Pulverizacion de Colorantes Naturales

ISSN 1692-0694

PULVERIZACIN DECOLORANTES NATURALES POR

SECADO POR ATOMIZACIN

INVESTIGADOR PRINCIPAL:JORGE ENRIQUE DEVIA PINEDA, Ph. D.

COINVESTIGADORES: EST. VANESSA ROSA CONSTAIN ORDOEZ CAROLINA VILLEGAS MONTOYA CAMILO AMAR BRACHO DAZ RODOLFO AQUILEO PAREDES A. DIANA CAROLINA CRUZ TRUJILLO CAROLINA PALOMINO HUERTAS CAROLINA ESCOBAR PALACIO BEATRIZ ELENA LONDOO SIERRA SANTIAGO ALVIAR HENAO

ASISTENTES DE INVEST.EST. MARCIA VICTORIA CORREA OSORNO

ELIANA JARAMILLO OSORIOYULI ANDREA RAMREZ TAPIAS

GRUPO DE INVESTIGACIN DESARROLLO Y DISEO DE PROCESOS -DDP-Departamento de Ingeniera de Procesos

Director de Grupo de Investigacin: Ing. Jaime Escobar Arango

Medelln, Julio de 2005 DOCUMENTO 33-072005

Comentarios: Favor dirigirlos a jdevia@ea t.edu.coEst autorizada la reproduccin total o parcial de este material siempre y cuando se cite la fuente.

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ............................................................................................................................................. 1

ABSTRACT ............................................................................................................................................. 1

AUTORES ............................................................................................................................................. 2

1. INTRODUCCIN ........................................................................................................................... 31.1 Los Colorantes Naturales ................................................................................................................ 31.2 Preguntas de Investigacin .............................................................................................................. 51.3 Objetivos .......................................................................................................................................... 5

2. METODOLOGA EMPLEADA EN EL PROYECTO ......................................................................... 62.1 Extraccin del colorante .................................................................................................................. 62.2 Concentracin de la solucin ........................................................................................................... 6

3. PROCESOS DE EXTRACCIN DE LOS COLORANTES .............................................................. 73.1 Extraccin del colorante del Achiote ............................................................................................... 73.2 Extraccin del colorante de la Cscara del Pltano hartn (Londoo, 2003) .................................. 133.3 Extraccin del colorante de la semilla del Aguacate (Saldarriaga, 2002) ........................................ 193.4 Extraccin del colorante de las hojas del Helecho (Bracho, 2003) .................................................. 25

4. CARACTERIZACIN DE LOS COLORANTES ............................................................................... 304.1 Colorante de la semilla del Achiote .................................................................................................. 304.2 Colorante de la cscara del Pltano hartn ..................................................................................... 344.3 Colorante de la semilla del Aguacate ............................................................................................... 374.4 Colorante de las hojas del Helecho .................................................................................................. 40

5. PULVERIZACIN DE LOS COLORANTES ..................................................................................... 445.1 Seleccin del Secador ...................................................................................................................... 445.2 Parmetros de diseo del Secador .................................................................................................. 445.3 Construccin del Secador ................................................................................................................ 45

6. USO DE LOS COLORANTES .......................................................................................................... 506.1 Colorantes para Textiles ................................................................................................................... 50

7. ESTUDIO ECONMICO PRELIMINAR ........................................................................................... 51

8. CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 52

9. BIBLIOGRAFA ................................................................................................................................. 53

AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................................. 55

1Cuaderno de Investigacin No. 33

RESUMENEn este trabajo se determinan las condiciones para la extraccin de los colorantes a partir de las semillas del Achiote (Bixa orellana), y del Aguacate (Persea gratissima Goerin), de la cscara del pltano hartn (Musa paradisiaca) , y del Helecho comn (Pteridium aquilinum), con ayuda de diseos de experimentos que permiten identi car las condiciones de operacin que dan el mejor rendimiento del colorante.

Para obtener los colorantes en polvo, utilizando un proceso diferente al secado por medio de altas temperatura, se construye un secador por atomizacin segn un estudio previo en el cual se seleccionaron los componentes del equipo y se dibujaron los planos para la construccin. En este proyecto se introducen algunas modi caciones de acuerdo con las necesidades del proyecto. El secador construido tiene capacidad para evaporar hasta cinco litros de agua por hora.

Los colorantes obtenidos se utilizan en el teido de bras textiles como algodn y nylon, aplicando las Normas Icontec a los productos obtenidos para veri car que sus caractersticas estn por encima de los valores requeridos por la norma. Se hacen algunos ensayos iniciales con productos alimenticios, pero es necesario profundizar en esta rea para tener la seguridad que no haya efectos nocivos para la salud de los humanos.

PALABRAS CLAVEColorantes naturales, teido de bras, secado por atomizacin, Achiote, Aguacate, Helecho, Pltano.

ABSTRACTIn this work, the conditions for the extraction of dyes from the seeds of achiote (Bixa orellana), and avocado (Persea gratisima Goerin), from the peel of the banana hartn (Musa paradisiaca), and from the leaves of common fern (Pteridium aquilinum), are determined. With the help of statistical experimental designs the best conditions for the extraction parameters are determined.

In order to obtain the powdered dyes, using a different process from the high temperature drying, an spray dryer is constructed according to a previous study in which the components of the equipment were selected and the blueprints for the construction were drawn. In this project some modi cations are introduced in agreement with limitations of the unit operations lab. The constructed spray dryer has capacity to evaporate up to ve liters of water per hour.

The dyes are tested to dye textile ber like cotton and nylon, and the Icontec Norms are applied to the colored materials to verify that their characteristics are over the standard requirements of the norm. Some initial tests with nutritional products are made, but it is necessary to deepen in this area to have the security that they dont have unhealthy effects on human beings.

KEY WORDSNatural dyes, textile bers dyeing, spray drying , annatto, avocado, banana, common fern.

AUTORES

JORGE ENRIQUE DEVIA PINEDA

Ingeniero Qumico de la Universidad de Antioquia y Ph. D. en Fisicoqumica de la Universidad de Pittsburgh, Estados Unidos.

Docente del Departamento de Ingeniera de Procesos de la Universidad EAFIT.

Miembro del Grupo de Investigacin Desarrollo y Diseo de Procesos (DDP) de la Universidad EAFIT.

rea de Desempeo: Investigacin y Desarrollo de Productos.

Asignatura que sirve: Pensamiento Sistmico y Metodologa de la Investigacin.

