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EXTRACCIÓN Y DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE ANTOCIANINAS DE MAÍZ MORADO 7HFQRORJtDGHORV$OLPHQWRV,,,
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ING. INDUSTRIAS ALIMENTARIAS TALLER TECNICO I
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DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE ANTOCIANINAS DE M AÍZ MORADO
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INTRODUCCION
Las antocianinas son pigmentos solubles en agua, los cuales son responsables del atractivo color de las flores, frutas y hojas coloreadas; variando desde rosado pasando por rojo, violeta y azul. El principio colorante del maíz morado se basa en la existencia de la antocianina la que se encuentra en mayor cantidad en la coronta y en menores proporciones en el pericarpio (cascara) del grano. Las antocianinas como pigmentos naturales inocuos tienen considerable potencial en la industria alimentaria, pero a diferencia de los pigmentos rojos sintéticos que se utilizan actualmente, las antocianinas no son estables especialmente en soluciones neutras y alcalinas ocurriendo fácilmente
cambios
durante el procesamiento del material crudo y almacenaje los que se manifiestan en pérdidas de color, oscurecimiento, del "producto y formación de precipitados en los extractos.
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I.
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Objetivo a. Dar a conocer las operaciones implicadas en el proceso de extracción hidroalcohólica de antocianinas a partir de maíz morado. b. Cuantificar las antocianinas extraídas.
II.
Fundamento Teórico a. EL MAÍZ MORADO El maíz morado constituye una de las muchas variedades de la especie Zea mayz. La planta productora de maíz morado pertenece a la familia de las gramíneas, así como su especie Zea mayz, es una gramínea poco común. El maíz morado es amiláceo, por lo que también es muy blando, el pericarpio, al romperse, deja ver el blanco almidón interior. El maíz morado está constituido por: El grano y la coronta o mazorca. Dentro de su composición se encuentran las antocianinas, pigmento natural muy requerida en la industria alimentaria que en los últimos años ha generado un gran interés sobre todo en los países desarrollados, donde "se restringe el uso de colorantes artificiales o sintéticos. (La FDA después de una larga serie de estudios y delecciones sólo aceptó 8 colorantes sintéticos y que son comercialmente viables). Página 6
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U sos del Maíz Morado
El origen del maíz morado es muy remoto y el uso de su extracto es también antiguo. Según datos de los historiadores se sabe que el maíz morado era empleado en la alimentación como bebida, con él se elabora la chicha morada. El uso de su extracto sufrió un cambio con el tiempo, así es como en la colonia, por influencia de la repostería española y por el ingenio de las amas de casa criollas aparecieron la mazamorra y la chicha morada de sabores exquisitos. Esta variedad de maíz presenta un color" morado porque tiene la capacidad de acumular la sustancia colorante: antocianina en las mazorcas y en las hojas. A nivel industrial, la antocianina es extraída de las mazorcas por el alto contenido que presenta y es utilizada por métodos químicos como colorantes de alimentos, cosméticos, textiles y pinturas, sin embargo también se puede utilizar el grano para la extracción de almidones o en la elaboración de productos balanceados.
Clasificación Botánica Del Maíz Morado El maíz morado es una planta monocotiledónea, de estambres hipogéneos, perteneciente a la familia de las gramíneas. FamiliaGramineae Página 7
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Tribu Tripsaceae (Maydeae) Genero
Zea
Especie
Zea Mays
En el departamento de Lambayeque la variedad de maíz morado que se encuentra en mayor cantidad
en los
mercados es el Morado Caráz o morado común y en algunas veces el morado canteño. Morado
Caráz: Derivadas de las razas Ancashino y Alazán.
