2.1. Planteamiento de preguntas de investigación

El análisis se realizó siguiendo un proceso detallado que incluyó la formulación de preguntas de investigación específicas, las cuales se presentan a continuación:

PI1 : ¿Cuáles son los residuos generados en las etapas de preprocesamiento y procesamiento del cacao y cómo se caracterizan?

PI2: ¿Cuáles son las diferentes tecnologías emergentes de extracción que se aplican para la obtención de componentes presentes en los residuos de cacao, y qué beneficios presentan estos métodos ante las tecnologías convencionales?

PI3: ¿Qué productos se pueden generar a partir de los extractos obtenidos en los subproductos del cacao?

2.2. Cadenas de búsqueda

Partiendo de las preguntas de investigación formuladas, se estableció la siguiente cadena de búsqueda general para su implementación en las bases de datos: ("extraction") AND ("cocoa") AND ("non conventional" OR "emerging") AND ("waste" OR "residues") AND ("valorization" OR "utilization"). Esto con el fin de llevar a cabo un análisis de las publicaciones científicas concernientes a la temática principal, mediante la realización de un estudio bibliométrico para la evaluación de la actividad científica, para así conocer los autores, el impacto y la visibilidad de un tema en el rango de tiempo establecido.

2.3. Fuentes de información

Teniendo en cuenta la disponibilidad de las bases de datos, se reportan a continuación aquellas utilizadas para el presente estudio. Se emplearon Google Schoar, Scopus y ScienceDirect, incluyendo palabras clave en inglés: "extraction technologies", "cocoa", "waste", "emerging", "non conventional"y "valorization", buscando artículos entre 2013-2023, ordenados por relevancia, incluyendo citas, patentes y artículos.

2.4. Selección de la bibliografía

Para la selección de documentos se aplicaron criterios de inclusión y exclusión, los cuales se presentan a continuación:

Criterios de inclusión

Estudios originales y publicaciones científicas, como artículos de revistas, tesis doctorales y trabajos de conferencias, que investiguen la temática y den respuesta a los objetivos planteados.

Estudios que describieran y aplicaran tecnologías emergentes de extracción serán considerados para su inclusión.

Estudios que traten sobre la utilización y valorización de una variedad de residuos de cacao.

Estudios que investiguen diversas aplicaciones de los compuestos de alta valía obtenidos a partir de residuos de cacao serán incluidos, tales como alimentos funcionales, ingredientes cosméticos, productos farmacéuticos, entre otros.

Criterios de exclusión

Estudios que no estén directamente relacionados con la temática.

Estudios que se centren exclusivamente en el cacao como materia prima principal, en lugar de sus residuos, ya que el enfoque principal es la valorización de los subproductos.

Estudios que investiguen netamente tecnologías convencionales de extracción, para mantener la coherencia con el enfoque de tecnologías no convencionales.

Estudios con un alcance muy limitado, como investigaciones preliminares sin resultados sustanciales para asegurar la inclusión de investigaciones significativas y robustas.

Posteriormente, se llevó a cabo la selección de la información de acuerdo con los indicadores para valoración de la bibliografía, los cuales asignaban un puntaje de 1 a 5, los cuales se presentan en la Tabla 1. Se excluyeron estudios no relacionados con los criterios establecidos y se eliminaron los artículos científicos duplicados.

A partir de los documentos recopilados, se consideraron cinco criterios para su evaluación, los cuales se presentan a continuación:

Después, se generó la Tabla 2, en la cual sólo se incluyen aquellos documentos que al menos cumplieron con cuatro (4) de estos criterios.

Finalmente, se procedió con la redacción, enfocándose en el análisis y discusión de la información relevante sobre tecnologías no convencionales de extracción y su aplicación en residuos de cacao, con el objetivo de proporcionar un documento que sirva como base para la realización de futuras investigaciones en el tema.