VANESSA ROSA CONSTAIN ORDOEZCAROLINA VILLEGAS MONTOYACAMILO AMAR BRACHO DIAZRODOLFO AQUILEO PAREDES A. DIANA CAROLINA CRUZ TRUJILLOCAROLINA PALOMINO HUERTASCAROLINA ESCOBAR PALACIOBEATRIZ ELENA LONDOO SIERRASANTIAGO ALVIAR HENAO

Estudiantes de ltimo ao de Ingeniera de Procesos, quienes desarrollaron sus trabajos de grado en el grupo con la direccin del profesor Jorge E. Devia.

MARCIA VICTORIA CORREA OSORNOELIANA JARAMILLO OSORIOYULI ANDREA RAMREZ TAPIAS

Estudiantes de semestres intermedios del programa de Ingeniera de Procesos, quienes actuaron como Asistentes de Investigacin durante el desarrollo del Proyecto.

Pulverizacin de colorantes naturales por secado por atomizacin

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3PULVERIZACIN DE

COLORANTES NATURALES POR

SECADO POR ATOMIZACIN

1. INTRODUCCIN

1.1 LOS COLORANTES NATURALES

Desde tiempos inmemoriales los colorantes se usan para teir, artesanalmente, bras textiles y para darle color a algunos alimentos; en este ltimo caso hay exigencias ms o menos rigurosas relativas a su toxicidad. En la naturaleza se pueden encontrar mltiples fuentes de colorantes, capaces de generar una amplia variedad de matices y de cumplir, algunos de ellos, con los requisitos que la industria textil y alimenticia demandan (Rigge, 2001). Un gran porcentaje de estas fuentes proviene de la agricultura (semillas, materiales de desecho como cscaras, hojas, etctera). A estos materiales se les agrega valor mediante su transformacin industrial.

Por su naturaleza qumica, los colorantes pueden ser inorgnicos y orgnicos. La importancia de los colorantes de origen vegetal haba decado desde la aparicin en el mercado de los colorantes sintticos derivados del petrleo, del aluminio y del carbn. Sin embargo actualmente se estn buscando colorantes naturales como sustitutos de los arti ciales debido a que en algunos pases se han prohibido los colorantes de origen mineral y sintticos porque, en algunos de ellos, se han encontrado indicios de

efectos nocivos para la salud. En los ltimos aos la industria de alimentos ha reducido considerablemente la lista de colorantes permitidos, y por el contrario ha comenzado a utilizar los colorantes naturales que de acuerdo con la legislacin norteamericana no requieren certi cacin (FDA, 2002)

Los colorantes naturales se dividen en tintes (dyes) y pigmentos (pigments). Generalmente los tintes se de nen como compuestos que interaccionan qumicamente con el sustrato coloreado (p. e. con textiles); usualmente se disuelven o dispersan en un solvente y el sustrato se trata en esta solucin. Por otro lado, los pigmentos, muy usado en la industria farmacutica, no forman enlaces qumicos con el sustrato, y para que puedan adherirse a su super cie se tienen que mezclar con un adhesivo.

La FDA (Food and Drugs Administration), entidad norteamericana autorizada para regular los alimentos y sus aditivos, ha de nido que los colores permitidos para el uso en la industria alimenticia se clasi can en certi cables y exentos de certi cacin. Los certi cables son colorantes sintticos, aprobados para su uso por la FDA. En los Estados Unidos existen ocho colores certi cados que son: Amarillo #5, Amarillo #6, Azul #1, Azul #2, Naranja B, Rojo citrus, Rojo #40, Verde #3 Los aditivos colorantes exentos de certi cacin incluyen los pigmentos derivados de

fuentes naturales tales como vegetales o animales, entre ellos se incluyen los colorantes obtenidos de las semillas (la pepa) del aguacate y del achiote as como extractos vegetales (FDA, 2002).

En el Departamento de Ingeniera de Procesos se ha venido desarrollando el proyecto denominado Investigacin y Desarrollo de Productos y entre sus resultados se cuenta la obtencin de colorantes naturales a partir de las partes de algunas plantas comunes en el pas. Es as como se han obtenido colorantes a partir de las semillas del Achiote (Bixa orellana), y del Aguacate (Persea gratissima Goerin), de la cscara del pltano hartn (Musa paradisiaca), y del Helecho comn (Pteridium aquilinum).

El colorante del Achiote, denominado Annatto, se obtiene en forma de polvo, porque en el proceso de extraccin, que se hace con una solucin al 2% de hidrxido de potasio, se emplea cido sulfrico para la precipitacin del colorante en forma de una pasta que debe molerse para obtener el colorante pulverizado (Saldarriaga, 2001) Es posible modi car este proceso para obtener un producto con caractersticas ms aceptables para utilizarlo en la industria de los alimentos, si en lugar de emplear el cido sulfrico para la precipitacin, la solucin del colorante se pulveriza por medio de secado por atomizacin.

A pesar de que el achiote ofrece grandes oportunidades de produccin gracias a su gran adaptabilidad y amplia gama de condiciones agroecolgicas, es lamentable que siendo este arbusto tan rstico y tan poco exigente, Colombia siga importando la semilla, especialmente desde el Ecuador (Proexport).

Entre los colorantes sintticos existentes, el colorante del achiote puede reemplazar al Amarillo #5, ms conocido como Tartrazina, que tiene un precio de $14.000 pesos por kilo y del cual se producen localmente cerca de 35 ton / mes; sin embargo, el colorante del achiote, obtenido por precipitacin con cido sulfrico, se vende a $24.000 pesos por

kilo. Aunque hay una notable diferencia de precios, es importante sealar que nacionalmente el uso de la Tartrazina est prohibido en pastas, mayonesa, salsa de tomate y mostaza, productos en los cuales el colorante de achiote tiene muy buena aplicacin y estabilidad y se podra obtener por un proceso relativamente sencillo (Saldarriaga, 2001). De todos modos es necesario determinar el costo de produccin del colorante por secado por atomizacin y evaluar sus ventajas en relacin con el producto obtenido por otros procesos.

Otro producto interesante que se ha obtenido en el laboratorio es el colorante a partir de la semilla del Aguacate (Persea gratissima Goerin - Persea Americana Mill) usando una solucin de hidrxido de sodio al 0.5% p/v (peso/volumen) para la extraccin. Hasta el momento este colorante debe permanecer en solucin porque si se seca a temperaturas elevadas se degrada. Por esta razn es importante que el secado se haga por atomizacin, que tiene la ventaja que el material permanece a alta temperatura por un periodo de tiempo muy breve.