Recibe este nombre porque se le cultiva en la localidad de Caráz, en el callejón de Huaylas,
en
extensiones
relativamente grandes. Es de precocidad intermedia y tiene la ventaja de que puede adaptarse también a la Costa. Entre las variedades tradicionales es que muestra mayor capacidad de rendimiento y la que presenta la coronta mas pigmentada. El contenido de antocianinas de la corota y grano del maíz morado se muestra en el siguiente cuadro (N° 1). CUADRO N° 01; Contenido de Antocianinas de la Coronta y Grano del Maíz Morado Maíz
morado
Contenido de antocianinas mg/100ml
Grano molido 288.32 Coronta 883.20 Fuente: Nakatani, Collazos y Fernández, Córdova -España. Página 8
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Prin cipi o Colorant e del M aí z Mo rad o:
El prin cipi o colorant e d el maí z morad o lo con stit uye el ma yor p or centa je los pi gment os d en ominad os ant ocianina s.
Dentr o d e la s ant ocianina s, se en cue ntran los colorant es vegetal es, r ojos, a zul es y vi ol eta s. Se pr esentan en el mund o vegetal en for ma a bundant e, en t od os l os ór gan os, raí ces, tall os, hoja s, fl or es.
El col or d e la s ant ocianina s ha sid o est udiada quí mi ca ment e y se expli ca en la for ma si gui ent e al ca mbi o d e p H: Rojo, Azul y Vi ol eta La col ora ci ón d e una sol uci ón d e ant ocianina s, d ep end e d el medi o qu í mi co en que se en cuentr e. La fun ci ón que d esemp eñan en la s planta s n o es bi en con ocida , p er o sin embar go par ece t en er r ela ci ón con su fácil oxida ci ón y r ed ucci ón . Al gun os sugi er en su int er ven ci ón como tran sp ortad or d e oxi gen o a la s cél ula s vegetal es. b. CORONTA Denominada también carozo, olote o mazorca. Espiga en que se crían los frutos muy juntos y dispuestos alrededor de un eje. En la coronta se encuentran un mayor porcentaje de antocianinas que en la cascara del grano del maíz morado. Página 9
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La coronta es utilizada en la industria con fines de obtener colorantes, por el significativo porcentaje de antocianinas.
Pigm enta ción De La Cor onta:
La colora ción m ora da que se pr esenta en la cor onta del ma íz m ora do es el r esulta do de la com bina ción de pigm ent os ant ocian í ni cos de di fer ent e color , los que pr oducen el color m ora do (com bina ción de pigm ent os r ojos y a zules.
Comp osi ción Quími ca d e la cor onta . La col ora ción d e la cor onta a bar ca una gama d esd e el m orad o ha sta el a zul vi ol áceo.
La cor onta d el maí z m orad o est á co mpu esta p or : Pr ot eína s, gra sa s, fi bra , car bohidrat os, hum edad y ceni za s. Esta comp osi ción se mu estra en el cuadr o (N° 2). CUADRO N° 02: COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA CORONTA CONTENIDO EN 100G COMPONENTES
Humedad proteína Grasa Fibra Cenizas carbohidratos
% EN CORONTA
11.20 3.74 0.32 24.01 3.29 57.44
Fuente: Nakatani, Collazos y Fernández, Córdova -España. c. Las Antocianinas
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Las antocianinas son pigmentos solubles en agua, los cuales son responsables del atractivo color de las flores, frutas y hojas coloreadas; variando desde rosado pasando por rojo, violeta y azul. El principio colorante del maíz morado se basa en la existencia de la antocianina la que se encuentra en mayor cantidad en la coronta y en menores proporciones en el pericarpio (cascara) del grano. Las antocianinas como pigmentos naturales inocuos tienen considerable potencial en la industria alimentaria, pero a diferencia de los pigmentos rojos sintéticos que se utilizan actualmente, las antocianinas no son estables especialmente en soluciones neutras y alcalinas ocurriendo fácilmente cambios durante el procesamiento del material crudo y almacenaje los que se manifiestan en pérdidas de color, oscurecimiento, del "producto y formación de precipitados en los extractos. Son también sensibles a las variaciones de pH 1.0 a pH 3.0 el pigmento está presente como sales de flavilo de color rojo, a pH 8.0 es de color violeta y a pH 11.0 es de color azul. Las antocianinas juegan un papel importante en la producción de vinos siendo la fuente más comercial y más antigua de antocianina la "eflocianina", extracto coloreado frecuentemente extraído de las uvas y, comercializado en Italia desde 1879; originalmente fue utilizada para intensificar el color de los Página 11
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vinos, pero en los últimos años han encontrado aplicaciones como colorantes de alimentos. Asimismo se está haciendo importante la extracción de antocianinas de otras fuentes naturales como la col, camote morado, betarraga y los rabanitos.
