Bixina y Norbixina

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

Escuela de Postgrado MAESTRIA EN TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS

CURSO:

ADITIVOS EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

TEMA:

CAROTENOIDES: BIXINA Y NORBIXINA

PROFESOR:

Ingº Mg. Sc. Américo Guevara

ALUMNO:

Ciurlizza Celis, Sandra Rozzana

La Molina 2006

INDICE I.

INTRODUCCIÓN

II.

MARCO TEÓRICO II.1Los colorantes II.2Clasificación de los colorantes II.2.1 Colorantes Naturales A. Carotenoides

III.

IV.

MATERIA PRIMA III.1

Clasificación Botánica

III.2

Composición química del achiote

III.3

Características

CARACTERÍSTICAS: BIXINA Y NORBIXINA IV.1

Estabilidad a. Acción de la luz b. Acción del calor c. Solubilidad

4.2 Factores que afectan la solubilidad de los principios colorantes V.

EXTRACCION V.1 Factores que influyen en la extracción V.2 Extracción Industrial V.2.1 Álcali acuoso V.2.2

Extracción con agua

V.2.3 Extracción con solventes V.2.4 Extracción por métodos enzimáticos V.2.5 Purificación con enzimas del extracto obtenido con el método alcalino V.2.6 Obtención de Norbixina V.2.7 Extracción con fluidos supercríticos a) Etapas de la SFE de solutos naturales vegetales VI.

EQUIPOS

VII. ASPECTOS TOXICOLOGICOS Y LEGISLACION VII.1

Aspectos Toxicológicos

VII.2 VIII

Legislación

FORMAS DE PRESENTACION

IX

USOS EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

X

BIBLIOGRAFIA

XI ANEXOS - Características de productos de bixina y norbixina

I. INTRODUCCION Las preferencias por el color de los alimentos, por ser éste precisamente un factor subjetivo, no son las mismas para cada persona, y varían según las regiones, países o edades. Así, hay quienes prefieren el color moreno al blanco en el azúcar y en la cáscara de los huevos. El verde de las naranjas se relaciona con facilidad con falta de madurez, mientras que el pardo de los plátanos indica que podrían estar estropeándose. Por tanto el color de los alimentos tiene múltiples efectos sobre el consumidor y es erróneo considerar el color como algo puramente estético (Badui 1993). Desgraciadamente, muchos pigmentos alimentarios son inestables durante el procesamiento y almacenamiento, prevenir los cambios no deseados es ordinariamente difícil o imposible. Dependiendo del pigmento, su estabilidad se verá alterada por factores como la presencia de luz, oxígeno, metales pesados y agentes oxidantes o reductores, la temperatura, la actividad de agua y el pH. Debido a la inestabilidad de estos pigmentos se considera la adición de colorantes a los alimentos (Badui 1993). Los alimentos naturales tienen su propio color, pero circunstancias como la variabilidad de las materias primas utilizadas en la elaboración de algunos productos y los procesos tecnológicos empleados (calor, acidez, luz, conservantes), provocan que el color sea distinto en cada lote de producción o bien que las sustancias colorantes naturales terminen por destruirse. Es entonces cuando el color normalizado, el esperado por el consumidor, se obtiene de forma artificial. Los alimentos, que no tienen color propio como dulces, postres, snacks, bebidas y productos de alta tecnología de reciente aparición en el mercado , se colorean artificialmente para hacerlos más atractivos al consumidor. El color artificial de los alimentos ayuda en muchos casos a definirlos. La experiencia ha demostrado que las personas, cuando no vemos el color, tenemos problemas para identificar los sabores. Es así que los colorantes alimentarios aportan un valor añadido a prácticamente todos los productos alimenticios y por ello hay un aumento en el uso de los colorantes hoy en día.

II. MARCO TEORICO El color y la apariencia son quizá los atributos de calidad más importantes de los alimentos. Debido a nuestra capacidad y facilidad para percibir estas características, son las primeras evaluadas por el consumidor al adquirir los alimentos. En la elaboración de un alimento se cuida particularmente el color, debido a que puede deteriorarse por efecto del tratamiento, transporte o almacenamiento, o también ser poco uniforme debido a la variabilidad de la materia prima, es por ello que se acude al uso de colorantes (Calvo, 2003) 2.1 LOS COLORANTES Los colorantes es el grupo de aditivos que se encarga de proporcionar aquel color deseado y esperado de cada alimento, es decir proporcionan refuerzan u homogenizan su color para hacerlo más apetecible de cara al consumidor (Cubero et al ,2002). Cubero et al (2002) señalan que los colorantes tienen un uso limitado, no deben emplearse de una manera arbitraria, sino que la cantidad en cada alimento debe atender a la corrección de la pérdida de color producida por alguno de los siguientes problemas que se pueden plantear durante el proceso de fabricación o almacenamiento de un alimento: 

Pérdida de color por tratamientos tecnológicos del proceso: tratamientos térmicos, pelados, desecaciones, etc.



Variaciones fisicoquímicas: cambios de pH, luz, potencial redox.



Efectos bioquímicos: microorganismos y sus metabolitos, pardeamiento enzimático y no enzimático.

Todos estos cambios hacen que el producto sea menos atractivo para el consumidor y que lleve al técnico a utilizar colorantes como aditivos. Bueno (2000) menciona que los colorantes pueden ser añadidos a los alimentos para: 

Dar al alimento la apariencia original que ha perdido en los procesos de fabricación.



Asegurar la uniformidad de color.



Intensificar el color natural si este es muy débil con respecto a lo esperado por el consumidor.



Provocar un efecto pantalla para así ayudar a la protección del aroma y de las vitaminas sensibles a la luz.



Dar una apariencia atractiva al alimento.



Permitir la identificación de un producto.



Ofrecer una impresión visual de calidad

Multon (2000) señala que en la industria de alimentos lo que se busca es obtener un poder colorante seguro, estable, reproducible, eficaz; interés en utilizar una dosis lo más débiles posibles así como por la solubilidad del colorante lo mismo que por su capacidad de fijarse a las moléculas del alimento. Actualmente existe la tendencia a utilizar cuando sea posible colorantes naturales en lugar de sintéticos, motivada por la presión de un sector importante de los consumidores y de organizaciones ecologistas, aunque bien es cierto que un colorante en la proporción que habitualmente se usa tiene un riesgo mínimo en relación con el beneficio que puede aportar (Fernández ,2002). 2.2 CLASIFICACION DE LOS COLORANTES

Los colorantes se pueden clasificar en dos grandes grupos según su procedencia sea natural o sintética (Cubero et al ,2002) 2.2.1 Colorantes naturales Los colorantes naturales son pigmentos coloreados obtenidos de materia prima animal o vegetal. A pesar de que son sometidos a exámenes tan minuciosos como los artificiales, para aceptar su uso en la alimentación, no deben obligatoriamente responder a criterios generales de pureza o específicos (Bueno ,2000). Según su composición química se pueden clasificar en flavonoides, carotenoides, melanoidinas, porfirinas, betaninas, quinoides y otros (Bueno ,2000). Lock (1997) menciona que como fuentes naturales de estos colorantes se puede considerar las plantas superiores, las algas, los hongos y líquenes, algunos insectos, así como algunos organismos marinos invertebrados, dentro de los cuales los crustáceos y moluscos quizás son

los que proveen las más diversas fuentes de colorantes, muchos de ellos aún no caracterizados y que serían de potencial interés económico. Son muchas las plantas superiores que producen colorantes; a pesar de su universalidad no están lo suficientemente concentrados para permitir una rápida y económica extracción, y en consecuencia son relativamente escasas las que tienen gran importancia comercial como fuente de colorantes. Así al escoger una planta a ser usada con tal fin es determinada por consideraciones económicas; el material debe estar disponible en suficiente cantidad a un precio razonable, el proceso para obtener el colorante no debe ser excesivamente complejo y costoso, y el producto final debe cubrir las perspectivas industriales y los requerimientos legales de los gobiernos (Lock, 1997) . Multon (2000) señala que los colorantes naturales pueden ser compuestos puros o productos de extracción; los compuestos puros como la riboflavina y el B-caroteno están bien definidos químicamente y pueden ser de origen natural o haber sido obtenidos por síntesis; son siempre de calidad igual y responden a unas especificaciones precisas. Los productos de extracción proceden de materias primas alimentarias y pueden estar asociados a numerosas impurezas; en efecto, los procedimientos de extracción tienen un valor técnico variable si bien los compuestos obtenidos no tienen composición ni propiedades colorantes constantes; todo esto hace que los colorantes naturales sean frecuentemente, más fáciles de fabricar por síntesis que por procedimientos de extracción y presenten así mejores características de pureza. Los colorantes de origen natural han de cumplir ciertas exigencias y pautas antes de ser aprobado su uso. Según la legislación de los Estados Unidos no necesita el certificado de pureza FDA, en Europa se rigen por la directiva 94/36/CE del 30 Junio del 94. Cubero et al (2002) señalan que los colorantes naturales

presentan las siguientes

características: -

Tienen un poder de tinción menor que los colorantes sintéticos, esto hace que se necesite más dosis de aplicación y que por tanto aumente el coste.