Aunque en la bsqueda bibliogr ca realizada, no se encontraron referencias del uso industrial del colorante de la semilla del aguacate, de sta se extrae un jugo que es una tinta indeleble que sirve para marcar ropa; para ello se saca el jugo fresco y se lleva directamente a la tela que se desea marcar, escribiendo sobre ella para dejarla secar (Arias, 1968). En el Laboratorio de Procesos se ha encontrado que, de acuerdo con el pH de la solucin y el mordiente empleado, se obtienen cinco colores diferentes que presentan muy buena estabilidad en telas de algodn, Nylon y mezcla lana-polister, en lcteos y harinas (Saldarriaga, 2002; Cruz, 2004).

De acuerdo con la importancia de los colorantes naturales en el mercado mundial y la necesidad de obtenerlos en polvo, para facilitar su transporte y dosi cacin, con un tratamiento de secado bajo condiciones que no daen el producto, se pretende construir un secador por atomizacin que, adems de servir para determinar las condiciones de secado


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de estos colorantes, se pueda utilizar para hacer ensayos con otros productos de inters comercial que permitan desarrollar esta tecnologa en el programa de Ingeniera de Procesos y si es posible obtener algunas patentes relacionadas con este tema.

Tambin de las cscaras del Pltano hartn se puede obtener un colorante que sirve para teir textiles, con caractersticas aceptadas segn las Normas Icontec. El mtodo propuesto para la extraccin de este colorante consiste en una extraccin slido-lquido, donde la cscara, con una humedad promedio de 84.8 %, se deshidrata y muele para luego extraer el colorante con un solvente acuoso y bsico a temperatura moderada, para obtener una solucin coloreada con un contenido de slido cercano al 3% por peso despus de su centrifugacin (Londoo, 2003).

Por otro lado, a partir de la hoja helecho comn, con humedad igual o inferior al 11.9%, secada al aire para facilitar su molienda, se obtiene un colorante por extraccin slido-lquido usando una solucin diluida de hidrxido de potasio como solvente extractor. El colorante obtenido sirve para teir bras de algodn y de nylon usando mordiente naturales (Bracho, 2003; Constain, 2004).

1.2 PREGUNTAS DE INVESTIGACIN

En busca de formas para aprovechar mejor los colorantes que se obtienen de los vegetales mencionados se proponen las preguntas de investigacin que son la pauta para desarrollar este proyecto:

Cules son las condiciones para la obtencin de los colorantes que van a secarse por atomizacin?

Qu es preferible, un secador por atomizacin que se pueda acoplar al secador por lecho uidizado que ya existe en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, o construir un equipo independiente? Ser un secador con boquillas o con disco giratorio a alta velocidad?

Cules deben ser los parmetros de diseo del secador por atomizacin?

Cul es la ingeniera de detalle y la seleccin de los componentes para construir el secador?

Cules son las mejores condiciones de secado para cada uno de los colorantes que se han obtenido en el Laboratorio de Procesos?

Cules son las caractersticas de estabilidad y color de los colorantes obtenidos por secado por atomizacin en bras naturales y sintticas y en productos alimenticios?

Cul es la factibilidad econmica del proceso completo de extraccin y secado de los colorantes, para una planta piloto?

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo General

Disear un proceso para producir colorantes naturales en polvo por medio del secado por atomizacin. Espec camente, se pretende completar el diseo del proceso de produccin de colorantes naturales, obtenidos en el laboratorio, con la construccin de un equipo de secado por atomizacin para convertir sus soluciones acuosas en polvo, con un tamao de partcula adecuado para que su disolucin en agua sea completa.

1.3.2 Objetivos Especficos

Determinar las condiciones experimentales, incluyendo evaluar el efecto de la temperatura, para la obtencin de los colorantes que van a someterse al proceso de secado por atomizacin.

Seleccionar el secador por atomizacin que se ajuste mejor a las necesidades del programa de Ingeniera de Procesos, para construirlo en el laboratorio de operaciones unitarias.


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Determinar los parmetros de diseo del secador por atomizacin seleccionado, en tamao comparable con otros equipos del laboratorio de operaciones unitarias.

Dibujar los planos de las partes del secador y seleccionar los dems componentes necesarios para la construccin de ste.

Construir el secador por atomizacin con la ayuda del Centro de Laboratorios, especialmente del Laboratorio de Modelos.

Determinar las condiciones del secado por atomizacin para obtener colorantes en polvo con una calidad comparable con los productos que se ofrecen en el mercado internacional.

Determinar las caractersticas de estabilidad y color de los colorantes obtenidos, en bras naturales y sintticas lo mismo que en productos alimenticios.

Hacer un estudio econmico preliminar acerca de la factibilidad de produccin a escala de planta piloto de colorantes vegetales por medio del secado por atomizacin.

1.3.3 Productos y Resultados

Como resultado de este proyecto se entregarn a la Direccin de Investigacin y Docencia muestras de los tres colorantes en polvo obtenidos por medio del secado por atomizacin, con la correspondiente descripcin del proceso de obtencin y la evaluacin de sus caractersticas de teido y estabilidad del color en bras naturales y sintticas.

Se entregar al Centro de Laboratorios un secador por atomizacin para incorporarlo a los dems equipos del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad EAFIT y que podr ser utilizado en investigacin y docencia en las carreras de Ingeniera de Procesos, Ingeniera Mecnica e Ingeniera de Produccin.

Con este equipo se entregar un disco compacto (DC) con todos los planos y la seleccin de accesorios necesarios para la construccin del secador.

Adems, como resultado de este proyecto se producirn dos tipos de publicaciones: un informe nal con la gua para la operacin del secador y las condiciones de secado para los colorantes y tres publicaciones, una relativa a la construccin del secador, y otras dos relacionadas con el secado de materiales: colorantes y otros productos que se puedan ensayar durante el desarrollo del proyecto. En el caso de que los resultados de este proyecto sean patentables se har el trmite correspondiente por intermedio de la Universidad EAFIT.

2. METODOLOGA EMPLEADA EN EL PROYECTO

2.1 EXTRACCIN DEL COLORANTE La materia prima de cada una de las especies estudiadas se tritura a un tamao de grano superior a la Malla 30, para evitar su aglomeracin en la forma de lodo durante el proceso de extraccin. Para cada uno de estos materiales se seleccionan las condiciones de extraccin que producen mejor rendimiento, con ayuda del Diseo Estadstico de Experimentos. A partir de este extracto se obtienen muestras para hacer una caracterizacin sicoqumica preliminar de los colorantes.

2.2 CONCENTRACIN DE LA SOLUCIN

La solucin del colorante que se obtiene durante el proceso de extraccin se concentra, hasta tener una concentracin de slidos del 15 al 20%, en la unidad de evaporacin del Laboratorio de Operaciones Unitarias, a presin reducida (12 psi) y una temperatura menor a 65 C, porque se ha encontrado que, en general, los colorantes naturales pueden sufrir algn grado de degradacin a temperaturas mayores.


