Yisser García.pmd

EFECTO
DE LOS PARÁMETROS EN LA EXTRACCIÓN
ALCALINA DE COLORANTE DE BIJA.
PARTE 1
Yisser García*1, Margarita Núñez de Villavicencio1, José L. Rodríguez1, Idania Borrego1
y Luis Cruz2
1
Instituto de Investigaciones para la Industria Alimenticia, Carretera al Guatao, km 3½,
C.P. 19 200, La Habana, Cuba. E-mail: [email protected]
2
Facultad de Ingeniería Química, Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría”,
C.P. 19 390, La Habana, Cuba
RESUMEN
ABSTRACT
Se investigó la influencia de la temperatura (50 y 60 ºC), la
relación disolvente-semillas (3:1 y 5:1), la agitación (100 y
300 rev/min) y la concentración de hidróxido de sodio (0,5 y
1,0 N) en la extracción de colorante de bija. La extracción se
favoreció con el aumento de la temperatura y la disminución
de la concentración de sosa. La agitación prácticamente no
causó efectos en los niveles de extracción. Las relaciones
disolvente-semillas ensayadas no tuvieron incidencia en la
cantidad de pigmentos extraída.
Palabras clave: bija, colorantes de bija, colorantes naturales,
extracción, disolventes, agitación, hidróxido de sodio,
concentración.
Effect of parameters on alkaline extraction of
annatto colorant. Part 1
The effect of temperature (50 and 60ºC), solvent to seeds ratio
(3:1 and 5:1), agitation (100 and 300 rpm) and sodium hydroxide
concentration (0.5 and 1.0 N) on annatto extraction were
investigated. The extraction was improved with the temperature
increase and decrease in sodium hydroxide concentration.
Agitation practically did not affect the levels of extraction.
Solvent to seed ratio had no incidence on the amount of
pigments.
Key words: annatto, annatto colorants, natural colorants,
extraction, temperature, solvents, agitation, sodium hydroxide,
concentration.
INTRODUCCIÓN
30
Dos clases distintas de colorantes están disponibles
para uso en alimentos: sintéticos y naturales. A pesar
de que los primeros presentan menores costos de
producción y mayor estabilidad, el número de aditivos
sintéticos permitidos en muchos países está
disminuyendo cada año a favor de los pigmentos
naturales. Este hecho es debido a que muchos de ellos
son tóxicos después de un uso prolongado, causando
problemas a la salud (1). Además, el interés y demanda
por colorantes naturales en alimentos han aumentado
significativamente en los años recientes, principalmente
debido a que los consumidores consideran el consumo
de productos naturales como un factor esencial en el
incremento de la calidad de vida.
*Y
isser García V
igoa
*Yisser
Vigoa
igoa: Ingeniera Química (ISPJAE, 1996),
Investigador Agregado, Máster en Ingeniería de Alimentos, (ISPJAE,
2004). Actualmente trabaja en el Departamento de Confitería y repostería.
Sus principales líneas de trabajo son el desarrollo de nuevos productos,
tecnologías de transformación de cacao y elaboración de chocolate. Es
profesora adjunta de la Escuela Latinoamericana y del Caribe de
Chocolatería, Pastelería y Confitería.
El colorante de bija se obtiene a partir de las semillas de
la planta Bixa orellana L. Presenta una coloración que
varía desde el amarillo brillante hasta el rojo intenso. Sus
propiedades tintóreas se atribuyen a sus constituyentes
carotenoides, de los cuales la bixina constituye de 70 a 80 %
de la masa de pigmentos totales (3). La bixina además
Ciencia y Tecnología de Alimentos Vol. 18, No. 3, 2008
De la bija se fabrican los colorantes naturales más
difundidos en la industria de alimentos, aproximadamente
70 % de todos los colorantes naturales empleados y 50 %
de todos los ingredientes naturales que ejercen esa
función (2).
posee una elevada acción antioxidante. Sus dobles
enlaces conjugados actúan como excelentes
capturadores de radicales libres (4).
muestras de 1 mL de licor en diferentes instantes. El
tiempo total se estableció a partir de estudios
precedentes (5).
Para obtener el colorante de las semillas de bija, se
utilizan equipos de extracción sólido-líquido, para lo cual
se reporta en la literatura el empleo de diversos
solventes. A pesar de que la extracción con álcalis
resulta el método más difundido, en la literatura se
informan temperaturas que van desde 20 hasta 70 ºC y
relaciones soluto-disolvente (m/v) que oscilan entre 1:2
y 1:4. La agitación no ha sido estudiada y en la
generalidad de los casos se realiza de forma manual.
Con respecto a la concentración de las soluciones de
hidróxido de sodio aparecen diferentes valores que van
desde 0,001 hasta 1,25 N.
A las muestras se le realizaron las diluciones necesarias
para la lectura espectrofotométrica, con solución de
hidróxido de sodio 0,1 N. Las mediciones se efectuaron
con un espectrofotómetro JENWAY 6405 UV/ Visible,
en la zona correspondiente al espectro visible, a la
longitud de onda de 453 nm, donde ocurre el máximo
de absorción (6,7,8). Se utilizó como blanco una
solución de hidróxido de sodio 0,1 N.