-

Son más inestables a las diferencias de concentraciones: pH, temperatura, humedad, etc.

-

No ofrecen una uniformidad de color tan clara como los sintéticos.

-

Algunos además de influir en el color del alimento, también modifican su aroma y sabor (flavour).

-

Se degradan más fácilmente en el producto y en el medio ambiente.

-

Ofrecen una imagen de producto “natural” allí donde se aplican.

A.- Carotenoides Son un grupo de compuestos solubles en lípidos. Consisten de 8 unidades de isopreno con una serie de dobles enlaces conjugados que constituyen el grupo cromóforo característico; las unidades de isopreno están unidas de tal manera que los dos grupos metilo sustituyentes más cercanos en el centro de la molécula están en posición 1.6, mientras que todos los otros grupos están en posición 1.5 (Lock, 1997). El esqueleto básico estructural de los carotenoides está formado por unidades de isopreno enlazadas covalentemente, bien cabeza –cola, bien cola-cola, creándose moléculas simétricas, otros carotenoides se derivan de esta estructura primaria de 40 carbonos, algunas estructuras contienen grupos finales cíclicos en tanto que otras poseen una ciclación o ninguna como el licopeno. Son pigmentos naturales, ampliamente extendidos en la naturaleza y origen

de colores

brillantes: amarillo naranja y rojo de numerosos frutos comestibles (limones, melocotones, albaricoques, naranjas, fresas, cerezas, etc.); de hortalizas (zanahorias, tomates, etc.), de hongos (níscalo), de flores; están también presentes en los productos animales: huevos, bogavantes, langostas, pescados diversos (Bueno, 2002). Linden (1994) menciona que los carotenoides son los pigmentos más ampliamente distribuidos en la naturaleza y origen de tonos brillantes: amarillo, naranja y rojo de numerosas frutas comestibles, de hortalizas, setas y flores, están también presentes en productos animales como el huevo, langostas, diversos pescados, etc Debido a su estructura insaturada, los carotenoides están sujetos a muchos cambios químicos inducidos por las diferentes condiciones de procesamiento (principalmente por las altas temperaturas, las radiaciones electromagnéticas y el oxígeno) que se dan en la industria. Su transformación además de causar cambios de color, también reduce el valor nutritivo debido a que se destruye la actividad de la provitamina A que tienen algunos. Al ser insolubles en agua

no se pierden por lixiviación en el lavado, el remojo, etc. de los frutos que los contienen (Badui, 1993). Todas las clases de

carotenoides (hidrocarburos: carotenos y licopeno, y las xantofilas

oxigenadas) son compuestos lipófilos, por tanto solubles en los aceites y en los disolventes orgánicos. Son moderadamente termoestables y pierden color por oxidación, se isomerizan fácilmente debido al calor, los ácidos o la luz. Como quiera que su color varía del amarillo al rojo, las longitudes de onda para la detección de los carotenoides oscilan en un intervalo de aproximadamente 430-480 nm. Muchos carotenoides

manifiestan desplazamientos

espectrales después de reaccionar con diversos agentes y estos cambios espectrales son útiles para ayudar

su identificación. (Fennema 1993).

MacKinney y Little (1962) citados por Valdivia (2002) señalan que los carotenoides son altamente insaturados, y por lo tanto, susceptibles de oxidarse. La pérdida de color es posible debido a la isomerización de la totalidad de la forma trans-. La isomerización es promovida en presencia de luz, de calor y de ácidos. Los carotenoides serán conservados mejor mediante estas medidas: (1) bajas temperaturas de almacenamiento; (2) atmósferas inertes como CO2 o N2, por ejemplo; (3) escaldado cuando sea necesario, y (4) adición de antioxidantes permitidos . Su sensibilidad a la luz y la presencia de sustancias tales como dióxido de azufre son las mayores limitaciones sobre su uso en productos alimenticios y bebidas. Sin embargo, la relativa inestabilidad de materias colorantes certificadas (artificiales) en productos lácteos da lugar a que el annatto sea especialmente preferido por los fabricantes de tales productos. III. MATERIA PRIMA Calvo (1997) menciona que el achiote es el nombre común para la especie Bixa orellana L., es decir de la planta productora de las semillas que poseen el principio colorante. El achiote es un pequeño arbusto indígena de la zona subtropical andina y de Latinoamérica; su fruto es una cápsula, cuya semilla contienen un colorante color rojizo, en concentración de alrededor de 3% en las semillas de mejor calidad.

El término orellana se debe a Francisco de Orellana, quien fue el primer conquistador que exploró el río amazonas en 1541. Otros nombres comunes para Bixa orellana L son bija, urucú, arnatto, orenatto, attalo, rocú, terra

Orellana, terra Orleáns, rousan,

y anatto, siendo éste último el más utilizado

comercialmente (Nieto,1992). Calvo (2003) menciona que el anato o achiote se encuentra en el pericarpio de las semillas de la Bixa orellana, árbol de gran tamaño que crece en el centro y Sur América, India y este de Africa, aunque sus principales productores son Perú y Brasil. Sus principios colorantes son la bixina y la norbixina. Las semillas de achiote contienen principalmente la cis-bixina, con pequeñas cantidades de trans-bixina. Por calentamiento la cis-bixina se isomeriza a la forma trans que es la más estable, y por hidrólisis alcalina se convierte en norbixina (ácido dicarboxílico), soluble en agua (Lock, 1997). Beraún (1999) señala que la producción comercial del

Achiote se halla bastante bien

distribuida por las regiones tropicales, siendo los principales países productores: Perú , Ecuador, Colombia, Brasil, Bolivia y México, la región del caribe (República Dominicana y Jamaica) , la India, Sri Lanka y Kenya, y en menor escala Malasia, Filipinas, Turquía y Angola. Si bien el achiote es cultivado por un cierto número de países en desarrollo, menos de 1/3 lo procesan localmente. Las plantas procesadoras más grandes operan el Perú, kenya, India y Brasil. 3.1 Clasificación botánica Figueroa (1987) y Aliaga (1992) citados por Torres (2003), señalan que dentro de la clasificación Botánica el achiote se ubica : División: Angiosperma Clase: Dicotiledonea Orden: Parietales Familia: Bixaceae

Género: Bixa Especie: Bixa orellana Linneo.

3.2 Composición química del Achiote TABLA 1: COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ACHIOTE (Bixa orellana Linneo) Componentes Valor energético

Unidades Cal

Fresco

Seco 54

33.40

Humedad

%

84.40

5.60

Proteína

g

0

6.60

Grasa

g

0.30

4.60

Hidratos de carbono

g

14.30

78.20

Fibras

g

0.50

14.50

Cenizas

g

1.00

5.00

Calcio

mg

7.00

120.00

Fósforo

mg

10.0

116.00

Herro

mg

0.80

5.60

Vitamina A (activa)

mg

45.0

185.00

Tiamina

mg

0

0.09

Riboflavina

mg

0.05

0.19

Niacina

mg

0.30

1.70

Acido ascórbico mg 0.20 Fuente: Collazos (1961), mencionado por Torres (2003)

7.00

3.3 Características Annato es el colorante crudo extraído de las semillas del achiote y que contiene en su composición diversos tipos de pigmentos todos relacionados con la estructura carotenoide (Nieto, 1992)

La materia colorante del achiote contiene diversos carotenoides de los cuales la bixina es el principio tintóreo (Nieto, 1992) este pigmento sólo se encuentra en Bixa orellana, presentándose en la superficie de la semilla y también en otros órganos de la planta como por ejemplo en la secreción celular de las hojas, apreciándose como manchas marrones en las mismas. Tachico y West (1936) citados por Nieto (1992) señalan que el colorante del achiote contiene dos principios colorantes, uno bixina (rojo) y el otro orellina (amarillo), siendo la bixina la materia colorante de mayor proporción. Si bien ambos pigmentos son de tipo carotenoide, la bixina es el principal colorante, el de mayor interés, y representa el 80% del pigmento presente en el extracto crudo, razón por la cual, la cantidad en la semilla y en los productos de ella obtenidos, así como su cotización se hace en base a puntos de bixina presentes. La bixina es el pigmento principal en el annato que en forma natural se encuentra como “bixina lábil” y que es obtenida en forma cristalizadota con 90-95% de pureza. En extractos alcalinos pasa a la forma de norbixina (Nieto, 1992). Las semillas de achiote contienen cis-bixina con pequeñas cantidades de trans-bixina y cisnorbixina. Los extractos de innato contienen proporciones variables de componentes coloreados dependiendo del proceso de extracción usado y la temperatura de procesamiento. En cuanto a la orellina, pigmento amarillo hidrosoluble que acompaña a la bixina, su estudio no ha presentado mayor interés a los investigadores y se cree que es producto de la oxidación de la bixina (Márquez, 1977; Yallapa, 1975 citados por Nieto, 1992).