2.3 PULVERIZACIN DEL COLORANTE

El extracto concentrado se somete al proceso de pulverizacin en la unidad de secado por atomizacin. La cmara de aire caliente tiene una temperatura en la parte superior de 230 C y la parte inferior la temperatura disminuye a 90 - 100 C. El disco dispersor gira a una velocidad variable entre 5000 y 35000 rpm, la cual se modi ca segn la viscosidad del material. Para seleccionar esta velocidad se deben hacer ensayos previos hasta lograr que la solucin se disperse en una nube que produzca partculas secas de un tamao que sea adecuado para el uso propuesto. El polvo obtenido se almacena en bolsas cerradas hermticamente para evitar que se humedezcan.

3. PROCESOS DE EXTRACCIN DE LOS COLORANTES

Aunque los procesos de extraccin de los colorantes son similares porque se emplea la extraccin slido-lquido usando como solvente una solucin acuosa, cada una de ellas tiene especi cidades, especialmente, en cuanto a la naturaleza y concentracin del hidrxido que se emplea, lo cual hace que los parmetros del procesos sean diferentes.

3.1 EXTRACCIN DEL COLORANTE DEL ACHIOTE

Desde la antigedad se conocen diferentes mtodos de extraccin del colorante del Achiote que varan desde la extraccin rudimentaria o artesanal hasta los procesos industriales. A continuacin se describen brevemente algunos de los procesos conocidos.

3.1.1 Extraccin rudimentaria o artesanal del colorante del Achiote

Las semillas que se separan de las cpsulas maduras, se colocan en su ciente agua hirviendo

con el n de que el colorante se desprenda de stas; luego se separa el residuo de las semillas de la suspensin acuosa, que se deja fermentar por cerca de una semana. Finalmente se elimina el agua para dejar una pasta slila que se modela para obtener el producto con la forma ms conveniente y aceptada por el consumidor (Sahaza, 2003).

Otro de los mtodos antiguos y prcticamente en desuso, consiste en machacar las semillas entre cilindros para obtener una masa, a la cual se le agrega una cantidad su ciente de agua con agitacin. Cuando la suspensin acuosa se sedimenta, se le retira la mayor parte del agua clara y se deja hervir por dos o tres horas. Al retirarla del fuego, se exprime bien para sacar el resto de agua y obtener la pasta que queda lista para empacar y comercializar directamente (Crdoba, 1987).

3.1.2 Extraccin industrial

La extraccin del pigmento a escala industrial se puede hacer con diferentes solventes, tales como agua caliente, lcali diluido, aceites vegetales, propilenglicol, acetato de etilo y otros solventes de menor importancia. Para cada uno de estos solventes se emplean varios mtodos de extraccin, de acuerdo con la disponibilidad de equipos y recursos.

lcali acuoso: La bixina, uno de los componentes colorantes del Achiote, es un cido carboxlico que, al agregarle un lcali acuoso, forma sales alcalinas solubles en agua, lo que permite extraer el colorante de una forma ms fcil. Las semillas se lavan con esta solucin, el extracto y el lavado se acumulan y la solucin roja oscura se neutraliza con un exceso de cido mineral, el cual precipita el pigmento. Luego se ltra, se lava y el lquido sobrante se separa hasta obtener la masa colorante para secar (Mosquera, 1989; Jaramillo, 1992).

Aceites vegetales: La extraccin con aceites vegetales consiste en diluir el colorante de las semillas en aceite vegetal caliente, para venderlo en


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forma de una solucin concentrada destinada a la pigmentacin de algunos productos lcteos y para nes culinarios (Crdoba, 1987; Jaramillo, 1992).

Propilenglicol: El proceso de extraccin se lleva a cabo en fro debido a la alta solubilidad que tiene el pigmento en estas condiciones. El colorante obtenido se emplea para colorear derivados lcteos principalmente (Jaramillo, 1992).

Extraccin con solucin alcalina (KOH). Entre los diferentes mtodos y solventes existentes para extraer el colorante del achiote, se selecciona la solucin de hidrxido de potasio para desarrollar los ensayos, a escala de laboratorio, en este proyecto. Esta seleccin se fundamenta en las siguientes razones:

Segn estudios realizados con diferentes solventes, con una solucin de hidrxido de potasio se obtiene el colorante con mejor rendimiento y calidad. Segn Proexport, el solvente que extrae un mayor porcentaje del compuesto activo por encima del 30%, adems del acetato de etilo, es el hidrxido de potasio; lo cual es determinante en el momento de exportar el colorante (Jaramillo, 1992).

La extraccin con una solucin de hidrxido de potasio, es muy comn entre algunas empresas extranjeras, tales como KALSEC, localizada en Estados Unidos y dedicada a la extraccin del colorante de achiote, Annatto, no solo por el mtodo de la solucin alcalina, sino tambin con aceites vegetales, leo-resinas, entre otros, encontrando que el hidrxido de potasio es el indicado para realizar esta extraccin (Kalsec, 2003).

3.1.3 Descripcin del proceso empleado en este proyecto

La primera etapa del proceso es la seleccin adecuada de las semillas, porque se ha comprobado que mientras ms frescas se encuentren, mejor rendimiento y calidad se obtiene (Jaramillo, 1992). Las semillas pesadas se dejan en remojo en la solucin

de KOH durante 12 a 16 horas, y luego se separa la solucin coloreada; las semillas se mezclan con otra parte de la solucin de KOH con agitacin durante un tiempo determinado. Enseguida, las semillas se separan de nuevo, se lavan con solucin de KOH y se secan al sol, y las soluciones coloreadas resultantes se mezclan. A esta solucin bsica se le disminuye el pH con cido sulfrico para precipitar el colorante.

As se obtiene el colorante en suspensin, con un pH cido y un color rojo intenso, de la cual se parte para obtener el colorante en diferentes presentaciones, segn la aplicacin que se quiere dar, bien sea en polvo o simplemente en suspensin. Para efectos de experimentacin en el laboratorio, el proceso contina hasta obtener el colorante en polvo. Para tal n, la suspensin cida se ltra al vaco para acelerar el proceso, con el n de obtener una torta del colorante, la cual se seca en un horno. Finalmente la pasta obtenida se muele en mortero, para conseguir el colorante en polvo que se pesa para determinar rendimientos.

3.1.3.1 Variables del proceso de extraccin el colorante del achiote. Las variables del proceso que inciden de modos diferentes en su rendimiento son: relacin semilla/solvente, concentracin del solvente, tiempo de agitacin, velocidad de agitacin, pH y temperatura de secado.