El objetivo del presente trabajo fue estudiar, a escala
de laboratorio, la influencia de los parámetros
temperatura, relación soluto-disolvente, agitación y
concentración de hidróxido de sodio en la extracción
del colorante de bija.
MATERIALES Y MÉTODOS
La investigación se realizó con semillas de bija
parcialmente secas, con un contenido de humedad de
12,44 %. Se realizó un trabajo de selección para eliminar
materias extrañas provenientes de la planta y de las
labores de cosecha y semillas huecas, partidas o
arrugadas.
Para el estudio de los parámetros de extracción se
realizó un diseño experimental factorial 2 4 . Se
ensayaron dos niveles para cada variable en estudio:
temperatura (50 y 60 ºC), agitación (100 y 300 rev/
min), relación soluto-disolvente m/v (1:3 y 1:5) y
concentración de hidróxido de sodio (0,5 y 1,0 N).
El sistema de extracción empleado consistió en un
matraz 250 mL de capacidad. Se introdujo un agitador
de acero inoxidable acoplado a un motor. El matraz se
sumergió en un baño termostático de agua para
garantizar que la extracción se llevara a cabo a una
temperatura constante. A su vez, se instaló un sistema
similar, que operó de forma paralela al anterior, con el
fin de minimizar las afectaciones como resultado de
las extracciones sucesivas de muestras, de forma tal
que el volumen extraído se repusiera inmediatamente
a partir del sistema auxiliar. Durante 60 min, se tomaron
El cálculo de la concentración de pigmentos en el licor
se realizó a partir de la siguiente ecuación que se obtiene
de la Ley de Bouguer-Lambert-Beer (9):
C =
1%
1 cm
E
A
∗ l ∗ fd
donde: C: concentración, g /100 mL de solución; A:
absorbancia; l: longitud del paso óptico, cm
-1
-1
1 % : coeficiente de absortividad, [g/ 100 mL] *[cm] ;
E1cm
fd: factor de dilución.
El coeficiente de absortividad utilizado fue 2850 a
453 nm, correspondiente a soluciones de hidróxido
de sodio 0,1 N (6,7,8).
Teniendo la concentración de pigmentos en el disolvente,
expresada en g/100 mL de solución, se procedió al
cálculo de la masa de pigmentos extraída tomando en
consideración las relaciones soluto-disolvente para cada
alternativa y se expresó en g de pigmentos/100 g de
semillas.
Con la finalidad de determinar el comportamiento de la
masa de pigmentos extraída, bajo la influencia de las
variables consideradas en el diseño se procedió al ajuste
de modelos estadísticos. El ajuste de los modelos se
realizó a diferentes instantes, que coincidieron con los
de la toma de muestras durante el desarrollo de los
experimentos. Para el diseño y procesamiento de los
resultados se empleó el programa Design-Expert 5,
Versión 5.0.7 (1997).
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La Tabla 1 muestra los modelos estadísticos obtenidos
para los diferentes instantes, donde aparecen sólo los
términos que resultaron significativos. Los valores del
coeficiente de determinación (R2) indicaron que los
modelos resultaron adecuados para describir el
comportamiento de la masa de pigmentos extraída en
dependencia de las variables consideradas. En todos
los casos los modelos explicaron más de 80 % de la
variación de la variable respuesta.
El análisis de varianza de la regresión para todos los
modelos fue altamente significativo (p < 0,0001). En el
análisis de los residuos no se encontraron observaciones
atípicas. Los residuos estandarizados siguieron la
distribución normal.
En el caso de la concentración de la solución de hidróxido
de sodio, su influencia se vio reflejada en la generalidad
de los modelos ajustados. El signo negativo de los
coeficientes indicó que a la menor concentración se
obtuvieron mayores extracciones de pigmentos.
Al parecer, la concentración de iones hidroxilo de la
solución y por consiguiente el pH, influyeron en la mayor
o menor solubilidad de los pigmentos en el disolvente,
más aún cuando la solubilidad viene dada al ocurrir una
reacción de hidrólisis alcalina, también denominada
saponificación, donde la bixina (oleosoluble) se
transforma en la sal del ácido dicarboxílico denominado
norbixina, que es hidrosoluble. Es posible que a
concentraciones más elevadas puedan desarrollarse
reacciones colaterales que afecten la eficiencia del
proceso.