TABLA 2: COMPOSICIÓN DEL PIGMENTO DE ACHIOTE

Composición (g/100g) Proteínas Pectina Carbohidratos

12.3-13.2 0.23 39.91-47.90

Ceniza

5.44-6.92

Taninos

0.33-0.91

Pentosanos

11.35-14.97

Carotenoides

1.21-2.30

-caroteno

6.8-11.30 mg

Fuente: Devia y Saldarriaga (2003)

IV. CARACTERÍSTICAS BIXINA Y NORBIXINA ITINTEC (1989) menciona que la bixina es un carotenoide carboxílico que tiene una estructura básica similar a la del caroteno y que se obtiene a partir del arilo de las semillas de la planta conocida como achiote. Jaramillo (1992) citado por Devia y Saldarriaga (2003) señalan que la bixina (principal componente del colorante de la semilla de achiote) químicamente, es un ácido caratenoico de fórmula empírica C25H30O4, que se presenta como isómero geométrico del tipo cis, pero que puede convertirse a su forma trans, más estable. Bernal (1989) citado por Devia y Saldarriaga (2003) menciona que al hervir la bixina en una solución de alcali, se forma una molécula de metanol y una sal dipotásica que por acidificación produce el ácido dibásico norbixina, C24H28O4 , pigmento carotenoide soluble en agua, por lo tanto la norbixina se prepara por hidrólisis de una solución acuosa alcalina de la bixina (Bueno, 2000). Por calentamiento la cis-bixina es convertida en la forma más soluble y estable trans-bixina. Un mayor calentamiento de la bixina conduce a la formación de componentes segregados. Un calentamiento de la cis-norbixina no rinde trans-norbixina FIGURA 1: INTERRELACION DE LA BIXINA Y NORBIXINA calor

Cis-bixina calor

Trans bixina calor

Hidrólisis

Hidrólisis

Cis Norbixina

Trans Norbixina

Degradación

Fuente : Velásquez ( 2000)

Figura 2: Estructura química de bixina y norbixina La bixina y la norbixina pueden contener algunas sustancias procedentes del grano de annato. El polvo de bixina puede contener muchos componentes colorantes pero el colorante de mayor contenido es la bixina presente bajo forma cis y trans, el producto también puede contener productos de la degradación de la bixina por el calor, en tanto que el polvo de la norbixina está formado por el producto resultante de la hidrólisis de la bixina, bajo forma de sales de sodio o de potasio. Las formas cis y trans pueden estar presentes (Bueno, 2000). 

Francis (2000) mencionado por Calvo (2003) señala que la bixina es un colorante de color amarillo-naranja bastante estable a la luz y soluble en aceite. Se usa desde muy antiguo, y su principal aplicación es para colorear la margarina y los quesos rojos tipo Leicester, así como diversos productos lácteos.



La bixina es termoestable hasta 100ºC, su grupo carboxílico le confiere las características de un ácido orgánico y los dobles enlaces terminales carbono–oxígeno explican la muy alta resonancia de su estructura, dándole así una buena estabilidad y un poder colorante muy elevado (Multon ,2000).



La bixina por tratamiento alcalino durante o después de la extracción de la semilla, se hidroliza a norbixina que es uno de los pocos carotenoides solubles en agua. Los extractos de norbixina se usan para colorear quesos, helados y en confitería.



Tanto la bixina como la norbixina dan lugar a disoluciones de color naranja que tienen su aplicación en función de su diferente solubilidad (Calvo, 2003).



Nieto (1992) señala que la bixina es uno de los colorantes más potentes, su fuerza visual es 1.5 veces más que el B caroteno y 6-7 veces más que la mayor parte que los colorantes certificados más comunes, como el Amarillo Nº5 y Nº6.



Debido al sistema altamente conjugado de dobles enlaces de los carotenoides, se presentan como colorantes particularmente intensos, de ahí que una proporción aproximada de 5-10 ppm de bixina o norbixina es suficiente para aplicación a un nivel normal en los alimentos sin embargo el contenido del pigmento no está bien definido y puede variar dependiendo del método de extracción y suministros ( Nieto, 1992)



La solución de bixina trans tiene tinte rojizo pero la de bixina natural tiene el mismo matiz que las soluciones de B caroteno (Geminder, 1967 citado por Nieto, 1992).



La bixina se presenta como cristales romboédricos de color rojo, pf 192-198ºC. Al extracto de achiote se le conoce como Naranja natural 4 y la norbixina puede sustituir al Sunset Yellow.



El color de la bixina es en su mayor parte amarillo con tinte rojo, a medida que va descendiendo el pH de su solución, el color amarillo va disminuyendo y aumentando el rojo sobre todo de pH 6 a 5.7 (ONU-FAO, 1970).



Nieto (1992) menciona que el espectro de absorción para la bixina natural extraída de la semilla de Bixa orellana muestra su máximo de absorción a 470 nm y 500 y 502 y otros máximos ligeros a 441 y 414 nm. Estos puntos de máxima absorción son característicos de la forma más inestable (forma cis), en tanto que la forma trnas pura presenta absorción máxima a 509.5, 475 y 443 nm.

4.1 ESTABILIDAD 1. Acción de la luz: Beraún (1999) menciona que los extractos de annatto son muy sensibles a la luz directa, perdiendo más del 80% de su potencia colorante. La luz U.V. es nefasta ocasionando pérdidas de poder colorante en sólo minutos de exposición. Nieto (1992) señala que la acción de la luz y el prolongado almacenaje de la semilla de achiote deterioran el contenido de colorante y afectan directamente el valor de la semilla conforme el tiempo que sean expuestos a la luz, al aire o al almacenamiento.

2. Acción del calor: El calor por encima de 80ºC produce fenómenos de oxidación e isomerización produciendo oscurecimiento del producto (Beraún, 1999). Nieto (1992) señala que todas las formas trans son más estables a la oxidación y al calor que las formas cis, que es la que se presenta en forma natural, pero es menos soluble. En todo caso la forma cis prevalece en las preparaciones de annatto. La forma cis y trans son ambas inestables siendo la forma cis un tanto más inestable. La forma cis tiene un punto de fusión de 191.5ºC (con calentamiento rápido) y 198ºC (con calentamiento lento). La estabilidad y

la resistencia a la oxidación de la bixina normalmente

inestable, deja mucho que desear. Debido a esta susceptibilidad a la oxidación la bixina pierde frecuentemente un 80% de su poder colorante si se expone al aire y a otros materiales oxidantes bajo temperaturas normales por un periodo de un mes o menos., por lo cual los alimentos coloreados con bixina oxidada son menos satisfactorios, desde el punto de vista económico ya que se requieren cantidades mucho mayores de bixina oxidada de lo que se requiere para producir un tinte deseable cuando se utiliza bixina sin desnaturalizar 3. Solubilidad: La bixina es insoluble en agua y ligeramente soluble en cloroformo, aceites vegetales, acetato de etilo y propilenglicol. Es preparada por extracción

a partir de los granos de annato utilizando uno o varios

solventes entre los siguientes: acetona, etano, hexano, diclorometano, seguida de la eliminación del solvente. Beraún (1999) menciona que la bixina y norbixina son medianamente solubles en grasas y alcohol, acetona, cloroformo y ácido acético. Fopex (1985) citado por Beraún (1999) menciona que la bixina es soluble en grasas y aceites y su solubilidad va creciendo en grasas insaturadas, es soluble también en cloroformo, piridina, ácido acético glacial y glicol de propileno. La norbixina es menos soluble en grasas y aceites y muy soluble en agua alcalinizada. Al ser estable en presencia de agentes reductores y oxidantes, el annatto vence algunas de las mayores desventajas de los colorantes sintéticos con alta reactividad para con los agentes oxidantes (clorados e hipoclorados) y agentes reductores (dióxido de azufre, ácido ascórbico, azúcar invertido, ácido cítrico, etc.) que causan la decoloración del color. NATCOL (1988 ) citado por Valdivia (2000) señala que los colores del annatto no son afectados por los metales (Al, Zn, Fe, Sn). Los colores sintéticos tienen una probada participación, en la corrosión de latas. Esto hace del annatto y sus colores ingredientes especialmente apropiados para usar en alimentos cocidos. Como para otros carotenoides, el pigmento del annatto es relativamente estable para con las operaciones unitarias de escaldado, autoclaveado y congelado. (Miles Lab. Inc. 1983) mencionado por Valdivia (2002) señala que los colores obtenidos por el uso del annatto van desde un amarillo pálido hasta un naranja oscuro. El color obtenido en el alimento o bebida dependerá de factores tales como la concentración, la razón grasa-agua y el pH. Cuando la concentración se incrementa el color se oscurece. La fase líquida del alimento también influencia el color del annatto en alimentos. Cuando el líquido predominante en el alimento es agua los colores del annato serán mayormente de matiz naranja. Cuando predomina el aceite los matices serán más amarillos; mientras que las emulsiones mostrarán colores intermedios. Además, el color producido por el annatto es afectado por el pH, variando del amarillo ligero al naranja ligero .