3.1.3.1.1 Relacin semilla-solvente. Es una variable importante para llevar a cabo el proceso, porque indica cual es el volumen adecuado de solvente, segn el peso de semillas. En los estudios realizados se han manejado relaciones de 1:2, 1:3 y 1:4, con resultados muy cercanos a los obtenidos con la relacin 1:3 (Jaramillo, 1992). Por lo tanto, y teniendo en cuenta las relaciones utilizadas por Mosquera (1989) y Jaramillo (1992), sta es una de las variables que se deben considerar.

3.1.3.1.2 Concentracin del solvente. Considerando que se deben emplear bajas concentraciones de lcali para no degradar el


colorante, este parmetro se maneja como variable del proceso, porque de sta depende, en parte, el desprendimiento del colorante de las semillas, teniendo en cuenta que en los estudios realizados se han trabajado concentraciones entre 0.5% p/v y 2% p/v (peso por volumen) (Mosquera, 1989; Jaramillo, 1992).

3.1.3.1.3 Tiempo de agitacin. El tiempo de agitacin es otra de las variables que se debe considerar en el proceso, para determinar el tiempo que deben permanecer las semillas en agitacin para retirar la mxima cantidad de colorante, sin que stas comiencen a desprender impurezas o quede buena parte de colorante sin separar. Se han trabajado diferentes tiempos de agitacin, entre 30 y 60 minutos, segn ensayos realizados por Mosquera y Jaramillo.

3.1.3.1.4 Velocidad de agitacin. La velocidad se debe considerar porque a bajas velocidades se obtiene un mayor rendimiento. Por limitaciones de capacidad de equipo en el laboratorio, la mnima velocidad obtenida fue de 140 rpm; por lo tanto, esta variable se deja como un parmetro jo en los ensayos iniciales.

3.1.3.1.5 pH. Cuando se desea que la presentacin nal del colorante sea en polvo, se requiere precipitar el colorante antes de ltrar; para lo cual se usa cido sulfrico. Se ha encontrado que el colorante a pH neutro es estable, pero que en un intervalo entre 2 2,5 se obtiene un mayor rendimiento (Jaramillo, 1992); por lo tanto, aunque este es un parmetro importante para controlar, no se considera como variable y se trabaja en un intervalo de pH jo de 2 a 2,5.

3.1.3.1.6 Temperatura de secado. En estudios anteriores se ha encontrado expe-rimentalmente que a temperaturas por encima de 60C la bixina se degrada, disminuyndose la calidad del colorante y el rendimiento del proceso (Jaramillo, 1992). Por lo tanto, sta se maneja como un parmetro importante, establecido a 57C.

3.1.4 Diseo de Experimentos

Los parmetros de operacin del proceso para obtener el colorante del achiote se determinan por medio de un diseo estadstico de experimentos de tipo factorial, para encontrar las interacciones entre las variables que permitan obtener el mayor rendimiento en la obtencin del colorante. El anlisis de las variables se realiza con base en los resultados preliminares de este estudio y de los resultados obtenidos en trabajos anteriores (Jaramillo, 1992; Mosquera, 1989; Kalsec, 2004), y se decide que las variables que se deben usar, con sus respectivos niveles son:

Relacin semilla-solvente: 1:2 y 1:3

Concentracin del solvente (KOH): 1% p/v y 2% p/v (peso/volumen)

Tiempo de agitacin: 30 min. y 45 min.

De acuerdo con las caractersticas del proceso, sus variables y respectivos niveles, resultan 8 experimentos diferentes, de nidos como se muestra en la Tabla 1.


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TABLA 1Diseo de experimentos para el proceso de extraccin

Experimento Semilla/solvente ConcentracinSolvente (p/v)Tiempo de agitacin

(minutos)1 1:2 2% 302 1:2 1% 303 1:3 2% 30 4 1:3 1% 30 5 1:2 2% 456 1:2 1% 457 1:3 2% 458 1:3 1% 45

3.1.4.1 Resultados del Diseo de Experimentos. Todos los experimentos necesarios segn el Diseo de Experimentos para obtener el colorante del Achiote se realizan por duplicado, con 100 gramos de semilla fresca, con una humedad promedia del 13.2%, a una velocidad de agitacin de 140 rpm, temperatura de secado a 57 C y tiempo de secado de la pasta de 5 a 6 horas en horno. Los resultados del proceso de extraccin se muestran en la Tabla 2..

El diseo de experimentos realizado fue de tipo factorial. Los subtotales estn representados por Yijkl, donde:

i : Tiempo de agitacin (1: 30 min; 2: 45 min) j : Relacin Semilla/Solvente (1: 1:2; 2: 1:3) k : Concentracin del solvente (1: 2% p/v); 2: 1% p/v) l : Nmero de repeticiones (1: Primera; 2: Segunda)

TABLA 2Resultados del proceso de extraccin

Relacin Sem/Sol

Concentracin solvente (p/v)

Tiempo de agitacin (minutos) pH

Peso de semillasin colorante (g)

Peso total de colorante (g)

1:2 2% 30 2.46 91.52 7.521:2 2% 30 2.47 90.16 7.431:2 1% 30 2.43 94.33 4.051:2 1% 30 2.47 92.75 6.011:3 2% 30 2.5 93.90 6.671:3 2% 30 2.48 91.78 6.241:3 1% 30 2.47 90.85 6.331:3 1% 30 2.45 93.27 5.971:2 2% 45 2.47 93.97 5.911:2 2% 45 2.46 92.25 6.311:2 1% 45 2.45 93.11 4.201:2 1% 45 2.46 92.49 4.511:3 2% 45 2.49 88.98 7.961:3 2% 45 2.46 89.54 7.561:3 1% 45 2.43 90.44 7.231:3 1% 45 2.47 91.26 7.46

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Cuaderno de Investigacin No. 33

De la tabla 2 se puede observar que:

Al manejar relaciones de semilla/solvente de 1:3, se obtiene una mayor cantidad de colorante. Una razn para esta observacin es que con esta relacin es posible una mayor interaccin de la solucin con la semilla. Este resultado concuerda con la relacin encontrada por Mosquera y Jaramillo en sus estudios. En un trabajo posterior se logra rebajar la agitacin a 100 rpm, en un equipo diseado especialmente para este propsito y con ayuda de centrifugacin, en lugar de la simple ltracin, se obtiene un rendimiento superior (Escobar, 2004).

Cuando la concentracin de la solucin de KOH es del 2% p/v, se obtiene mayor cantidad de colorante, sin despreciar los resultados con una concentracin del solvente de 1% p/v.