3.1 Etapas de preprocesamiento y procesamiento del cacao.

El ciclo de producción del cacao se compone de etapas cruciales, las cuales aseguran la calidad del producto Anal. Desde la siembra hasta la cosecha, y a través de la fermentación, el secado y el tratamiento de los granos, cada paso es vital para obtener un cacao de excelencia (^{Álvarez,Vera e Ibañez, 2021}).

El preprocesamiento del cacao transforma los frutos maduros en granos de alta calidad mediante varias etapas. Inicialmente, la cosecha selecciona las vainas maduras, evitando dañar las vainas y las flores (^{Guda y Gadhe, 2017}). Luego, la apertura de la vaina extrae los granos, seleccionando solo aquellos sin signos de deterioro (Guda y Gadhe, 2017). La fermentación descompone la pulpa, desarrollando sabores y aromas distintivos (^{Predan, Lazâr y Lunghu, 2019}). El secado reduce la humedad de los granos fermentados al 5-8% para prevenir el moho (^{Dzelagha, Ngwa y Bup, 2020}). Finalmente, el almacenamiento mantiene la calidad de los granos secos en condiciones adecuadas, evitando la humedad y la adsorción de olores y aromas (^{Fowler y Coutel, 2017}).

El procesamiento del cacao comienza con la limpieza de los granos para eliminar impurezas (^{Gutiérrez, 2017}). El tostado desarrolla compuestos aromáticos y reduce la humedad, influyendo en el sabor y facilitando la separación de las cáscaras (^{Gutiérrez, 2017}). La eliminación de las cáscaras obtiene nibs, que se muelen para formar masa de cacao (^{Gutiérrez, 2017}). El licor de cacao se produce calentando y triturando la masa (^{Misailidis y Petrides, 2020}). Estas etapas, tanto en el preprocesamiento como en el procesamiento, son cruciales para la producción de cacao de alta calidad y su transformación en productos Anales como el chocolate.

En la Figura 1 se presentan las etapas del ciclo de transformación del cacao junto con los residuos generados en cada una de ellas, donde es clara la generación de residuo de la cáscara de la vaina en la etapa del procesamiento, y la generación de residuo de cáscara del grano en la etapa de procesamiento.

Fuente: Elaboración propia

Figura 1 Etapas de preprocesamiento y procesamiento del cacao y residuos generados. 

3.2 Caracterización de la cáscara de la vaina de cacao y de la cáscara del grano de cacao.

Tanto la cáscara de la vaina de cacao como la cáscara del grano son subproductos valiosos, ricos en diversos componentes con un amplio espectro de aplicaciones. La cáscara de la vaina, que representa más del 76% del peso seco del fruto, es una fuente abundante de fibra dietética, incluyendo fracciones solubles como la pectina y el ß-glucano, e insolubles como la lignina y la celulosa. Además, contiene antioxidantes, minerales, teobromina y polisacáridos no amiláceos como la hemicelulosa. Por otro lado, la cáscara del grano de cacao alberga fibras dietéticas (celulosa, hemicelulosa, pectinas, lignina), proteínas, carbohidratos, metilxantinas (teobromina, cafeína, teofilina), lípidos y compuestos fenólicos. Destaca por su bajo contenido de azúcares solubles y alto contenido fibroso, superando incluso al de los nibs, y los compuestos fenólicos presentes, con propiedades antioxidantes, la hacen útil en la industria alimentaria (^{Okiyama, Navarro y Rodrigues, 2017}). En la Tabla 5 se presenta la composición de ambos residuos.

Los subproductos de la cáscara de la vaina de cacao, que a menudo se descartan tras la separación de los granos, pueden aprovecharse de múltiples maneras. En la agricultura, pueden utilizarse como fertilizante orgánico, enriqueciendo el suelo con materia orgánica y nutrientes tras su descomposición. Dado que contienen Abra dietética, lignina y antioxidantes como polifenoles, la recuperación de estas fracciones y compuestos bioactivos puede generar ingresos para los agricultores y mejorar la sostenibilidad en comunidades agrícolas (^{Lu et al., 2018}).