Con referencia al pH, que también afecta la estabilidad, a valores de pH menores de 4.0 el annatto es enteramente insoluble y precipitará. El incremento del pH va de la mano con la solubilidad. El incremento de la solubilidad se debe a la ionización de la molécula. Ya que se trata de un ácido dicarboxílico existe una ganancia en carga negativa neta en la molécula a medida que el pH se incrementa debido a la disociación de los iones hidrógeno de los grupos ácido carboxílico. Este incremento de carga luego contribuye a incrementar la solubilidad en solventes polares tales como el (Miles Lab. Inc., 1983) citado por Valdivia, 2002) 4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD DE LOS PRINCIPIOS COLORANTES Hendry (1992) señala que los principales factores que afectan la solubilidad de los principios colorantes de los extractos de achiote son: 

pH: La norbixina precipita en una solución ácida como ácido libre. No debe ser usado en productos azucarados ácidos o bebidas gaseosas. La bixina sin embargo, no es afectada por el pH y su forma especial de aplicación basada en la bixina puede ser usada en productos ácidos.



Cationes: Los cationes divalentes (Ca) forman sales con la norbixina, ya que el norbixinato de Ca tiene una solubilidad pobre en agua, los extractos de norbixina son incompatibles con productos que contienen altos niveles de Ca, no es recomendable hacer diluciones de este colorante con agua dura.



Calor y Luz: Cuando se liga a proteínas o almidones, la norbixina es estable al calor, aunque la degradación de la bixina puede ocurrir a temperaturas sobre los 100|C, conduciendo inicialmente a un amarillo limón y finalmente a pérdida de color. La exposición a la luz resultará en una gradual pérdida de color. Los extractos acuosos de annato no se deben congelar debido a que la norbixina puede ser excluída de la solución.



Oxígeno: Debido a la estructura de dobles enlaces conjugados, todos los carotenoides son susceptibles a oxidación. La adición de ácido ascórbico como un antioxidante es beneficiosa.



Anhídrido sulfuroso: La intensidad de color se reducirá en presencia de SO2, por lo cual cuando se use annato se debe usar otro tipo de preservante.

V. EXTRACCIÓN La extracción es una operación mediante la cual el constituyente soluble de un sólido es “lavado” o “lixiviado” por acción de un solvente (Cabezudo,1973 ). Según Cabezudo (1973) el método a emplearse en la extracción está determinado por tres causas: 

Cantidad de constituyentes solubles en el material.



Distribución de sólidos solubles en el material.



Naturaleza del sólido que depende del tamaño de partículas.

El solvente actúa primeramente en las capas exteriores y posteriormente en las capas subsiguientes. Esto da como consecuencia que la extracción se vaya haciendo más difícil y la velocidad de extracción sea menor cuanto mayor es la cantidad de soluto constituyente. En un proceso de extracción generalmente se pueden considerar tres etapas: 

Cambio de fase del soluto al disolverse en el solvente.



Difusión del solvente a través del sólido hacia el exterior.



Contacto del soluto con las partículas de soluto, esto es, en la masa de la solución.

Estas tres etapas podrían ser las que limitan la velocidad de extracción haciendo la aclaración de que la primera etapa ocurre tan rápido que sus efectos son despreciables en la relación total de extracción. En algunos casos el material soluble se encuentra en pequeñas bolsas aisladas en un material que es impermeable al solvente, en este caso se debe triturar de tal forma que el material soluble sea expuesto al solvente. Si el material sólido tiene una estructura celular, la relación o velocidad de extracción será general y comparativamente baja debido a que las paredes de las células ofrecen una resistencia adicional.

5.1 Factores que influyen en la extracción Los factores que influyen en la relación de extracción son las siguientes: 1-Tamaño de las partículas: Influyen en diferentes formas: a.

Cuantas más pequeñas sean las partículas, mucho mayor es el área interfacial entre el sólido y el líquido, y por tanto, la relación o velocidad de transferencia del material es mayor.

b.

Cuando el material es demasiado fino ofrece dificultades en la extracción ya que en algunos casos impide la libre circulación del líquido, la separación de las partículas del líquido y el drenaje del sólido residual resulta más difícil. Es aconsejable que el rango del tamaño de las partículas sea de tal modo que cada partícula requiera el mismo tiempo de extracción. Esto significa que debe buscarse un tamaño adecuado y eficiente.

2- El solvente Cabezudo ( 1973 ) señala que el solvente debe ser un buen solvente selectivo y su viscosidad suficientemente baja para que pueda circular libremente. En las primeras etapas de la extracción debe usarse relativamente puro, conforme se realiza la extracción la concentración del soluto aumentará y la relación de extracción disminuirá progresivamente, debido a que la gradiente de concentraciones se va reduciendo porque la solución se hace más viscosas. Según Saldarriaga (2001) citado por Devia y Saldarriaga (2003) menciona que se debe emplear bajas concentraciones de alcali para no degradar el colorante, este parámetro se maneja como variable del proceso, en parte de ella depende el desprendimiento del colorante de las semillas 3- La temperatura Cabezudo (1973 ) menciona que conforme aumenta la temperatura aumenta la velocidad de extracción ya que se produce una alta velocidad de extracción. El coeficiente de difusión aumentará con el aumento de temperatura y esto permitirá también aumentar la velocidad de extracción.

Jaramillo (1992) citado por Devia y Saldarriaga (2003) señala que se usa una temperatura máxima de 57ºC para el secado, porque experimentalmente se ha encontrado que a temperaturas por encima de 60ºC la bixina se degrada, disminuyéndose la calidad del colorante y con ello el rendimiento del proceso.

4- Agitación del solvente Saldarriaga (2001) citado por Devia y Saldarriaga (2003) señala que el tiempo de agitación es otra de las variables

que se debe considerar en el proceso, debido a que es necesario

determinar cuanto tuiempo debe permanecer las semillas en agitación para retirar la máxima cantidad de colorante, sin que éstas comiencen a desprender impurezas o quede buena parte del colorante sin separar. Según ensayos realizados por Jaramillo (1992) citado por Devia y Saldarriaga (2003) el tiempo pude variar entre 30 y 60 minutos. Cabezudo (1973) señala que la agitación del solvente incrementa la difusión y por lo tanto aumenta la transferencia de material desde la superficie de las partículas a la solución. Más aún, la agitación de suspensiones de partículas finas previene la sedimentación y, se usa en forma más efectiva la superficie interfacial. En cuanto a la agitación habría que ver que ésta debe ser la adecuada, es decir, una velocidad moderada.Generalmente, cuando se ha de dar velocidad en un agitador se debe hacer siempre la siguiente consideración entre: 

Velocidad alta que da rapidez en la mezcla



Velocidad baja donde se requiere baja potencia

Saldarriaga (2001) citado por Devia y Saldarriaga (2003) señala

que la velocidad de

agitación constituye un parámetro importante, porque a bajas velocidades se obtiene un mayor rendimiento. 5- Relación cantidad de semilla-volumen de solvente Saldarriaga (2001) citado por Devia y Saldarriaga (2003) señala que es importante conocer cual debe ser el volumen adecuado de solvente para un peso determinado de semillas.