N atural eza Q uími ca De La s Ant ocianina s
La s
ant ocianina s
son sal es
(fla vylium )
deri va dos
prin ci palm ent e de la s ant ociani dina s (a gl ycon es o a glu con es): Pelar goni dina (I), Ciani dina (II), Peoni dina (III), Del fini dina (IV), Petunu dina (V) y Mal vi dina (VI). La ciani dina ocurr e al ni vel m en os evolu ci ona do. La s o tra s ant ociani dina s q u e oc urr en en la natural eza son deri va dos de una a di ci ón gen éti cam ent e
contr ola da , r em oci ón del gru po hi dr oxil o el anill o B o estru ctura fla vilium . La gli cosi da ci on de est os pi gm ent os en posi ci on es 3, 3 o 7 o una com bina ci ón de est os, r esulta en la forma ci ón de ant ocianina s. El a zúcar en la m ol écula con fi er e en la
solu bili da d y esta bili da d a la s ant ocianina s. La s ant ocianina s si em pr e ocurr en en la natural eza en forma gli cosí di ca s. Sin em bar go, la ocurr en cia de glu cógen os li br es ha si do r epo rta da de ti em po en ti em po. Es inu sual qu e est os
com pu est os se pr esent en en la natural eza con si deran do su in esta bili da d e in solu bili da d en a gua . La natural eza Página 12
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anfotérica es una propiedad característica de estos componentes. Debido a estos, las antocianinas se comportan ya sea como ácido o base Dependiendo de la naturaleza del medio (SHRIKHANDE, 1976). Los azúcares unidos al aglucón mediante enlace glicosídicos son pentosas, hexosas, biosas y triosas. Basado en la posición de aleación y en la naturaleza de los azúcares sustituyentes, los siguientes grupos son distinguidos:
3-monóxidos, 3
biosidos, 3,3 dimonosidos, 5 biosidos, 5 monosidos y 3 triosidos. Menos frecuentes estos pimientos pueden seradiados, ácidos alifáticos (acético, malónico) o aromáticos (p - hidroxi - benzoico, p-cumarico, cafeico, ferulico y sináptico) pueden ser ligados al azúcar unida a la 3-posición del pigmento. Los extractos acuosos, compuestos principalmente de pelargonidina y cianidina, son rojos naranjas; aquellos con peonidina son rojos frambuesa, mientras que las otras antocianinas son rojas azulinos. La gran variedad de colores, matices y tintes que ocurren en la naturaleza y el sutil matizado en la mejilla de una finta o en el florecimiento, son el resultado de cierto número de factores a saber: A pH bajo esos pigmentos son rojos, el matiz puede ser diferente, pero ellos son todos rojizos. Así la pelargonidina Página 13
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(ocurre en las plantas u oíros derivados) es rojo naranja en solución acida, mientras que las delfinidina es rojo azulino. A pH alto las antocianinas pasan a través de un color violeta hasta alcanzar un color azul; a altos valores de PH, hay un viraje a verde y luego se cree que cuando un álcali como el KOH es adicionado a una antocianina.
L os
Fa ct or es Q u e Afectan L a Estabilidad De L a s Ant ocianina s
Son:
Temperatura.- Son termolábiles.
PH.- Los cambios en el pH provocan una transformación estructural en las antocianinas. Los cambios fisiológicos en la maduración de los frutos llevan consigo variaciones en el pH y por lo tanto cambios de color en el tejido vegetal. Las antocianinas se transforman en su color desde pH 1.0 a 7.0, que abarca en la mayoría de los alimentos. Estos cambios estructurales con respecto al pH incluyen la formación de la sal de flavilio, la de la base anhidra y la de la base del carbinol. A un pH entre 2.0 y 4.0 la principal vía de degradación térmica es la hidrólisis de la molécula de azúcar.
