Extraccion de Bixina de Achiote

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II EXTRACCION DE COLORANTE (Bixina) A PARTIR DE SEMILLAS DE ACHIOTE (Bixa orellana L.) INTRODUCCION Los colorantes naturales se dividen en “tintes” y “pigmentos”. Los tintes se definen como compuestos que interaccionan químicamente con el sustrato coloreado (p. e. textiles) por otro lado, los pigmentos, muy usados en la industria farmacéutica, no forman enlaces químicos con el sustrato, y para que pueda adherirse a la superficie del sustrato se tiene que mesclar con un adhesivo. El cultivo de achiote ha adquirido importancia, principalmente, por la presencia de colorante en la semilla. Este colorante natural, como otros, está desplazando a los colorantes sintéticos por los efectos que éstos ocasionarían al utilizarse en la dieta humana. Además, la Organización Mundial de la Salud, considera al colorante obtenido del achiote como uno de los pocos permitidos, por no ser tóxico y no alterar el sabor de los alimentos (Hernández, 1988). Estos aspectos han incrementado su exportación. Este colorante se usa en la industria alimentaria para la coloración de mantequillas, margarinas, quesos, yogurts, aceites, néctares, productos de panadería y confitería (SGS, 1991). El annato puede obtenerse mediante extracción acuosa, alcalina o con otros solventes como aceites, propilen-glicol, alcohol etílico y tricloro-etano. El método más utilizado es el de extracción alcalina. Sin embargo, los principales mercados de exportación (Estados Unidos, Europa y Japón) desean que se eliminen los métodos de extracción que utilizan productos químicos (Liceras, 1988). El uso de enzimas (pectinasas, celulasas, hemicelulasas) que degradan la pared celular, facilitaría la extracción acuosa del colorante (Godfrey, 1983). Estas enzimas que actúan sobre componentes insolubles tales como celulosa, hemicelulasas y pectina permitirían obtener un colorante (annato) de mayor pureza y calidad. Asimismo, permitiría dejar de lado las sustancias químicas utilizadas actualmente en los métodos de extracción industriales. El presente trabajo tuvo como objetivo obtener esta extracción acuosa, alcalina-acida en la extracción de colorante a partir de semillas de achiote (Bixa orellana L.).

OBJETIVOS:  Determinar el fundamento de extracción de colorantes naturales.  Extraer el colorante crudo de achiote (bixina)  Realizar la extracción dela Bixina mediante el método alcalino condiciones para la obtención de un buen rendimiento

con mejores

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UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II JUSTIFICACION. Hoy en día el uso de los colorantes es vital en los productos puestos en los mercados, esto debido a que en algunos se usa los colorantes para mejorar su apariencia y color, esto significa el rechazo o la aceptación de estos de parte del consumidor, esta situación no solo es común, si no que se a convertido en una necesidad. Después de la segunda querrá mundial el descubrimiento de los colorantes sintéticos (derivados de petróleo, aluminio y del carbón) sustituyo el uso de los naturales. La importancia de los colorantes naturales como sustitutos de los artificiales (Food and Drug Administration FDA, 2002) Los colorantes sintéticos certificables son, aprobados para su uso por la FDA, existen 8 colores certificados que son Amarillo #6, Amarillo #5 Azul #1 Azul #2 Naranja B, Rojo Citrus, Rojo #40, Verde #3. Los aditivos colorantes exentos de certificación incluyen los pigmentos derivados de fuentes naturales, o animales entre ellos se se incluyen los colorantes obtenidos de las semillas (la pepa) del aguacate y del achiote asi como extractos vegetales (FDA 2002/ OMS, 2006) Los industriales han vuelto los ojos nuevamente hacia los colorantes naturales dentro de los cuales la Bixina, extraída del Achiote, tiene un gran potencial. Es una sustancia con alta resistencia a ls agentes químicos por lo que resulta muy apropiada para colorear todo tipo de alimentos y bebidas (Smith y Col, 1992) El achiote tiene una gran importancia económica y cultural en muchos países. Muchas son las estrategias que se han buscado para cambiar las formas de producción. Por su naturaleza química, los colorantes ´pueden ser Inorgánicos y orgánicos. El cultivo de achiote no requiere de muchos cuidados, en la actualidad no existen muchas empresas que se dediquen a la extracción de los colorantes. Se sabe hasta el momento que el mejor rendimiento de la semilla de achiote se obtiene por medios alcalinos USOS En la industria: .  En Centroamérica se usa como colorante y condimento diario en las comidas  Tales como el arroz preparado de varias formas, en caldos, consomés o sopas, recaudos y en la preparación de carnes y embutidos.  La mayor utilización de los extractos del achiote es en la fabricación de quesos; también se usa como colorante de la mantequilla, principalmente por su contenido de pro vitamina A.  La materia colorante se emplea en la tintorería para dar colorido y fuerza a otras sustancias colorantes que adquieren así notable brillantez para teñir telas de lana, seda y algodón. Se emplea también para colorear alfombras.  En confitería se usa en la fabricación de dulces y caramelos. CURSO: TECNOLOGIA DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES CICLO: IX SEMESTRE: 2012 –II ALUMNO: RUIZ YOPLAC LORD KELVIN