Experimentalmente Jaramillo (1992) ) mencionado por Devia y Saldarriaga (2003) señala quese manejan relaciones de 1:2,1:3 y 1:4. 5.2 EXTRACCION INDUSTRIAL Devia y Saldarriaga (2003) señalan que la extracción del pigmento a escala industrial se puede realizar con diferentes solventes, tales como agua caliente, alcali diluido, aceites vegetales, propilenglicol, acetato de etilo y otros solventes. Para cada uno de estos se emplean varios métodos de extracción, de acuerdo con la disponibilidad de equipos y recursos. Salvá (1996) señala que el método más utilizado es el de extracción alcalina ya que emplea equipos simples y da buenos rendimientos, sin embargo, Estados Unidos , Europa y Japón que son los principales mercados de exportación, desean se elimine los métodos de extracción que utilizan productos químicos, prefiriendo el método de extracción acuosa o en aceite. Hoy en día las posibilidades de incrementar el rendimiento y la pureza del colorante obtenido del achiote siguen siendo tema de estudio, sin embargo se debe buscar un método de extracción de fácil aplicación, que eleve el grado de rendimiento, dando como resultado un extracto exento o con un mínimo de impurezas químicas, que disminuya los riesgos que implica al consumidor el uso de solventes o los tratamientos ácido – alcalinos. Hernández (1988) citado por Salvá (1996) señala el siguiente proceso para la obtención del extracto del achiote: a) Pesaje: Se realiza en canastas tipo malla N°200 de acero inoxidable con capacidad de 100Kg. Cada una, para sumergir las semillas en tanques de agua fría con la finalidad que absorban agua en un 20% de su peso. b) Extracción por lixiviación: En esta operación se extrae el colorante que cubre la semilla, por medio de una solución de NaOH al 0.66% en una primera etapa y con una solución de NaOH al 0.33% en una segunda etapa. La relación de solvente: semilla es 3:2. La operación se realiza con agitación constante en tanques previstos de paletas, haciendo un último lavado con agua pura hasta dejar las semillas completamente agotadas. c) Separación de impurezas: Consiste en separar de la mezcla colorante-agua las sustancias insolubles, por medio de zarandas vibratorias.

d) Precipitación de la materia colorante: Al contenido colorante-agua se le agrega HCl 3N, hasta un exceso de 50% en relación al contenido de álcali, esto hace que el colorante precipite en forma granular, quedando un líquido sobrenadante que será evacuado. e) Filtrado prensado: Al precipitado se le extrae la humedad mediante un filtro prensa de placas, que trabaja con presión hidrúlica,luego ese líquido es evacuado a un tanque y la torta va al secador. f) Secado de la torta I: Se realiza en bandejas que van superpuestas en un secador de cabina, al que se le inyecta aire caliente a temperatura de 65-70°C, hasta conseguir una humedad del 15%. g) Molienda I: La

“torta”

seca debe ser

molida para facilitar el secado final,

aumentando la superficie de evaporación. La operación puede hacerse en un molino de martillos. h) Secado II: El producto molido se seca hasta humedad de 5%. i) Molienda II: Con la molienda final se reduce el diámetro de las partículas a 0.5mm, es conveniente hacerlo en molino de rodillos. j) Envasado y almacenaje: El producto final se envasa en bolsas de polietileno de 0.0003 pulgadas de espesor, que al ser llenadas dan un espesor de 40 cm y 55 cm de alto. 5.2.1 ALCALI ACUOSO: La bixina es un ácido carboxílico que al agregarle un álcali acuoso, forma sales de álcali solubles en agua, lo cual hace posible extraer fácilmente el colorante. Las semillas se lavan con esta solución, el extracto y el lavado se acumulan y la solución roja oscura se neutraliza con un exceso de ácido mineral, el cual precipita el pigmento. Luego se filtra, se lava y el líquido sobrante se separa hasta obtener la masa colorante para secar (Jaramillo, 1992 citado por Devia y Saldarriaga ,2003). Nieto (1992 señala que este tipo de extracción consiste en realizar una maceración en agua de la semilla durante 4 días. La extracción se realiza con una solución de carbonato sódico al 2%. Se emplea cuatro etapas de lixiviación, con agitación de 10 minutos cada una, a temperatura constante de 50ºC. Luego de reunir los líquidos extractivos de cada etapa de lixiviación, se precipita hasta un pH de 2.5 y se deja en reposo durante toda la noche, lue2go se procede a

separar el líquido de deshecho mediante sifoneo y el annato es escurrido en tela para su posterior secado en estufa a temperaturas no mayores de 60ºC. (Ver figura 1-Anexos)

FIGURA 2: FLUJO DE EXTRACCION DE BIXINA POR ALCALI ACUOSO Agua NaOH Extracción Semilla de achiote Impurezas

Tamizado Acido sulfúrico pH 2.5

Precipitación

Sobrenadante

Filtración

Pasta

Secado

Molienda

Tamizado

Empaque

Fuente:Biocon S.A. (1996) citado por Beraún (1999)

FIGURA 3: DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA ANNATO POR EL MÉTODO ALCALINO Materia prima Agitación

MP: CO3Na2 (2%) 1:3

15 min. 50ºC

3 días

Extracción Maceración2 16 min 50ºC

Agitación Tamizado

Liq. Extractivo 1

Semilla agotada 1 CO3Na2 CO3Na2

Liq. Extractivo II Semilla agotada 2 Liq. Extractivo III

CO3Na2

Semilla agotada 3 Líquido de enjuague Semilla agotada 4 Mezcla de líquido Secado en estufa

Semilla agotada seca

pH>=9 Con H2SO4 pH 2.5

Precipitación Sedimentación Sifoneo

Toda la noche

Líquido de deshecho

Secado de pasta Annatto Fuente : Nieto (1992)

5.2.2 EXTRACCIÓN CON AGUA Nieto (1992) señala que la extracción consiste en realizar una maceración en agua de la semilla de achiote durante 4 días, luego se realizan tres etapas de lixiviación de 10 minutos cada una, con una relación semilla: solvente de 1:3, con agitación y temperatura constante de 50ºC. Se reúnen los líquidos extractivos y se deja sedimentar espontáneamente durante 24 horas; luego se procede a separar el líquido de deshecho mediante sifoneo y el annato es escurrido en tela para su posterior secado en estufa a temperaturas no mayores de 60ºC.(Ver Figura 4).

FIGURA 4: DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA OBTENCION DE ANNATO POR EL MÉTODO ACUOSO Materia prima Agitación

MP: 1:3

15 min. 50ºC

4días

Extracción Maceración2 10 min 50ºC

Agitación Tamizado

Liq. Extractivo 1

Semilla agotada 1 Agua Agua

Liq. Extractivo II Semilla agotada 2 Liq. Extractivo III Semilla agotada 3

Secado en estufa

Semilla agotada seca

Mezcla de líquido

Sedimen. .espontan.

Sifoneo

Líquido de deshecho

Secado de pasta Annatto Fuente : Nieto (1992)

5.2.3 EXTRACCIÓN CON SOLVENTES -

Aceites vegetales:

Las semillas de Bixa orellana sufren un pre-tratamiento que puede ser agua caliente o vapor. Las semillas hinchadas son extraídas después con aceite vegetal frío o caliente. La solución obtenida es filtrada y luego iluída para ser aplicada en coloración de margarinas u otros aceites grasos (Cabezudo, 1973). Jaramillo (1992) citado por Devia y Saldarriaga (2003), este método consiste en extraer el colorante diluyéndolo en aceite vegetal caliente para venderlo en forma de solución concentrada destinada a la pigmentación de algunos productos lácteos y para fines culinarios -

Propilenglicol:

Cabezudo (1973) menciona que las semillas son extrídas con hidróxido de potasio glicopropileno. A la solución obtenida se le filtra y al producto obtenido se le emplea para colorear grasas y quesos. El proceso de extracción con propilenglicol se lleva a cabo en frío, debido a la alta solubilidad que tiene el pigmento en estas condiciones. El colorante obtenido se emplea para colorear principalmente derivados lácteos culinarios (Jaramillo,1992 citado por Devia y Saldarriaga ,2003). -

Alcohol etílico y tricloroetileno:

Cabezudo (1973) señala que esta mezcla de solventes volátiles son aplicados después del tamizado y son removidos por destilación dando lugar a un concentrado de masa colorante.

-

Extracción con cloroformo:

Por este método se toma una determinada cantidad de semilla que hace una relación solvente: semilla de 1:1, se agita por medio de un agitador mecánico en un cilindro con salida lateral inferior con el fin de dar mayor eficiencia a la vaciada. Simultáneamente se efctúa la extracción y concentración. La destilación se realiza a una tª de 40ºC en el baño y 300 mmHg de vacío con 80 rpm de agitación (Cabezudo , 1973).

