oil quality and the effective role of fatty acids alkyl esters in checking olive oils authenticity. Food Chemistry. 169, 289–296. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2014.07.118
• Masella, P., Guerrini, L., Angeloni, G., Zanoni, B., Parenti, A. (2019). Ethanol from Olive paste during Malaxation, Exploratory Experiments. European Journal of Lipid Science and Technology. 121(1). https://doi.org/10.1002/ejlt.201800238
• Uceda, M., Jiménez, A., Beltrán, G. (2006). Olive oil extraction and quality. Grasas y Aceites. 57(1), 25–31. https://doi.org/10.3989/gya.2006.v57.i1.19
• Vidal, M.A., Alcalá, S., de Torres, A., Moya, M., Espínola, F. (2019). Centrifugation, Storage, and Filtration of Olive Oil in an Oil Mill: Effect on the Quality and Content of Minority compounds. Journal of Food Quality. 7381761-7. https://doi.org/10.1155/2019/7381761