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II  En la industria de helados, sorbetes y paletas.  Colorantes: De la porción carnosa (arilo rojo naranja) que envuelve la semilla se extrae un colorante apreciado industrialmente para dar color a productos alimenticios tales como el queso, la mantequilla y los aceites; También las ceras, barnices, pinturas, cosméticos y fibras textiles de seda y algodón. El aceite extraído de las semillas es la principal fuente de los pigmentos Bixina y Norbixina u orellina, clasificados como carotenoides.  La semilla del achiote contiene 40 a 45% de celulosa; 3.5 a 5.5% de sucrose; 0.3 a 0.9% de aceite esencial; 3% de aceite fijo; 4.5 a 5.5% de pigmentos, 13 a 16% de proteínas, tan bien conocida como alfa y beta carotenoides y otros constituyentes. Extractos de alcohol etílico de el fruto seco y las hojas muestran que tiene una actividad in vitro contra Escherichia coli y Staphylococcus aureus; Un extracto en agua de la raíz tiene actividad hipertensivo en ratas y una suave actividad relajante en cerdos de guinea y un extracto de cloroformo de semillas secas muestran que tiene actividad hipo glicémica en perros.

MARCO TEORICO. ASPECTOS GENERALES DEL ACHIOTE Nombre común: Achiote Otros Nombres Comunes: Colombia y Perú: Achote, achiote, onoto, bijo, bija, urucu., pumacoa. Ingles: Annato-tree. Alemán: Orleans Baum. Nombre científico común: Bixa orellana Taxonomía Familia: Bixaceae. Género: Bixa. Especie: orellana Fruto: Es una cápsula dehiscente de forma hemisférica, ovoide, elipsoidal o cónica carnosa, de 3 a 5 cm. de largo recubierto por espinas rígidas o flexibles de tamaño variable que puede llegar a 6 mm, ocasionalmente ausentes; presenta 2 valvas recubiertas internamente por una membrana placentaria a la cual están adheridas las semillas, aproximadamente 50 de color rojo vivo hasta amarillo dependiendo del cultivar.

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Semillas: Pueden ser de forma cónica o triangular, de 3 a 4 mm de base y 3 a 4 mm de altura, las cuales están cubiertas por una membrana fina y blanquecina, debajo de esta se encuentra una capa roja y carnosa en donde se encuentran los pigmentos colorantes o tinte. Conforme madura el fruto aparecen en la superficie de las semillas en papilas rojas que llegan a cubrirlas por completo. El pigmento que se encuentra en las semillas constituye alrededor del 4-5% del peso total de las mismas.

ZONAS DE PRODUCCION: El Perú ofrece condiciones ecológicas óptimas para su cultivo en la costa, valles interandinos y en la selva. En la costa: en huertos familiares desde Tumbes hasta Moquegua. En la Ceja de Selva: Tingo María, Satipo, Apurimac, Cusco y Cajamarca, también en huertos pequeños incluso en Selva Baja. A nivel mundial se cultiva en Kenia, India, Ecuador, Brasil, República Dominicana, Colombia, Bolivia, Bélice, Costa de Marfil, Costa Rica, Guatemala, Guyana, Haití, Jamaica, México, Sri Lanka, Surinam, Angola, Nigeria, Tanzania, Filipinas, Hawai