5.2.4 extracción por métodos enzimáticos Salvá (1996) menciona que el empleo de enzimas en la extracción de bixina permitirá dejar de lado las sustancias químicas utilizadas en los métodos de extracción empleados actualmente en la industria cumpliéndose de esta forma con las exigencias de los países importadores de annato. Devia y Saldarriaga (2003) señalan que la remoción del pigmento de la semilla de annatto se puede hacer por medios biotecnológicos empleando una solución acuosa de alfa-enzimas a temperatura y tiempo suficientes para la extracción. También es posible obtener el colorante de annatto soluble en ácido en forma pulverizada, mezclando un extracto de annatto soluble en solución alcalina con una dispersión acuosa de un derivado del almidón y por secado lograr el producto deseado. Thomas (1998) citado por Devia y Saldarriaga (2003) menciona que para extraer el pigmento del material de la planta hay un proceso que incluye combinar el material de la planta desmenuzado con una enzima, pectinasa, celulasa o hemicelulasa, la cual rompe la pared celular de las células liberando los carotenoides contenidas en ellas. Salvá (1996) menciona que la extracción de innato por métodos enzimáticos sigue el flujo de operaciones mostrado en la figura 3 . Salvá (1996) menciona que el uso de enzimas en la extracción de colorantes tiene por finalidad obtener un producto con mayor fuerza tintorial es decir con umayor porcentaje de pigmentos. El proceso involucra: a) Limpieza: con la finalidad de retirar manualmente pajas, piedras y/o partículas extrañas que se encuentran mezcladas con las semillas de achiote.

b) Maceración: consiste en cubrir las semillas de achiote con agua durante 4 díassegún lo recomendado por Nieto (1992), para ablandar la materia leñosa que se encuentra ligada al colorante. c) Dilución: Consiste en agregar agua a la semilla, en diferentes proporciones, para extraer el colorante. d) Hidrólisis enzimática- lixiviación: Consiste en separar el soluto deseado (colorante), de la fase sólida (semilla) mediante una fase líquida (agua o solvente). Ambas fases entrarán en contacto íntimo con agitación y temperatura constante y el soluto deseado se difundirá desde el sólido a la fase líquida, lográndose la separación del colorante de la semilla del achiote. Con esta finalidad se usa agua a 50ºC y enzimas celulasas producidas por trichoderma reesei bajo el nombre comercial de Biocelulasa IC (complejo enzimático cuya actividad óptima es de 50ºC y 4 de pH), con agitación constante por dos horas. e) Separación: Las semillas de achiote se separaron con ayuda de un tamiz y el extracto obtenido es sometido a filtración con tela. f) Secado: La pasta obtenida es sometida a secado por aire caliente a 60ºC. Salvá (1996) señala el empleo

en la extracción de bixina preparaciones enzimáticas

comerciales (Biocelulasa,Celuclast,Ultrazym y Extrazyme) trabajando a una concentración constante de : enzimas de 0.5%, proporción de semilla/agua:1/3, pH 5, tiempo 2 horas, temperatura :50ºC y número de etapas de lixiviación:3. Salvá (1996) reportaque con Extrazyme, un complejo enzimático que contiene celulasa, Bgluconasa, hemicelulasa, pectinasa y xilanasa, se logran mayores rendimientos en bixina y norbixina.

FIGURA 5: DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA OBTENCION DE ANNATO POR EL MÉTODO ENZIMATICO Semillas de achiote Limpieza

Extracción Dilución 2 1:2

1:3

1:5

Maceración Hidrólisis enzimática (0.01; 0.05; 0.10 y 0.5%)

Biocelulasa

Celuclast

Ultrazym Tamizado Lixiviación

Mezcla de líquido

Filtración

Secado

5 etapas

Extrazyme

Molienda Annatto

Rendimiento

%Bixina

%Norbixina

Fuente: Salvá (1996) 5.2.5 PURIFICACIÓN CON ENZIMAS DEL EXTRACTO OBTENIDO CON EL MÉTODO ALCALINO Salvá (1996) señala que los líquidos extractivos por el método alcalino (Nieto , 1992) se reunieron y se sometieron a una hidrólisis enzimática, como se muestra en la figura 6. Se emplearon enzimas comerciales (Extrazyme, Celuclast) a una concentración constante de 0.5% con respecto al peso de las semillas de achiote, trabajándose a pH5, temperatura de 50°C por dos horas. Se determinó el rendimiento de extracción y pureza expresado en porcentaje de norbixina y en porcentaje de bixina. FIGURA 6: DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA PURIFICACION DEL ANNATO EXTRAIDO CON ALCALI Reunión de líquidos extractivos

Enzima

Hidrólisis enzimática

Filtración Líquido de deshecho Secado

Molienda Annato purificado

FUENTE: Salvá (1996) Scaglioni (1989) citado por Salvá (1996) recomienda

para las principales operaciones

unitarias de la extracción de annato lo siguiente: 

Secado: La bixina se degrada con la luz ultravioleta, razón por la cual no es conveniente secarlo al sol, lo ideal es un secado en horno al vacío sobre clorhidrato de calcio. También se puede secar por atomización. Se recomienda secar en un horno de convección forzada.



Molienda: Puede usarse un molino de bolas para que pueda ser comercializado como un producto en polvo. Es necesario investigar para prevenir explosiones de este producto, debido a que su carga electrostática se altera.



Empacado: antes del empacado, el colorante crudo de achiote de varias producciones, deberá ser mezclado para uniformizar el producto que debe comercializarse. Este debe ser empacado libre de exceso de humedad, es conveniente usar envases de metal. En envases de acero se ha observado pérdidas del 10% en tres años; sin embargo, en pequeñas cantidades los envases de polietileno son mejores comercialmente. Los envases deben ser guardados en un lugar frío y seco, resguardados de la luz.

5.2.6 OBTENCION DE NORBIXINA Velásquez (2000) señala que para la obtención de norbixina de alta pureza se debe seguir el siguiente flujo de operaciones: Materia prima: Semilla procedente del Cusco y con un promedio de 2.76% (bh) de norbixina. Esta se proceso tal y como se comercializa en el mercado.

1. Extracción.- Esta operación consiste en extraer el colorante de la semilla, por medio de una solución de amoniaco (pH=11) y en tres etapas de 20 minutos cada una. La relación semilla solvente fue 1:3. la operación se realizó a temperatura ambiente y con agitación constante hasta dejar las semillas completamente agotadas. 2.

Filtración 1.- Se realiza con la finalidad de eliminar la semilla agotada y las sustancias insolubles. Para lo cual el extracto fue sometido a una filtración al vacío a través de un buchner de porcelana con un lecho de cellite.

3. Hidrólisis.- Esta operación consiste en agregar el álcali para que se forme bixinato de sodio, conocido comúnmente como norbixina. A la solución colorante agua se le agrega NaOH (4% sobre el volumen final del extracto), se somete a T° de 90 por 5 minutos y con agitación constante 4. Filtración 2.- Se realiza con la finalidad de retirar toda la materia que no ha sido hidrolizada. La operación se realiza al vacío mediante un buchner de porcelana con lecho de cellite. 5. Decantación.- Esta operación se llevó a cabo luego de 12 hrs de reposo y consiste en separar las grasas que han sido saponificadas y que forman una fase en la parte superior. Se realizó con mucho cuidado tratando de no remover el extracto. 6. Precipitación.- Consiste en la adición de ácido sulfúrico hasta pH de 3.5, esto para hacer que el colorante precipite en forma granular quedando un sobrenadante que es evacuado. 7. Filtrado 3.-Se realiza con la finalidad de extraer la mayor cantidad de agua de la pasta, siendo evacuado el líquido. Se enjuaga la torta con agua desionizada para retirar el exceso de ácido remanente. La operación se realiza con un filtro al vacío. 8. Secado.- La pasta de norbixina es secada a una T° constante de 50°C en una estufa de aire caliente hasta humedad de 4.64%. Por este método se obtiene un producto final de alta concentración de norbixina de 38.26% en base seca y un rendimiento final de 85.18%

FIGURA 7: DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA OBTENCION DE NORBIXINA Solución amoniacal (pH 11) 900g.

Materia prima Extracción 1

Solución amoniacal (pH 11) 900g.

Liq. Extractivo 1

Semilla agotada I Extracción 2 Liq. Extractivo II

Solución amoniacal (pH 11) 900g.