El tiempo de agitacin no es muy determinante en el proceso, puede decirse que se obtiene casi el mismo rendimiento; sin embargo, se observa, ligeramente, un mayor rendimiento durante 45 minutos.

La variedad de las semillas utilizada en los ensayos es la de cpsulas rojizas, en la cual el colorante representa el 8.2% en base seca. (Mosquera, 1989; Jaramillo, 1992). De la Tabla 2 puede decirse que el mayor rendimiento de la extraccin del colorante es del 7.96%, obtenido en el experimento 13; por lo tanto la e ciencia total del proceso es del 97%.

Anlisis de Varianza: Por medio del anlisis estadstico se determina la importancia que tiene cada una de las variables en el proceso de extraccin del colorante y cul es el efecto de sus interacciones (Tabla 3).

TABLA 3Tabla ANDEVA

Fuente de variacin Suma de cuadradosGrados de

libertadMedia de

cuadrados F0 FCrtico

Tiempo agitac. 0,0524 1 0,0524 0,1806 8,3895Sem/Solv 5,6198 1 5,6198 19,3657 8,3895Concentracin 6,0436 1 6,0436 20,8259 8,3895Tiemp*Sem/Sol 5,1571 1 5,1571 17,7710 8,3895Tiemp*Concent. 0,0841 1 0,0841 0,2896 8,3895Sem/Sol*Conc 3,0263 1 3,0263 10,4284 8,3895T*Se/Sol*Conc 0,1601 1 0,1601 0,5516 8,3895ERROR 2,32 8 0,2902TOTAL 22,4649 15

Comparando los valores obtenidos de F0 con Fcrtico, en la Tabla 3, se observa que de las variables que intervienen en el proceso y sus interacciones, todas son signi cativas, a excepcin del tiempo de agitacin, la interaccin tiempo de agitacin con concentracin del solvente y la interaccin triple; es decir, que todas las restantes tienen un efecto importante sobre los resultados, y es la concentracin del solvente la ms signi cativa, seguida por un valor muy cercano de la relacin semilla/solvente.

De la interaccin entre el tiempo de agitacin y la concentracin del solvente, el mejor rendimiento de colorante se obtuvo en 45 minutos de agitacin y una concentracin del solvente de 2 % p/v de KOH, porque la


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concentracin del solvente tiene la mayor incidencia sobre los resultados y el tiempo de agitacin puede no ser tan signi cativo, aunque si la velocidad de agitacin como se encontr posteriormente.

Con base en los resultados del anlisis estadstico de los datos se construye el Diagrama de Flujo de Bloques (BFD) del proceso para obtener el colorante del achiote. Debe observarse que la solucin coloreada se puede precipitar con cido sulfrico, o mejor se puede secar por atomizacin, para obtener un polvo sin contaminacin alguna (Figura 1).

FIGURA 1Diagrama de bloques del proceso para ensayos en el laboratorio

100 g semilla

100 mL - 150 mL

13


3.2 EXTRACCIN DEL COLORANTE DE LA CSCARA DEL PLTANO HARTN (LONDOO, 2003)

A partir de ensayos preliminares para el proceso de extraccin slido-lquido se escoge poner la cscara seca y molida dentro de un ltro de tela. Este mtodo facilita el manejo del material y elimina la ltracin antes de la centrifugacin, para eliminar cualquier partcula slida que quede en suspensin. Adems, se limita el consumo de agua en el proceso y se puede controlar la temperatura para evitar la degradacin del colorante.

FIGURA 2Extraccin de colorante de la Cscara del

Pltano hartn

3.2.1 Variables del Proceso de extraccin

Por medio de los ensayos preliminares se determina la importancia en el proceso de algunas de sus posibles variables, a saber:

3.2.1.1 Tipo de solvente. Una vez seleccionado el mtodo de extraccin, se realizan pruebas con diferentes solventes para identi car el solvente que produzca el mayor rendimiento. No se emplean solventes orgnicos como el cloroformo, benceno o hexano, porque uno de los posibles usos del colorante es en la industria alimenticia.

Las soluciones resultantes presentan una colora-cin ms fuerte cuando el proceso de extraccin se realiza con soluciones bsicas, lo que implica una concentracin ms alta de colorante. La extraccin realizada con agua presenta color pero la turbidez de la solucin resultante, a simple vista, es mucho menor que la de las extracciones realizadas en me-dio bsico, por esta razn se considera baja la con-centracin del colorante en esta solucin (Tabla 4).

TABLA 4Solventes empleados parala extraccin slido-lquido

Solvente Resultados

Solucin bsica (NaOH) Alta concentracin del colorante

Solucin bsica (KOH) Alta concentracin del colorante

Solucin cida (H2SO4)Extraccin nula del colorante

Etanol Agua Extraccin nula del colorante

Etanol Agua NaOH Media concentracin del colorante

Agua Baja concentracin del colorante

Despus de estos ensayos se realizan pruebas de tincin para comparar la e cacia de los colorantes extrados con agua y con hidrxido de sodio en solucin. La obtencin del colorante con agua facilita su aplicacin en la industria alimenticia, si se compara con un colorante extrado con una solucin bsica. Para las pruebas de tincin se emplean mordientes convencionales de la industria textil, esto es, compuestos inorgnicos. Los resultados y sus respectivos colores se presentan en la Tabla 5.


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Al encontrar que las soluciones bsicas son las que mejor desempeo presentan, tanto en la extraccin como en la tincin, y por razones econmicas, se selecciona la solucin de NaOH como el solvente extractor.

TABLA 5Ensayos preliminares de tincin

3.2.1.2 Concentracin del solvente. Una vez seleccionado el solvente para la extraccin, se realizan varios ensayos con diferentes concentraciones para analizar la capacidad de extraccin. Se observa que a muy altas concentraciones del solvente (solucin de NaOH 2 N), hay disolucin de la cscara y que a concentraciones inferiores a 0,25 N se obtiene una solucin coloreada, sin slidos en suspensin.

3.2.1.3 Tamao de la partcula. El tamao de partcula empleado en los ensayos preliminares da buen rendimiento y adems de incrementar la super cie de contacto no obstruye el ltro de tela.: cscara deshidratada despus de la molienda y su posterior tamizado (malla 4 hasta malla 30).

3.2.1.4 Relacin slido/solvente. Se debe tener en cuenta la cantidad de cscara por volumen de solvente extractor para evaluar la extraccin con diferentes volmenes de solvente. Los ensayos preliminares sugieren manejar tres relaciones, en gramos de cscara por mililitros de solvente, para un adecuado diseo de experimentos.