FUNDAMETO SOBRE LA EXTRACCION DEL COLORANTE Los colorantes son sustancias de color intenso que puede usarse para producir un alto grado de coloración cuando se dispersan en otros materiales o se hacen reaccionar con los mismos mediante un proceso que, cuando menos temporalmente, destruye la estructura cristalina de la sustancia. Este último punto es la característica que distingue a los colorantes de los pigmentos, que casi siempre se aplican en forma de agregados a cristales insolubles. La mayoría de los colorantes naturales son de origen vegetal; pueden ser compuestos puros o productos de extracción. Estos últimos son obtenidos de materia primas alimentarias y pueden ser asociadas en otras moléculas. Entre los más importantes encontramos a los carotenoides, que son un grupo de compuestos solubles en lípidos, ampliamente distribuidos en el reino vegetal. Tienen dos funciones, principales en las plantas durante la fotosíntesis y como materia colorante en flores y frutos, aparecen como flores amarillas, mientras que en los frutos son también de color rojo o naranja. La bixina es el principal pigmento de achiote, es un carotenoide natural soluble en aceite que se forma naturalmente en la superficie de la semilla de Bixa orellana L. CURSO: TECNOLOGIA DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES CICLO: IX SEMESTRE: 2012 –II ALUMNO: RUIZ YOPLAC LORD KELVIN

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II Este pigmento natural se puede obtener mediante separación por métodos de cromatografía. Su punto de ebullición es de 198 °C. Es soluble en acetona, cloroformo y soluciones acuosas alcalinas, es soluble en agua, ligeramente soluble en alcohol etílico propilenglicol, etc. La bixina es muy estable entre 60-80 °C e inestable por encima de 80 °C el colorante crudo es de color rojo anaranjado y posee un color amargo. Existen preparaciones de Bixina, los extractos solubles en agua, la norbixina es muy soluble en agua, la elaboración de soluciones (0.5 – 4% de norbixina) por hidrolisis alcalina es una práctica comercial usual y es frecuente mente llamado annato de simple poder. El método de extracción del pigmento denominado solución de Hidróxido de Sodio, se realiza a través de una reacción química, donde un átomo de hidrogeno del grupo carboxilo del compuesto de bixina es remplazado por un átomo de sodio de Hidróxido de Sodio formándose una sal llamada bixinato de sodio, luego se acidifica la solución de bixina de sodio con ácido clorhídrico al 1.5N para poder lograr precipitar un colorante constituido por bixina. La norbixina es un pigmento carotenoide soluble en agua (Hidrosoluble) formado de Bixina mediante hidrolisis alcalina COLORANTES (Bixina y Norbixina). Hay dos productos principales de achiote, la Bixina y la Norbixina, el pigmento se encuentra en la superficie de la porción carnosa (arilo Rojo- Naranja) que envuelve a la semilla de achiote. Son compuestos algo diferente químicamente entre ellos, siendo la Bixina soluble en las grasa e insoluble en el agua, y Norbixina en la inversa, el aceite extraído de semilla es la principal fuente de los pigmentos Bixina y Norbixina, clasificados como carotenoides. Como el resto de los carotenoides, los extractos de achiote son susceptibles a la degradación oxidativa. La pérdida del color también ocurre por la exposición prolongada a la luz, temperatura elevada y la presencia de dióxido de sulfuro (Preston y Richard, 1980); desde que se conoce la Bixina en la naturaleza, su estereoquímica a sido objeto de investigación. La Bixina es insoluble en agua ligeramente soluble en etanol y fácilmente soluble en éter y en los aceites. Su espectrometría máxima en Cloroformo es de 502 Nm, y de la Norbixina en solución diluida de KOH es de 482 Nm (Norma oficial Mexicana NOM – 119-ssa1 1994)

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UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II Bixina

Formula química y estructura: cis- Bixina C24H30O4 Norbixina

Formula química y estructura: cis- Norbixina C24H28O4

MATERIALES Y METODOS.         

50 g. de semilla de achiote Balanza analítica Estufa Centrifuga Cocina Olla NaOH al 1% (100mL) HCl 1.5 N (20mL) Agua destilada

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UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA EXTRACCION DE LA BIXINA (Método de solución alcalina) SEMILLAS DE ACHIOTE

SELECCION

NaOH 1% 20mL

EXTRACCION 1

EXTRACTO 1

EXTRACCION 2

EXTRACTO 2

NaOH 1% 20mL

EXTRACCION 3

EXTRACTO 3

HCl 1.5N 9mL

PRECIPITACION ÁCIDA

NaOH 1% 20mL

SEPARACION

LAVADO

CENTRIFUGACION

SECADO Y MOLIENDA

NORBIXINA CURSO: TECNOLOGIA DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES CICLO: IX SEMESTRE: 2012 –II ALUMNO: RUIZ YOPLAC LORD KELVIN