En la industria alimentaria, los compuestos fenólicos actúan como antioxidantes naturales, los cuales pueden prolongar la vida útil de matrices alimentarias y mejorar la calidad de los aceites (^{Manzano et al., 2017}). Además, los compuestos bioactivos, incluidos los polifenoles, pueden enriquecer matrices alimentarias y ser utilizados como conservantes o suplementos (^{Mariatti, Gunjevic, Boffa y Cravotto, 2021}). Las pectinas, por su parte, tienen una función primordial como agentes gelificantes, contribuyendo a la textura en mermeladas, jaleas y conservas, así como en postres, productos lácteos y panadería (^{Reichembach y de Oliveira Petkovicz, 2021}). También se podrían utilizar como emulsionantes, estabilizando emulsiones de aceite en agua (Barrios-Rodríguez et al., 2021). Adicionalmente, se ha demostrado que esta pectina extraída de la vaina de cacao muestra propiedades antibacterianas y es adecuada como nutracéutico y excipiente farmacéutico funcional (^{Adi-Dako et al, 2016}), lo cual hace que este compuesto pueda tener potenciales aplicaciones en la industria farmacéutica.

Los extractos de la cáscara de cacao también tienen aplicaciones en la industria cosmética, ya que pueden contribuir con la protección de la piel contra el envejecimiento y mejorar su elasticidad gracias a sus compuestos antioxidantes (^{Vásquez et al., 2019}). Además, los residuos de cacao pueden utilizarse en la industria farmacéutica y biomédica. Sus compuestos bioactivos, como flavonoides y antocianinas, tienen propiedades antibacterianas, antiinflamatorias e inmunomoduladoras, lo que los convierte en fuentes valiosas para medicamentos y suplementos (^{Osorio, Florez-López y Grande-Tovar, 2021}). Se ha investigado su efecto en la prevención de caries y su actividad antibacteriana, demostrando su potencial en el cuidado bucal (^{Balentic et al., 2018}). A pesar de su valor nutricional, el uso de la cáscara del grano en alimentos para animales es limitado debido a la teobromina y cafeína, los cuales son compuestos estimulantes, pero hay reportes en los cuales se menciona que se ha utilizado en la alimentación de cabras, peces y cerdos (^{Pavlovic et al., 2020}). Es por ello por lo que la valorización de estos subproductos puede aumentar significativamente su utilidad en diversas aplicaciones, tanto alimentarias como no alimentarias.

Existen estudios en los cuales promueve la reutilización de residuos, la extracción de compuestos valiosos y la generación de productos sostenibles, impulsando la transición hacia una economía más circular; (^{Londoño-Larrea et al., 2022}) exploran la descomposición térmica de la cáscara de vaina de cacao, abriendo la posibilidad de su uso como fuente de energía. (^{Lu et al., 2018}) revisan estrategias para valorizar la cáscara y sus fracciones, maximizando el uso de recursos. (^{Campos-Vega et al., 2018}) resaltan la cáscara como fuente de compuestos bioactivos para diversas industrias, reduciendo la dependencia de recursos no renovables. Finalmente, ^{Soares y Oliveira (2022)} caracterizan compuestos bioactivos en subproductos del cacao, generando productos de valor agregado.

3.3 Tecnologías no convencionales de extracción

Como se ha mencionado anteriormente, para valorizar los residuos del cacao es necesario llevar a cabo la extracción de los compuestos de interés. Esta extracción es crucial en industrias como la alimentaria y la farmacéutica, lo cual implica etapas como la penetración del solvente en el material, disolución del soluto, difusión fuera del sólido y recuperación. Factores como el solvente, tamaño de partícula, proporción solvente-sólido, temperatura y tiempo afectan la eficiencia (^{Zhang, Ling y Ye, 2018}). Existen técnicas convencionales en la industria como la extracción de Soxhlet, maceración e hidrodestilación (^{Azmir et al., 2013}). A pesar de que esta técnica es eficaz, Soxhlet tiene desventajas como tiempo prolongado y uso de solventes tóxicos y poco amigables con el medio ambiente (^{Ramón y Gil-Garzón, 2021}).