3.2.1.5 Temperatura de extraccin. Como se menciona en la bibliografa (Semarnat, 2003, UBC, 2003), la temperatura de extraccin debe estar entre 50 y 100 C. A mayor temperatura aumenta la velocidad de extraccin, pero si esta sobrepasa los 100 C ocurre la disolucin de la celulosa presente en la cscara y adems la evaporacin del agua, lo cual conduce a la concentracin de la solucin bsica y a la degradacin del colorante. En otros trabajos se encontr que la temperatura para los colorantes naturales no debe ser superior a 70 75 C. 3.2.1.6 Tiempo de extraccin. La extraccin comienza desde el instante en que el solvente hace contacto con el slido y se observa que un tiempo de 2 horas es demasiado para este proceso, porque no se presentan cambios notables durante los ltimos 30 minutos.

3.2.2 Diseo de Experimentos

Para de nir las condiciones de operacin que permitan el mayor rendimiento en el proceso de extraccin se hace un completo anlisis de las variables crticas, as como de las interacciones

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que ocurren entre ellas y los intervalos para los que verdaderamente son representativas con ayuda del diseo de experimentos seleccionado que incluye las variables que afectan el proceso de forma signi cativa.

De acuerdo con los ensayos preliminares, para cada una de estas variables se seleccionan tres niveles para poder apreciar el fenmeno en un mayor intervalo de posibilidades. Para este diseo, las variables ms importantes y sus respectivos niveles son:

Temperatura: 50, 65 y 80 C. Tiempo: 30, 60, 90 minutos Concentracin de NaOH en el solvente: 0.05, 0.15

y 0.25 N (eq-g / L sln) Relacin slido / solvente: 0.025, 0.0375 y 0.05

p/v

La variable de respuesta que sirve para de nir las condiciones de operacin es el porcentaje de peso

slido de colorante extrado en cada solucin, en los ensayos del diseo de experimentos.

Estas variables y las restricciones, principalmente el tiempo, sugieren el Diseo de Super cie de Respuesta (Montgomery, 1991). Se selecciona espec camente el Draper Lin Small Composite Design de Cara Centrada, como el modelo que se utiliza. Este diseo presenta un nivel de con abilidad similar al del modelo factorial (incluyendo todas las interacciones entre variables) pero con un nmero de ensayos inferior, lo cual facilita hacer replicas de los ensayos para eliminar el ruido y representa una ventaja en cuanto a costos de realizacin.

El diseo de experimentos para el proceso de extraccin del colorante de la cscara del pltano hartn y su respectivo anlisis de resultados se realizan con la ayuda del software Statgraphics-Plus V 5.0 empleando muestras con un 84,8% de humedad, en promedio. De este diseo resultan 18 experimentos que se presentan en la Tabla 6.

TABLA 6Diseo de Experimentos

Ensayo Temperatura ( C)Tiempo (min.) [NaOH] [N]

Relacin solut/solvte

1 50 30 0.05 0.0252 80 30 0.05 0.053 65 60 0.15 0.054 65 90 0.15 0.03755 65 60 0.15 0.03756 50 60 0.15 0.03757 65 60 0.05 0.03758 80 90 0.05 0.0259 50 90 0.05 0.05

10 80 90 0.25 0.02511 80 30 0.25 0.0512 50 30 0.25 0.02513 65 30 0.15 0.037514 65 60 0.15 0.037515 80 60 0.15 0.0375


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Despus de cada extraccin los extractos se someten a centrifugacin (3000 rpm por 10 minutos), posteriormente se toman 4 mL de cada uno y se secan completamente en el secador (SARTORIUS BP 301S) a 100 C por 2 horas con el n de obtener resultados de forma rpida.

Para las variables seleccionadas y sus respectivos niveles se obtienen los siguientes resultados para el porcentaje de slido extrado (Tabla 7).

TABLA 7Resultados del proceso de extraccin

Ensayo Temperatura( C)Tiempo (min.) [NaOH] [N]

Relacin slido/slvte

Resultado % slido

Replica % slido

1 50 30 0.05 0.025 0.94 1.082 80 30 0.05 0.05 2.81 1.743 65 60 0.15 0.05 3.20 2.884 65 90 0.15 0.0375 2.93 3.135 65 60 0.15 0.0375 2.72 2.606 50 60 0.15 0.0375 2.03 2.057 65 60 0.05 0.0375 1.19 1.188 80 90 0.05 0.025 1.35 1.289 50 90 0.05 0.05 1.38 1.59

10 80 90 0.25 0.025 3.13 2.7911 80 30 0.25 0.05 4.34 3.8912 50 30 0.25 0.025 2.89 2.0413 65 30 0.15 0.0375 2.18 2.1614 65 60 0.15 0.0375 2.73 2.8915 80 60 0.15 0.0375 3.09 2.9216 50 90 0.25 0.05 3.44 3.3417 65 60 0.15 0.025 1.88 1.9018 65 60 0.25 0.0375 2.01 3.18

De lo observado durante los experimentos y considerando los valores encontrados para % de slido se induce que:

En los ensayos con concentraciones altas de solvente (0.25 N) se presenta un valor superior de porcentaje de slido, posiblemente debido a una mayor degradacin de la celulosa de la cscara en NaOH. En la solucin resultante se observa presencia de slidos suspendidos de carcter broso. Por esta razn se descartan las pruebas realizadas con esta concentracin de solvente.

Las mayores temperaturas, aunque no producen porcentajes elevados del slido extrado, in uyen tambin de forma signi cativa en la descomposicin

de la cscara y por esta razn es preferible no tenerlas en cuenta.

Al realizar los ensayos, se puede observar que a temperaturas de operacin bajas (50 C) la extraccin del colorante es ms lenta, lo cual hace pensar que se requieren tiempos de operacin mayores.

Para relaciones de slido / solvente de 0.025 (10 g cscara / 400 mL de solucin) se obtiene porcentajes de slidos considerablemente inferiores. Debido a la poca e ciencia, se descarta esta condicin.

En general, el tiempo de extraccin de 30 minutos no arroja buenos resultados de porcentaje de slidos, aunque el ensayo # 11 demuestra lo contrario. En

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CSCARA DE PLTANO VERDE LAVADA

ESTUFA ESTUFA PESO SECO 600C 24 Horas 1000C 2 Horas COLORANTE SLIDO

MQUINA DE MOLER COLORANTE EN SOLUCIN CSCARA MOLIDA

SOLUCIN

EXTRACCIN CENTRFUGA

NaOH Temperatura 3000 RPM PRECIPITADO

Tiempo 10 min

CSCARA AGOTADA

este ensayo se trabaja con la mxima concentracin (0.25 N), mxima temperatura (80 C) y mxima relacin slido / solvente (0.05 p/v).