Semilla agotada II Extracción 3 Liq. Extractivo III Semilla agotada III Mezcla de líquidos extractivos

Filtración 1 NaOH (97.2g)

Hidrólisis Filtración 2 Decantación Acido sulfúrico (127g)

Precipitación

Grasas saponificadas

Filtración 3

Líquido de deshecho

Secado Molienda Norbixina en polvo Fuente: Velásquez (2000) 5.2.7 EXTRACCION CON FLUIDOS SUPERCRITICOS La extracción con fluidos supercríticos (SFE) puede ser considerada una tecnología con grande potencial para la extracción de compuestos activos a partir de matrices vegetales. La SFE tiene importantes ventajas en relación a los métodos de extracción convencionales. El fluido supercrítico presenta diferentes densidades (poder de solubilización) a diferentes condiciones de presión y temperatura, siendo posible optimizar la selectividad de la extracción (Brunner 1994). Adicionalmente, una vez finalizado el proceso, no es necesaria una etapa adicional de eliminación del solvente, obteniéndose un producto con alta pureza relativa por la simple descompresión del sistema. El uso de solventes orgánicos en extracciones, cría la necesidad de establecer etapas adicionales de remoción del solvente, principalmente si el producto es destinado al consumo e higiene humana. La eliminación de solventes constituye, algunas veces, una etapa crítica del proyecto, pues puede encarecer el costo de manufactura, además de introducir riesgos de degradación y contaminación de los productos. Normas internacionales de calidad imponen límites muy exigentes en este último aspecto (Del Valle y Aguilera 1999).

a) Etapas de la SFE de Solutos de Matrices Vegetales: El proceso de SFE es, conceptualmente, muy simple y el diagrama de operación es presentado en la Figura 8:

Calentamiento Pre sió n

Extracción

Compresión

B

Fluido supercrítico

E

Punto Crítico

Descompresión CO2

Condensación

S

Separación Extracto Temperatura

Figura 8. Diagrama del proceso de Extracción con Fluidos Supercríticos (SFE).

De forma general, la SFE opera como sigue: a. En el extractor (E), el lecho fijo es formado por partículas de la matriz vegetal (semillas, hojas, flores). La materia prima debe tener entre 10 y 18 % (b.h. – base húmeda) de agua (Meireles 2003); b. El solvente es alimentado en el extractor por medio de un compresor o bomba (B) para alcanzar la presión de extracción (Brunner 1994). Luego, el solvente y el extractor son calentados hasta la temperatura de extracción deseada. Un sistema para adición de cosolvente (no mostrado) puede ser incorporado; c. Alcanzadas las condiciones de proceso, las válvulas de reducción de presión son abiertas para permitir el flujo del solvente a lo largo del lecho, con la consecuente extracción del extracto. Para evitar el congelamiento de las válvulas, debido al efecto Joule-Thompson, un sistema de calentamiento es necesario; d. La separación de la mezcla extracto + CO2 acontece en el separador (S). En la temperatura y presión reducidas, el extracto precipita en el separador, mientras que el solvente libre o con bajo contenido de extracto es recirculado en el sistema, con etapas previas de enfriamiento y compresión. Para extracción en pequeña escala, la colecta puede ser realizada a presión atmosférica y el solvente puede ser descartado al ambiente. En un

proceso de escala mayor, el fluido que deja el dispositivo de colecta será enfriado para recirculación y la colecta debe ser realizada en condiciones que disminuyen los costos de recompresión del solvente (Brunner 1994). Si consideramos las etapas en las cuales la matriz vegetal (estructura celulósica), extracto (mezcla multicomponente) y solvente (CO2) entran en contacto, el proceso puede ser dividido en dos etapas: (i) etapa de extracción, en la cual el sistema es formado por el sistema ternario estructura celulósica + extracto + CO2 (Rodrigues y otros 2002), y (ii) etapa de remoción del solvente, donde consideramos la interacción extracto + CO 2. En la etapa de extracción, la temperatura y presión son seleccionadas para maximizar el rendimiento en los compuestos de interés, mientras que en la etapa de separación el nivel de solubilidad es reducido para asegurar la precipitación del extracto y posibilitar el reciclaje del CO2. Sin lugar a dudas, una de las tecnologías más promisorias y que ha experimentado un fuerte desarrollo en los últimos 20 años es la utilización de fluidos a alta presión, en particular dióxido de carbono supercrítico. Esta tecnología es aplicada actualmente en plantas aromáticas, semillas oleaginosas y plantas medicinales. Algunas de las aplicaciones desarrolladas en el campo de los productos naturales son las siguientes: -

Descafeinización de café y té.

-

Extracción de aromas de lúpulo

-

Extracción de aceites esenciales y antioxidantes a partir de especias

Sin embargo a pesar de los usos comunes de los SFE, la literatura menciona la extracción de bixina aplicando esta tecnología.

VI. EQUIPOS Devia y Saldarriaga (2003) señalan que: 

Para el remojo de las semillas con solución de KOH se requiere un tanque con la mitad de volumen requerido de solución de KOH.



Para la agitación se requiere de un tanque de agitación con paletas planas que permita la agitación sin que se derrame la solución.



Para la precipitación del colorante con solución de ácido sulfúrico se requiere de un tanque de precipitación, acoplado con paletas de agitación con la finalidad de mezclar las soluciones coloreadas resultantes de los procesos de remojo y agitación de las semillas.



Para el proceso de filtración y secado, la mezcla resultante de la precipitación se separa con un filtro prensa y la torta obtenida se deja secar al aire o en una estufa a una temperatura de 57ºC.



Para el almacenamiento de soluciones de KOH se requiere de dos tanques adicionales en tanto que para almacenar la solución ácida se requiere de otro tanque.

FIGURA 9: EQUIPO PARA LA OBTENCIÓN DE

10

KILOS /LOTE DE

COLORANTE EN POLVO

TK-101

NU-101

V- 102

V-101

NU-102

TK-102

SP-101 TK-102

TK-101: Tanque de almacenamiento de KOH al 2% P/V

vaporOR

TK-102: Tanque de almacenamiento de H2SO4 al 10% P/V V-101: Tanque de remojo de semillas con solvente V-101: Tanque de almacenamiento suspensión coloreada NU-101: Agitador de semillas NU-102: Neutralizador de pH SP-101: Secador por atomización Fuente: Devia y Saldarriaga (2003) VII ASPECTOS TOXICOLOGICOS Y LEGISLACION 7.1 ASPECTOS TOXICOLOGICOS La ingestión diaria admisible según el comité FAO/OMS es de hasta 0,065 mg/Kg. de peso en el caso del E-160 B y de 5 mg/Kg. de peso en los E-160 e y E-160 f. Se han descrito algunos casos, raros, de alergia al extracto de bija. 7.2 LEGISLACION Los extractos de annatto son permitidos en todo el mundo. Algunos países imponen limitaciones en la dosificación del colorante como: Bélgica, Dinamarca, Francia, Suecia y España. Tanto la bixina y norbixina (E-160c) se encuentran dentro de la lista de los colorantes permitidos conforme la Legislación vigente de todos los países de la Unión Europea: “Práctica 94/36/EC del Parlamento Europeo y el Concilio del 30 de Junio de 1994 sobre colorantes permitidos en productos comestibles” (Beraún, 1999). TABLA 3: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS PARA LOS EXTRACTOS OLEOSOS O ACUOSOS DE ANNATTO : Arsénico Plomo Metales pesados    

Solventes residuales: Diclorometano, triclorometileno Acetona Metanol Hexano

<3mg/Kg. <10mg/Kg. <40mg/Kg. <30mg/Kg. <30mg/Kg. <50mg/Kg. <25mg/Kg.

Fuente: Lock (1997) VIII. FORMAS DE PRESENTACION Lock (1997) presenta las siguientes formas de presentación: a) Polvo de annatto grado alimenticio: Se obtiene mediante extracción alcalina de las semillas seguido de una precipitación del extracto con {acido mineral separándose un polvo, que luego de secado puede contener hasta 30% de bixina. b) Polvo de annatto soluble en álcali frío: Se obtiene mediante extracción alcalina de la semilla y procesada para producir un polvo el cual es soluble en álcali frío, contiene hasta 30% de norbixina. Este polvo se comercializa también en solución diluida de hidróxido de potasio, conteniendo norbixina entre 0.5% a 4.0%. c) Extracto liposoluble: se obtiene utilizando un aceite vegetal como extractante en las semillas pretratadas con agua o vapor de

agua, el contenido de colorante en la

solución amarilla es de 0.2 a 0.3%. d) Suspensión en aceite: Se obtiene al incorporar el pigmento no disuelto al aceite vegetal formándose una suspensión microcritalina, puede contener hasta 4% de bixina (cis y trans). Esta suspensión de bixina en aceite es de color naranja. e) Bixina: Se presenta como cristales romboédricos de color rojo, pf 192-198 °C. Son utilizados para dar coloración amarillenta a la mantequilla, al queso, a los productos de harina (cakes y galletas), a los cereales, a los productos cárnicos (norbixina en combinación con carmín), a las bebidas no alcohólicas (norbixina 1-10 ppm), a los dulces y a los helados de sabor vainilla. IX. USOS EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS Hendry (1991) señala que en los países desarrollados existe una clara preferencia por el empleo de colorantes naturales con respecto a colorantes sintéticos. El patrón general de uso a nivel mundial del achiote, se dirige a la industria de productos lácteos, al procesamiento de pescado y elaboración de especialidades alimenticias además de su uso en otras industrias (textil, cosmética).