Tabla 1. Modelos estadísticos ajustados para la masa de pigmentos extraída
Tiempo
(min)
1
3
5
7
10
15
20
25
30
60
Intercepto
1,19
1,43
1,56
1,62
1,75
1,80
1,88
1,95
2,01
2,24
Ecuación del modelo en término de los factores codificados
A
B
C
D
A*D
B*D
0,100**
-0,081**
0,038*
0,053**
-0,097**
0,061**
0,045**
-0,100**
0,048**
0,065**
-0,110**
0,041**
0,081**
0,046**
-0,088**
0,088**
0,032**
-0,056**
0,120**
0,032*
-0,035**
0,046**
0,130**
0,071**
0,130**
-0,020*
0,055**
0,120**
0,033**
-
R
2
0,86
0,81
0,92
0,89
0,89
0,88
0,92
0,93
0,94
0,92
A: Temperatura; B: Agitación; C: Relación soluto-disolvente; D: Concentración de hidróxido de sodio;
(*) 0,01 < p ≤ 0,05 (**) p ≤ 0,01.
El término independiente del modelo se incrementó con
el tiempo, lo que evidencia que la masa de pigmentos
extraída aumenta a medida que la etapa extractiva
avanza.
Analizando los coeficientes de las variables
independientes se puede apreciar que la temperatura
influyó durante todo el proceso y se favoreció la
extracción de los pigmentos a medida que esta
aumentó. Un efecto similar fue obtenido en un estudio
precedente (10). Con el aumento de la temperatura la
solubilidad se incrementa, favoreciéndose así la difusión
de los pigmentos desde la matriz sólida hacia el seno
del disolvente (11). De manera simultánea también se
produce la disminución de la tensión superficial lo que
facilita el humedecimiento del sólido.
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La extracción con álcalis se encuentra bastante
difundida y en la literatura aparecen diferentes
concentraciones de las soluciones de hidróxido de sodio
equivalentes a: 0,001 N (8); 0,1; 0,5; 0,75 y 1,25 N (12).
En ningún caso se especificó por qué se eligió una
concentración en particular; pero se observa que en la
mayoría de los casos se utilizaron las inferiores a 1 N.
Aunque en algunos de los modelos ajustados, la masa
de pigmentos depende del efecto sinérgico de las
variables temperatura y concentración del disolvente,
el mismo no resultó generalizado.
La influencia de la variable agitación no se vio
representada en todos los modelos ajustados. En los
primeros minutos no apareció el término correspondiente
en el modelo. A partir de los 5 y hasta los 20 min de
manera general influyó favoreciendo la extracción al
mayor nivel de agitación. A partir de los 25 min su efecto
volvió a desaparecer. También apareció en interacción
con la concentración del disolvente, aunque este
comportamiento no fue generalizado.
La agitación favoreció la transferencia de masa debido
a la renovación continua del disolvente en la interfase
sólido-líquido. En los tiempos iniciales, la velocidad de
difusión de los pigmentos fue muy rápida, siendo muy
probable que la diferencia causada por los niveles de
agitación escogidos en este estudio no fuera
significativa. A partir de los 5 min los incrementos en la
masa de pigmentos extraída comenzaron a disminuir lo
que pudo deberse a que la fuerza directora del proceso
difusional disminuyó a medida que aumentó la
concentración de pigmentos en el licor. Bajo estas
condiciones la agitación, al parecer, comenzó a ejercer
un efecto significativo, favoreciendo el proceso a mayor
velocidad. A medida que avanzó el tiempo, las
concentraciones alcanzadas resultaron más elevadas
y la renovación continua de este disolvente tan
concentrado no pareció tener ninguna significación.
En un estudio precedente (10) se observó que el efecto
de la agitación sobre la masa de pigmentos, para estos
mismos niveles, si bien resultó significativa, la
contribución de esta variable sobre la masa de pigmentos
fue pequeña. A partir de este resultado puede
establecerse el nivel inferior de 100 rev/min lo que
conduciría a un menor consumo de energía en el
proceso de extracción por este concepto.
En la medida que la relación soluto-disolvente se
incrementa, una masa extraída representa una
concentración menor en el disolvente, determinando un
mayor gradiente de concentración el cual favorece el
desarrollo del proceso. Para los niveles escogidos de
esta variable no hubo diferencia significativa en la masa
de pigmentos extraída. El término correspondiente a
esta variable no apareció en ninguno de los modelos
ajustados. Cualquier relación entre 1:3 y 1:5 sería
conveniente; solo quedaría determinada por la
geometría del sistema extractivo para lograr que las
semillas quedaran completamente sumergidas en el
solvente, permitiendo una agitación adecuada. Siempre
habría que considerar que mientras menor sea la
relación hay un menor consumo de disolvente. Además,
hay que tener en cuenta, que para la obtención del
colorante final es necesario realizar posteriormente un
proceso de acidificación, por lo que mientras menor
sea el volumen del disolvente, menor será la cantidad
de ácido a emplear.
CONCLUSIONES
La temperatura y concentración de la solución de
hidróxido de sodio tuvieron influencia significativa sobre
la extracción de colorante de bija durante todo el
proceso. La extracción de pigmentos se vio favorecida
a mayor temperatura y a menor concentración del
disolvente. La influencia de la variable agitación no se
vio representada en todos los modelos ajustados. La
relación soluto-disolvente no ejerció diferencia
significativa en la masa de pigmentos extraída para los
niveles ensayados.
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