Agua: El pigmento es soluble en agua. Página 14
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Oxígeno: Son inestables en presencia del oxígeno.
Extra cción De L a M at eria Col orant e L a
extra cción es una opera ción di fusi onal que i mpli ca la
di sol ución de un sol u t o en un sol vent e. Muchos pr oduct os or gáni cos nat ural es se separan de su estr uct ura ori ginal por medi o de la extra cción , la va do, et c. (Tr eybal , 1970). Herr era (1979), men ci ona do por Sa ux (1980) con si dera que el mét odo a empl ear se en la extra cción est á det er mina do por 3 fa ct or es:
Cantidad de constituyentes solubles en el material.
Naturaleza del sólido que depende del tamaño de partículas.
Distribución de sólidos solubles en el material.
Zapata
(1978) y Cabezudo (1973) manifestaron que en un
proceso de extracción se deben considerar tres etapas:
Cambio de fase del soluto disolvente en el solvente.
Difusión del solvente a través del sólido hacia el exterior
Contacto del solvente con las partículas del soluto, esto es en la, masa de la solución.
La primera etapa ocurre tan rápido por lo que sus efectos son despreciables respecto a la extracción total. En las células vegetales, específicamente los pigmentos, el material soluble se encuentra en el interior de la pared Página 15
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celular en los plastidios, por lo que se hace necesario romper la pared por efecto de una presión mecánica u osmótica que permita fluir al exterior. d. MÉTODOS DE EXTRACCIÓN
Extra cción p or M ac erad o Esta extra cción es sen ci lla . Se somet e úni ca ment e a la di solución d el solut o en un solvent e, d ejand o r ep osar ha sta
que el solvent e p en etr e en la estr uct ura celular ., los a bland e y
di suelva
la s
p or ci on es
solubles,
contr oland o
con veni ent ement e la t emp erat ura y la d ura ción d el pr oceso. M art ín et a l. (1965), r ecomi enda que la ma cera ción se r ea li ce a una t emp e rat ura d e 15 a 20 °C. Si el ti emp o d e ma cera ción
es muy pr olon gad o d ebe usar se con ser vad or es para evitar a lt era ci on es mi cr obiana s (Yufera , 1979). La venta ja d e esta
extra cción es pr od ucir un extra ct o con una con centra ción uni for me, sin embar go r esulta la bo ri osa , y para con seguir mejor es r endi mi ent os se r equ i er e d e ma yor ti emp o d e extra cción .
Extra cción p or el mét od o d e agita ción m ecáni ca o difu sión La extra cción con si st e en col ocar la mu estra con el sol vent e el e gid o en un va so pr ecipitad o y m ediant e un agitad or m ecáni co se p on e en conta ct o el sol vent e con la mat eria
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prima para obtener el colorante deseado (Cabezudo ,1973; Zapata, 1978).
Extra cción p or cocci on es Los coci mi ent os son pr epara dos líqui dos que se somet en hir vi en do con a gua la s sustan cia s vegeta les (Mart ín et a l., 1965). La muestra se coloca en un r ecipi ent e de vi dri o, se a gr ega el solvent e, y se somet e a ebulli ción p or di fer ent es ti emp os. La t emp erat ura de extra cción debe ser ta l que n o a fec t e la estr uct ura del colorant e (Yufera , 1979).
III. Mat eria les y Mét odos a . Mat eria les y Rea cti vos
Materia Prima: Coronta de Maíz morado
Equipos:
Balanza analítica
Cocina eléctrica
Estufa
Sistema de baño maría
Secador de túnel
Molino de martillos
Depósito de maceración
Espectrofotómetro
Alcoholímetro
Materiales y Reactivos: Página 17
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Solución hidroalcohólica acida
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(Alcohol
96°:Agua
destilada, 1:1, ac.cítrico hasta pH igual a 3,5)
Tela para filtrar
Buffer a pH 1.0: KCI 0.2N - HCI 0,2N (25:67)
Buffer a pH 4,5: Acetato de sodio 1M - HCI 1 N - Agua (100:60:90)
b. Métodos
Diagrama de Flujo Se describe el flujo para la extracción de antocianinas a partir de maíz morado. GRAFICO N°1: FLUJO DE EXTRACCIÓN DE ANTOCIANINAS A PARTIR DE MAÍZ MORADO Materia Prima
(Maíz Morado fresco)
Molienda (1/2 cm,
aprox)
Secado en Estufa (60°C x 3 horas aprox.)