Es por ello por lo que recientemente, se encuentran enfoques no convencionales con el fin de transformar la tecnología de la extracción, priorizando la eficiencia, selectividad y sostenibilidad ambiental. Los métodos de "extracción verde" buscan extractos de calidad sin impacto ambiental ni solventes tóxicos (^{Mariatti, Gunjevic, Boffa y Cravotto, 2021}). Estos métodos contemporáneos superan la limitación temporal y de solventes de los enfoques convencionales, revolucionando la obtención de compuestos valiosos de fuentes naturales (^{Lazarjani, Young, Kebede y Seyfoddin, 2021}). Dentro de estos métodos se encuentran: la extracción asistida por ultrasonido, la extracción enzimática asistida, la extracción asistida por microondas, la extracción con fluidos supercríticos y la extracción líquida a alta presión, las cuales se describen a continuación.

Extracción asistida por ultrasonido (EAU)

Esta técnica se basa en el uso de ondas ultrasónicas con frecuencias de 20 kHzmn y 100 kHz, que se encuentran fuera del rango de audición humana normal (^{Adetunji, Adekunle, Orsat, y Raghavan, 2017}). Originalmente se utiliza para la conservación de alimentos, y en la última década se ha aplicado para recuperar compuestos bioactivos, especialmente polifenoles. Aquí se aprovechan las ondas mecánicas, las cuales generan cavitación, un fenómeno en el cual burbujas microscópicas colapsan y crean puntos calientes con alta presión y temperatura. Este colapso asimétrico de las burbujas produce micro-chorros de alta velocidad que mejoran la transferencia de masa y la difusión de las moléculas objetivo desde la matriz hacia el solvente, aumentando significativamente la eficiencia de extracción, de acuerdo con lo reportado por (^{Ojha, Aznar, O'Donnell, y Tiwari, 2020}) y (^{Mariatti, Gunjevic, Boffa y Cravotto, 2021}).

Extracción asistida por microondas (EAM)

En esta técnica se usan ondas electromagnéticas para acelerar el proceso de extracción. Estas microondas generan calor, lo que conlleva al aumento de la temperatura de extracción y una mayor velocidad de transferencia de masa. Durante el calentamiento por microondas, se crea presión en la estructura de la matriz de interés, debido a la evaporación de la humedad, lo que aumenta la porosidad y facilita la penetración del solvente de extracción. Este calentamiento directo eleva las temperaturas y presiones locales, mejorando la penetración del solvente en la matriz y promoviendo la transferencia de los componentes objetivo hacia el disolvente, según lo descrito por (^{Tambun, Alexander y Ginting, 2021}), (^{More, Jambrak y Arya, 2022}) y (^{Wen et al., 2020})

Extracción asistida con enzimas (EAE)

Esta técnica adopta un enfoque sostenible al combinar enzimas con la matriz de interés, la cual busca el mejoramiento de la eficiencia general del proceso. Este método se centra en la ruptura de la pared celular de la matriz alimentaria mediante la hidrólisis enzimática, realizada bajo condiciones óptimas de extracción. Esta hidrólisis con enzimas conduce a la liberación de componentes bioactivos. La incorporación de enzimas es esencial para ablandar la estructura de la pared celular de la muestra, lo que facilita la penetración del solvente. Dado que los compuestos bioactivos, como los polifenoles y otros fitoquímicos, se encuentran dentro de las células y son difíciles de extraer, esta técnica favorece la liberación eficaz de estos componentes (^{Sridhar et al., 2021}).