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Descripción de diagrama de flujo para la extracción de la Bixina. Selección.- se eliminaron las semillas negras húmedas y fermentadas y con rasgos de enfermedad Extracción 1: Se realiza la primera extracción del pigmento utilizando 40mL y 1mL de NaOH al 1% para solubilizar fácilmente el principio colorante del achiote, agitar constantemente a temperatura ambiente durante 10 min. Hasta agotar la semilla. Extracción 2: A los sólidos insolubles (semillas desgastadas) se le realiza la segunda extracción del pigmento utilizando 30mL de agua y 20mL de NaOH para solubilizar la otra parte de colorante del achiote. Agitando constantemente a temperatura ambiente durante 10min hasta agotar la semilla. Extracción 3 A los sólidos insolubles (semillas desgastadas) se le realiza la tercera extracción del pigmento utilizando 30mL y 20mL de NaOH para ultima extracciones colorante, agitando constante mente a temperatura ambiente durante 15 min. Separación: luego se procede a separar la solución del extracto llamado solución de Bixinato de Sodio de las semillas agotadas y se lavó con 50mL de agua destilada (4 veces), con la finalidad de arrastrar los restos de colorante adheridos a la semilla. Filtrado: Se filtró al vacío, se lavó con agua destilada y se clarifico para eliminar los restos de sales que contuvo la Bixina por el NaOH. Centrifugación. Se procedió a centrifugar después de haber agregado el HCl y reducido el PH hasta 2.9 la cual es su punto isoeléctrico, con la finalidad de poder precipitar la Bixina durante la centrifugación a 4000Rpm durante 15min. Secado: Se secó el sólido precipitado a temperatura de 70°C por 30 min. Molido: luego de todas estas operaciones se procede a moler la Bixina con la finalidad de obtener una granulometría más fina y de fácil solubilizarían como colorante. RESULTADOS: PESO COLOR PH INICIAL PH FINAL GASTO RENDIMIENTO

Rojo - Anaranjado 8.7 2.9 9mL 4.4%

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Resultados de las muestras colocadas a la estufa a 70°C x 30 min Placa Peso Placa + Muestra Peso Placa Peso Muestra Placa N°1 Placa N° 2 Placa N° 3 Placa N° 4

Rendimiento

DISCUSIONES.  Se pudo determinar que es un carotenoide acido, y que su punto isoeléctrico es de 2.9 pH, que permite su extracción (A cubero, 2002) el cual también puede ser afectado por los excesos de calor y luz.  En el presente trabajo se realizó la extracción del colorante de achiote (Bixina y Norbixina) mediante el método de Solución Alcalina, Sin embargo, los principales mercados de exportación (Estados Unidos, Europa y Japón) desean que se eliminen los métodos de extracción que utilizan productos químicos (Liceras, 1988). Se están optando por el uso de enzimas (pectinasas, celulasas, hemicelulasas) que degradan la pared celular, facilitaría la extracción acuosa del colorante (Godfrey, 1983). Estas enzimas que actúan sobre componentes insolubles tales como celulosa, hemicelulasas y pectina permitirían obtener un colorante (annato) de mayor pureza y calidad. Asimismo, permitiría dejar de lado las sustancias químicas utilizadas actualmente en los métodos de extracción industriales.  Según otras investigaciones lic. Olga Murillo. El procedimiento de extracción normalmente utilizada por los productores rurales consta de las siguientes etapas: Extracción: las semillas se cocinan en agua caliente por un periodo hasta de 24 horas Filtración: los tejidos vegetales se separan de la solución acuosa coloreada mediante filtración mecánica. Los residuos se lavan con abundante agua, para separar la mayor cantidad posible de colorante de las semillas. Concentración: se lleva a cabo con la finalidad de reducir el contenido de humedad y concentrar el del colorante.  Considerando los procedimientos realizados en este trabajo, podemos apreciar, que nuestro procedimiento es más complejo que el método empírico encontrado, es por ello que la obtención de Norbixina de manera empírica no es tan recomendable, porque los rendimientos de extracción son bajos, ya que se utiliza el agua como disolvente en el cual la Norbixina es poco soluble, esta a su vez se degrada por efectos de las altas temperaturas aplicadas durante la extracción, lo que no sucede con nuestro método al mantener controlada la temperatura. La calidad del colorante se encuentra estandarizada. CURSO: TECNOLOGIA DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES CICLO: IX SEMESTRE: 2012 –II ALUMNO: RUIZ YOPLAC LORD KELVIN