(MP: solvente/ 1:6)
Primera extracción Página 18
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(pH 3.5)
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hidroalcohólica acida (60° GL)
Maceración
(por 24 horas)
Filtración
(MP: solvente/ 1:3)*30'
Segunda Extracción hidroalcohólica r acida
Filtración
Evaporación hasta < 10 °GL (Baño maría: 70°C)
Adición de Encapsulante (3% de CMC)
Atomizado (TEA= 170-180°C, TSA: 80-90°C) Fuente: Elabo ación P opia, 2010
Procedimiento Analítico Página 19
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Medición de pH
Para regular el pH de la muestra (solución hidroalcohólica mas la coronta molida) se usa un pH-metro digital, previamente calibrado. El pH a regular fue de 3.5 en la primera extracción, para la regulación se agregar acido cítrico al pH deseado, para luego realizar una segunda maceración.
Determinación del contenido de Antocianinas total El método consiste en diluir la muestra a analizar en las soluciones buffer a pH 1.0 y 4.5. Después de dejar reposar las muestras por dos horas en un ambiente oscuro y a temperatura ambiente, luego se determinó la densidad óptica a 510nm. Se utilizó agua destilada como blanco. Las soluciones buffer utilizadas fueron: Buffer a pH 1.0: KC1 0.2 N - HC1 0.2 N (25: 67). Buffer a pH 4.5: Acetato de sodio 1 M - HC11 N - Agua (100:60: 90). Para calcular el contenido de antocianinas ser siguió los siguientes pasos:
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Calculo de la densidad óptica total para 100 ml. de extracto. D.O.T = D.O * Vdil * fa * 100 Donde: D.O.T.: Densidad óptica total o Absorbancia. V dil.: Volumen en mg en el cual es diluida el extracto para la medición de la D.O. Fa: Factor de dilución del extracto en buffer a pH 1.0 o buffer a pH4.5.
Diferencia entre la densidad óptica total determinada a pH 1.0 y a pH 4.5. D.O. = D.O.T. pH 1.0 - D.O.T. pH 4.5
Contenido de antocianina (mg/100 ml. de extracto).
Donde: AE1 cm 1%= 769 es la variación del coeficiente de extinción molecular promedio de cianidinas del maíz morado en medio acuoso medido a pH 1 y a pH 4.3 reportado por Fuleki y Francis. IV. Datos y Cálculos a. La relación en peso entre el grano y la coronta del maíz
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Para hallar la relación en peso entre el grano y la coronta del Maíz Morado
se tomó 3.00 Kg. de muestra, esta se tuvo que
desgranar para realizar el pesado respectivo, de esto se obtuvo que de los 3 kilos de muestra 2.2211 Kg. era de grano y 0.7789 Kg. era de coronta. Para hallar el porcentaje y la relación correspondiente, se realizaron los siguientes cálculos: 3.00 Kg.de Maíz Morado 2.2211 Kg. de grano
100%
X
X= 74.04% de grano en Maíz
Coronta en maíz = 100 r 74.04= 25.96% b. En el procedimiento de la extracción de antocianinas a partir de la coronta del maíz
Peso de la cornta:778.9 g
Molienda
(1/2 cm, aproximadamente): esta operación se
realizo con ayuda de un molino.