Extracción con fluidos supercríticos (EFS)

Para llevar a cabo esta técnica, es necesario utilizar un fluido supercrítico, lo cual se logra sometiendo una sustancia a una temperatura y presión por encima de su punto crítico, donde no presenta las propiedades típicas de un líquido o un gas (^{Ahangari, King, Ehsani, y Yousefi, 2021}). La extracción con fluidos supercríticos, como el dióxido de carbono, ofrece ventajas sobre los métodos convencionales debido a las propiedades fisicoquímicas de los disolventes supercríticos, como su alta difusividad y baja viscosidad.

El dióxido de carbono es preferido por su seguridad ambiental y capacidad de eliminarse fácilmente del extracto (^{Da Silva, Rocha-Santos y Duarte, 2016}). La densidad del fluido varía con la temperatura, lo que afecta la solubilidad de los compuestos y su rendimiento en la extracción. Las temperaturas típicas están entre 303,15 K y 383,15 K, pero para compuestos bioactivos, se evita exceder los 333,15 K para prevenir la degradación. Para mejorar la solubilidad de compuestos polares, se emplea el etanol como co-solvente en concentraciones bajas, ya que es fácil de eliminar del extracto (^{Pico Hernández, Jaimes Estévez, López Giraldo y Murillo Méndez, 2019}).

Extracción asistida con líquidos presurizados (ELP)

Este enfoque de extracción se basa en la aplicación de niveles elevados de presión (30 atm - 200 atm) para mantener un solvente en estado líquido a temperaturas superiores a su punto de ebullición normal. Esta mayor presión agiliza el proceso de extracción al acelerar la solubilización del compuesto de interés.

El método de ELP optimiza el uso de solventes al combinar altas presiones y temperaturas, logrando así una extracción más eficiente. Al elevar las temperaturas de extracción, aumenta la capacidad de disolución del compuesto, mejorando su solubilidad y velocidad de transferencia de masa, y reduciendo la viscosidad y tensión superficial de los solventes. Todo esto contribuye a una extracción más rápida y efectiva (^{Azmir et al., 2013}).

En la Tabla 6 se presentan diferentes estudios, los cuales han explorado la extracción de compuestos de la cáscara de cacao utilizando diferentes métodos y condiciones.

Los resultados reportados que utilizan diferentes técnicas de extracción no convencional presentan ventajas y desafíos en comparación con los métodos convencionales. Los desafíos incluyen el uso de grandes volúmenes de solventes, riesgos de solventes orgánicos, tiempos prolongados, baja selectividad y rendimientos reducidos. La demanda actual busca enfoques alternativos que superen estos problemas, priorizando métodos no convencionales que acorten los tiempos de extracción, reduzcan el uso de solventes peligrosos y sean más eficientes en términos energéticos y de consumo de agua (^{Pagano et al, 2021}).

Las técnicas no convencionales de extracción generalmente presentan ventajas como tiempos de extracción más reducidos y una mayor eficiencia en la obtención de compuestos. Esto conlleva a la disminución del consumo de recursos como energía y solventes, resultando en una mayor productividad y una menor huella ambiental en el proceso de extracción. Estos enfoques de extracción verde, al ser más versátiles y selectivos en la recuperación de productos, tienen el potencial de contribuir al desarrollo de una industria más sostenible (^{Freitas et al., 2021}).

El desarrollo de enfoques de extracción basados en principios ecológicos está ampliando la investigación en este campo. La sustitución de solventes convencionales por alternativas más sostenibles, como solventes eutécticos profundos, líquidos iónicos y tensioactivos no iónicos, se ve como una opción viable para recuperar compuestos naturales y evitar la generación de desechos perjudiciales. Sin embargo, las técnicas de extracción verde enfrentan desafíos propios, como altos costos iniciales, gastos operativos considerables, complejidad en la configuración, capacitación requerida y costos de mantenimiento, lo que limita su aplicación a gran escala (^{Picot-Allain,Mahomoodally, Ak y Zengin, 2021}).