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II  Observamos que luego de haberle secado tiene un alto poder colorante del mismo modo una buena estabilidad, propiedades de alta resonancia que se deben al grupo carbonilo y sus dobles enlaces conjugados (Guy Linden y Denis Lorient).  Características fisicoquímicas de la semilla de achiote. La composición tanto química como nutricional de la semilla de achiote es muy variada, como puede observarse en la siguiente tabla Tabla 1 Composición química, nutricional de la semilla y del colorante de achiote Composición química (%) Composición (mg/100g) composición 8.0 – 13.0 7 12.3 – 13.2 Humedad Calcio Proteínas 13 -14.24 10 0.23 Proteína Fosforo Pectina 13.8 1.4 Celulosa Hierro Carbohidratos 39.91 – 47.9 18.48 5.44 – 6.92 Fibra Cruda Vitamina A 45 mg Cenizas 11.45 0.33 – 0.91 Almidones Riboflavina 0.2 Taninos 12.5 11.35 – 14.97 Carbohidratos 39.91 Ácido Pentosanos totales Ascórbico 54 0.39 1.21 – 2.30 Energía (kcal) Tiamina Carotenoides 4.50 – 7.97 Niacina 1.46 Ceniza Beta-Caroteno 6.8–11.30 mg Fuente Jaramillo.M C. A. y Muñoz. M. O. A. (1992) Medellin. Universidad. Facultad Nacional de Minas.  Mediante este cuadro se puede ver todo el valor nutricional que pose esta semilla del cual no solo se puede extraer colorantes si no que también se puede aprovechar en la extracción de otro de sus componentes, ejemplo en su concentración de proteínas, etc.

CONCLUSIONES.  Se pudo lograr la extracción del colorante de achiote denominada Bixina mediante el método de solución alcalina.  De las semillas de achiote (Bixa Orellana) se obtuvo un compuesto químico llamado Nor-Bixina la cual es materia prima de colorantes ampliamente utilizados en la industria alimenticia.  Se pudo lograr extraer cantidades de 0.8g, 0.3g, 0.5g, y 0.6g de Bixina en cuatro muestras respectivamente obteniendo un rendimiento total de 4.4 respecto a la materia prima inicial de 50g.  El color rojo del achiote o annatto se debe a varios compuestos carotenoides, principalmente apocártenos, que se encuentran en la semilla. La Bixina es el más cotizado e importante de éstos. La Bixina es una sustancia cristalina de color rojo oscuro, soluble en alcohol, aceites y grasas CURSO: TECNOLOGIA DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES CICLO: IX SEMESTRE: 2012 –II ALUMNO: RUIZ YOPLAC LORD KELVIN

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II e insoluble en agua. También se encuentran pequeñas cantidades de isobixina y norbixina; esta última, de color amarillo y soluble en agua e insoluble en grasas, también es un colorante con valor comercial.  Es posible aumentar la pureza del annato obtenido por extracción alcalina, realizando una hidrólisis previa del extracto.

BIBLIOGRAFIA  Cubero, A; Monferrer, A y Villalta, J. 2002 “aditivos alimentarios” .Tecnología de Alimentos. España, Editorial Mundi Prensa. Madrid.  Lic. Olga Marta Murillo G. Tecnología de Alimentos Dirección de Mercadeo. Agroindustria Área de Desarrollo de Producto. Disponible en la web: http://www.mercanet.cnp.go.cr/Desarrollo_Agroid/documentospdf/Achiote_FTP.pdf  Guy Linden y Denis Lorient, BIOQUIMICA AGROINDUSTRIAL, Acriba S:A ZARAGOZA  Hernández, G. Tirado, G. Juan, M. y otros (2002) Obtención del colorante de la semilla de achiote (Bixa Orellana) utilizando microorganismos celulóticos. Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro. Universidad Autónoma de Coahuila

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ANEXOS PROCEDIMIENTO PESADO DE LA MATERIA PRIMA

BATIDO CON AGUA CON NaOH X 10MIN

MEDIANTE EL BATIDO SE LOGRÓ EL DESPRENDIMIENTO DEL COLORANTE (BIXINA)

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UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA 2012-II EQUIPO DE FILTRACION AL VACIO Y EXTRACTO OBTENIDO

GRANOS DE ACHIOTE DESPUES DE LAS 3 EXTRACCIONES CON NaOH GRANOS

SOLUCIONES DE BIXINATO DE SODIO DE LAS TRES EXTRACCIONES

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PREPARANDO LAS MUESTRAS PARA LA CENTRIFUGACION

MUESTRAS CENTRIFUGADAS A 4000 RPM X 15 MIN

MUESTRAS PUESTAS A SECAR EN LA ESTUFA

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