Salvá (1996) señala que la Organización Mundial de la salud (OMS) considera al colorante obtenido del achiote como uno de los pocos permitidos ya que no es tóxico, es insípido y no altera el sabor de los alimentos. Tales aspectos han abierto grandes posibilidades para una alta demanda de los colorantes del achiote. El achiote ha sido utilizado desde Antiguo por los indios para pintarse el cuerpo de color rojo (pintura de guerra), como colorante en la textilería , en la cerámica y como repelente de insectos (Lock, 1997). Sin embargo la utilización de este colorante se centra básicamente en la industria alimentaria, para dar coloración amarillenta a la mantequilla, al queso, a los productos de harina (cakes, galletas), a los cereales, a los productos cárnicos (norbixina en combinación con carmín), a las bebidas no alcohólicas (norbixina 1-10 ppm); a los dulces, y a los helados de sabor de vainilla (Lock, 1997). Salvá (1996) señala también que la bixina es empleada en yogurt, aceites, néctares, productos de panadería y confitería. Beraún (1999) menciona que los extractos de annato están disponibles en diversas formas de aplicación, más que algún otro colorante natural, por lo cual, cualquier producto alimenticio que va desde el amarillo hasta el naranja puede ser coloreado exitosamente con annato. a. PRODUCTOS LACTEOS Los lácteos son los productos de aplicación más importante para los extractos de annato. El queso en especial

el duro como el “Leicester rojo” y “Chesire” han sido

tradicionalmente coloreados con una solución de norbixina. La norbixina liga la proteína de la leche y forma un color estable, el cual no se pierde durante la separación del suero. Para la producción del queso Cheddar los rangos de norbixina que se utilizan están usualmente en el rango de 0.75 a 1.25 ppm en leche. De forma similar, la norbixina es también utilizada para colorear otros productos lácteos, así el saborizante de vainilla para helados tiene comúnmente una mezcla de norbixina y curcumina. Una dosis típica podría ser de 10ppm de norbixina junto con 15 ppm de curcumina. b. PASTELERIA

La norbixina es idealmente utilizada para colorear esta clase de productos ya que liga con la harina formando un color estable. La dosis aproximada es de 4-8 ppm para queques esponjosos. Otras aplicaciones incluyen barquillos para helados, bizcochos, biscotelas y bocaditos. Como en pastelería existe un nivel significativo de grasa, una solución de bixina en aceite puede ser utilizada. c. PESCADO Los extractos de annato son ampliamente utilizados en la coloración del arenque ahumado y caballa. Previo al ahumado, el pescado es introducido en salmuera en la cual ha sido adicionada norbixina a 200-300 ppm. La norbixina conjuga bien con la proteína de tal forma que la pérdida de color durante el procesamiento subsiguiente (cocción final hecha por el consumidor) no es significativa. El contenido de norbixina en el pescado está en el orden de 20 a 40 ppm. d. PRODUCTOS CARNICOS Los extractos de norbixina son muchas veces usados en combinación con el carmín de cochinilla en la manufactura de viandas de pollo. una variada gama de colores pueden ser obtenidas de esta forma. e. BOCADITOS El color es incorporado de varias maneras dependiendo de la naturaleza del alimento. Así tenemos que la norbixina puede ser agregada al almidón del cereal antes de la extrusión o la bixina puede ser agregada al aceite que es usado con el saborizante del bocadito, después de la extrusión. f. MEZCLAS SECAS La norbixina en polvo es idealmente adecuada para la coloración de mezclas secas saladas y dulces. También es utilizada en variedad de productos de confitería aunque deben utilizarse formas especiales en productos ácidos donde se requiere de un producto claro y cristalino.

TABLA 4: PRODUCTOS ALIMENTICIOS A LOS CUALES SE AGREGA ANNATTO (BIXINA Y NORBIXINA)

Margarina Minarían Otras emulsiones Grasas y aceites libres de agua Decoraciones y cubiertas Queso amarillo y broken white

10 mg/kg 20 mg/kg 15 mg/kg

Queso procesado sin sabor Queso red Leicester

50 mg/kg

Queso Mimolete Cereales para desayuno extruidos, inflados con o

35 mg/kg

sin sabores a frutas Productos de galletería fina Licores, incluyendo bebidas fortificadas con

25 mg/kg 10 mg/kg

menos de 15% de alcohol Snacks secos, papas, cereales o productos en

10 mg/kg 10 mg/kg

base de almidón. Snacks expandidos o extruidos Fuente: CBI (1997) CITADO POR Beraún (1999)

20 mg/kg

X. BIBLIOGRAFIA 

BADUI, S. 1993. Química de los alimentos. Tercera edición. Longman de México Editores S.A. México.

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BERAUN, G. 1999.Efecto de la radiación gamma en bixina y norbixina, evaluación de la actividad antibacteriana de los colorantes. Tesis

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SALVA,B 1996. Utilización de enzimas en la extracción de bixina a partir de semillas de achiote. Tesis Ing. en Industrias Alimentarias. UNALM

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XI. ANEXOS TABLA 5 : CARACTERISTICAS DE PRODUCTOS COMERCIALES DE BIXINA Y NORBIXINA Matiz

Estabilidad al Calor

Estabilidad a la Luz

Suspensión microcristalina de Bixina en aceite.

anaranjado a rojo ladrillo. El matiz puede cambiar a amarillo-anaranjado si los cristales del pigmento son disueltos mediante calentamiento o dilución.

Aceptable para uso en pasteurizados, horneados, secados por aspersión y productos empacados asépticamente.

Es sugerido el empaque que no No es afectado permita el paso de por el pH. la luz.

Aquaresin® de Bixina

anaranjado a rojo ladrillo. El matiz puede cambiar a amarillo-anaranjado si los cristales del pigmento han sido disueltos mediante calentamiento o dilución.

Aceptable para uso en pasteurizados, horneados, secados por aspersión y productos empacados asépticamente.

Es sugerido el empaque que no No es afectado permita el paso de por el pH. la luz.

Bixina Soluble en aceite

Amarilloanaranjado

Aceptable para uso en pasteurizados, horneados, secados por aspersión y

Producto

Es sugerido el empaque que no permita el paso de la luz.

Estabilidad al pH

Bajo ciertas condiciones, los pigmentos pueden precipitarse a un pH menor

productos empacados asépticamente.

de 6.0 y un color más rojoanaranjado será el resultado.

Colores de Annatto disponibles en formas Durabrite® con una superior estabilidad al calor.

Estabilidad superior a la luz.

Dependiente de la forma de pigmentos, el annato soluble puede precipitar a un pH menor de 6.0.

anaranjado a rojo ladrillo. Los matices pueden cambiar a Emulsiones de amarillo-anaranjado Bixina/Norbixina si los cristales de en Glicol pigmentos están Propilénico disueltos mediante calentamiento o dilución.

Aceptable para uso en productos horneados y/o secados por aspersión.

Es sugerido el empaque que no permita el paso de la luz.

Los pigmentos precipitarán a un pH menor de 6.0.

Bixina/Norbixina Amarillo a a Prueba de anaranjado. Ácido

Aceptable para uso en productos horneados y/o secados por aspersión.

Las soluciones de agua son Es sugerido el estables, con la empaque que no excepción de permita el paso de precipitación la luz. con un pH menor a 3.2.

Durabrite® de Bixina

Dependiente de la forma de los pigmentos.

Soluciones Alcalinas de Norbixina

Amarillo a anaranjado si los pigmentos están Aceptable para disueltos. Durazno- uso en productos anaranjado si los de extrusión. pigmentos se cristalizan.

Norbixina en Polvo

Estabilidad a la luz El matiz es altamente cambiará de variable y relativa salmon-naranja a Mirar hoja Salmón-anaranjado. al estado oxidativo amarillo-naranja técnica de datos total de los a temperaturas sistemas mayores de 50ºC. alimenticios.

Es sugerido el empaque que no permita el paso de la luz en productos diferentes de queso natural.

La precipitación es susceptible a ocurrir a un pH menor de 6.0.

Fuente : Kalsec (2006) Muestra de Colores - Annatto

Esta paleta muestra los diferentes tonos que pueden obtenerse con el colorante de annatto en una gran variedad de aplicaciones. El desempeño de los colores naturales puede verse influenciado por factores tales como el tamaño de las partículas, la calidad de la emulsión, el contenido de grasa, el comportamiento en medios acuosos y el color base inherente al producto. Fuente : http://www.foodcolors.net/annattomuestradecolor.html