Secado en Estufa (60°C x 3 horas aprox.): teniendo un peso final de 389.3g
Cálculo de la humedad (%h)
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Calculo de la humedad en la coronta
%H = 50.0 %
Primera extracción hidroalcohólica - acida (60° GL) Materia prima: solvente. 1:6; (pH 3.5) Materia
prima/Solvente: 1/6
Materia prima/Solvente: 389.3g / 2335.8ml
La solución resultante fue llevada a pH 3.5 con acido cítrico
Maceración (por 24 horas)
En la primera Filtración:
1.650L de extracto de colorante
1.0686 Kg de residuo
Segunda extracción hidroalcohólica - acida (60° GL) Materia prima: solvente. 1:3; (pH 3.5) Materia prima / solvente: 1/3 Materia prima/Solvente: 1.0686 /
3.2058
La solución resultante fue llevada a pH 3.5 con acido cítrico
Maceración (por 3 horas)
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En la segunda Filtración:
3.250L de extracto de colorante
1.02444 Kg de residuo
Evaporación hasta < 10 °GL(Baño maría: 70°C)
QUEDANDO UN VOLUMEN DE =
CON UN BRIX DEL EXTRACTO =
c. Determinación de antocianinas totales Calculo obtenido de: Flores, L y Minguillo, C.2001. `Estudio de la influencia del tipo de enzimas en el rendimiento de antocianinas a partir del maíz morado`. Tesis para optar título de Ingeniero Químico. U.N.P.R.G. PERU-Lambayeque
Calculo de la densidad óptica total para 100 ml. de extracto. D.O.T = D.O * Vdil * fa * 100
Diferencia entre la densidad óptica total determinada a pH 1.0 y a pH 4.5. D.O. = D.O.T. pH 1.0 - D.O.T. pH 4.5 D.O. = 99676.0 -17839.02 D.O. = 81836.98 mg de AcyT Página 24
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Contenido de antocianina (mg / 100 ml. de extracto)
INTERPRETACION: 1064.2 mg de AcyT / 100 mL V.
Discusiones a. El contenido de Antocianinas de la Coronta del Maíz Morado 883.20mg/100ml Según: Nakatani, Collazos y Fernández, CórdovaEspaña. En nuestro extracto presento una concentración de 1064.2 mg de AcyT / 100 mL. Esto se debe que el extracto obtenido en laboratorio se concentrado de una solución de 2.700 litro a 79 ml
VI. Conclusiones b. Para la primera extracción se determino que con el tiempo de maceración (24hras), se maximiza la extracción de antocianina, a comparación de la segunda extracción con un tiempo de maceración de (3hras), esta tenía un aspecto más diluida. c. Para el primer filtrado se determino que el extracto de antocianina estaba más concentrado que la de la segunda filtración Página 25
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VII. Recomendaciones a. Se recomienda evaluar el contenido de antocianinas con otras variedades de maíz morado. b. Realizar un estudio similar, para determinar el contenido de antocianinas con frutos tales como: uva, ciruela, granadilla, plátano, etc. c. Analizar el contenido de antocianinas usando enzimas. d. Realizar estudios de los subproductos obtenidos en el proceso de filtración para su utilización en la preparación de alimentos balanceados. VIII. Referencia Bibliográfica a. Libros
Araujo, M. 1995. Estudio de la Extracción del Colorante del Maíz morado (Zea mavs L.) con el uso de enzimas. Tesis de maestría UNALM. Perú
Delgado, F. 1990. Estudio del secado por atomización de colorante del maíz morado. Tesis de Ingeniero en Industrias Alimentarias. UNALM.Perú.
Fuleky, T. and Francis, F. 1968. Quantitative methods for Anthocyanins. Extraction and Determination of Total Antocyanins in Cranberries. Journal of Food Science. Volume 33.
Fuleky, T. and Francis, F. 1968. Quantitative methods for Anthocyanins. 2. Determination of Total Anthocyanin and
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Degradation Index for Cranberrie Juice. Journal of Food Science. Volume 33.
Flores, L y Minguillo, C.2001. `Estudio de la influencia del tipo de enzimas en el rendimiento de antocianinas a partir del maíz morado`. Tesis de Ingeniero Químico. U.N.P.R.G. PERU -Lambayeque
Tscheuschner, H. 2001. Fundamentos de Tecnología de los Alimentos. Acribia. Zaragoza, España.
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