La gura 3 muestra el diagrama de bloques del proceso experimental realizado en los laboratorios de Ingeniera de Procesos de la Universidad EAFIT.

FIGURA 3Diagrama de bloques del proceso experimental

Anlisis de Varianza: Para realizar el anlisis de los resultados del diseo de experimentos se toman los valores promedio del porcentaje de peso slido de cada ensayo, y con el software Statgraphics-Plus V 5.0. se encuentran las diferentes relaciones entre las variables crticas del proceso.

En la Tabla de Anlisis de Varianza se observa que las cuatro variables son signi cativas para el proceso, adems la interaccin entre la temperatura y la relacin slido/solvente tambin in uyen en los resultados. Todas estas fuentes tienen valores de P inferiores a 0.05, lo cual signi ca que, con un nivel de con abilidad del 95%, es posible asegurar su relevancia para el estudio. (Tabla 8).


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TABLA 8Anlisis de varianza

Fuente Suma de Cuadrados DF Media Cuadrada ndice- F Valor - PA: Temperatura 0.931225 1 0.931225 8.05 0.0102B: Tiempo 0.7396 1 0.7396 6.39 0.0200C: NaOH 13.629 1 13.629 117.75 0.0000D: Slido/solvente 1.3225 1 1.3225 11.43 0.0030AA 0.0737755 1 0.0737755 0.64 0.4340AB 0.0588613 1 0.0588613 0.51 0.4840AC 0.00390625 1 0.00390625 0.03 0.8561AD 0.863201 1 0.863201 7.46 0.0129BB 0.19868 1 0.19868 1.72 0.2050BC 0.0162563 1 0.0162563 0.14 0.7118BD 0.119351 1 0.119351 1.03 0.3220CC 1.32116 1 1.32116 11.41 0.0030CD 0.104006 1 0.104006 0.90 0.3545DD 0.0202868 1 0.0202868 0.18 0.6799Bloques 0.0711111 1 0.0711111 0.61 0.4423Error total 2.31498 20 2.31498

Error cuadrtico 90.7582 %Error cuadrtico ajustado 84.5971%Durbin-Watson 1.60275 (P=0.1415)

El error cuadrtico estadstico indica que el modelo ajustado explica en un 90.7582% la variabilidad del porcentaje de peso seco. El error cuadrtico ajustado, que es ms recomendable para comparar modelos con diferente nmero de variables independientes, es 84.5971%.

La prueba Durbin-Watson evala los residuos para determinar si hay alguna correlacin signi cativa basada en el orden en el que se llevan a cabo los experimentos. Para este caso este dato no es representativo.

Lo anterior tambin se puede observar mediante el gr co de Pareto que muestra la importancia relativa de las variables en el proceso (Figura 4).

Al ingresar los valores obtenidos para las variables, el programa establece una concentracin de solvente de 0.15 N de NaOH y una relacin slido / solvente de 0.0375 para determinar un valor ptimo para la variable de respuesta. Una vez jados estos valores y elaborada la super cie de respuesta (Figura 5) se observa como las variables tiempo y temperatura afectan el proceso, as que se emplea una temperatura de extraccin de 65 C durante 90 minutos.. Se puede apreciar claramente que el tiempo in uye ms que la temperatura cuando se quiere obtener un mayor porcentaje de slidos.

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FIGURA 5Super cie de respuesta estimada

FIGURA 4Gr co de Pareto estandarizado para porcentaje de slido

C: NaOHD: Rel sol ste

CCA: Temperatura

ADB: Tiempo

BBBDCDAAABDDBCAC

0 2 4 6 8 10 12Efecto Estandarizado

43.63.22.82.4

230

40

50

60

70

80

90

50 55 60 65 70 75

80

% P

eso

seco

TemperaturaTiem

po

NaOH = 0.15, Rel sol ste = 0.0375

3.3 EXTRACCIN DEL COLORANTE DE LA SEMILLA DEL AGUACATE (SALDARRIAGA, 2002)

Para extraer el colorante de las semillas del aguacate, stas se lavan previamente para retirar los restos de pulpa y otras impurezas, para luego molerlas en un molino de discos con el n de obtener una masa de consistencia pastosa. Esta masa se pone en contacto con el solvente en el tanque de extraccin, a temperatura moderada (menor de 100 C) que prevenga la degradacin del colorante. Para obtener el mayor rendimiento posible deben

determinarse la relacin slido-solvente y el tiempo de agitacin. La solucin obtenida se ltra con ayuda de una tela elstica para obtener el colorante en solucin muy diluida y una torta de semilla como residuo. Esta solucin se concentra y luego se evapora a sequedad para conocer el contenido de slidos en ella. 3.3.1 Variables del proceso de extraccin

Este proceso como otros similares tiene diferentes variables, unas ms importantes que


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otras, pero las que de verdad intervienen de manera fundamental son: concentracin de la solucin, acidez (pH), tiempo de la extraccin, relacin slido-solvente y temperatura del proceso.

3.3.1.1 Seleccin del solvente. Debido que se desconoce la naturaleza del colorante, se hace necesaria una marcha analtica para determinar el solvente que se debe utilizar. Al analizar varios solventes orgnicos e inorgnicos se selecciona NaOH en solucin, porque produce la mayor concentracin del colorante. Lo cual se puede apreciar mejor en la tabla 9.

3.3.1.2 Concentracin de NaOH en la solucin acuosa. Debido a la importancia de la concentracin de NaOH en la solucin, porque a altas concentraciones se favorece la disolucin de la celulosa de la semilla en el solvente y a bajas disminuye el rendimiento de la extraccin, esta variable forma parte de las que se deben considerar.

Solvente Resultadoter Etlico Extraccin nulaTetracloruro de carbono Extraccin nulaAcetona Extraccin nula

Etanol Baja concentracin, color rojizo

Agua Baja concentracin, incoloro

Solucin acuosa NaOH Alta concentracin, color cafSolucin acuosa HCl Muy baja concentracin

Al no poseer valores aproximados, se utilizan datos bibliogr cos de extracciones anlogas como la del achiote, junto con ensayos de prueba-error para obtener un valor que produzca la mayor concentracin en la operacin como se observa en la tabla 10 (Saldarriaga, 2001).

Concentracin NaOH g/Lt pH Solucin coloreada10 13,4 Alta concentracin, presenta slidos5 13,09 Alta concentracin2,5 12,8 Media concentracin12,5 12,5 Baja concentracin

3.3.1.3 Relacin slido-solvente. Variable fundamental para el proceso, porque indica el volumen de solvente que se debe utilizar segn la cantidad en peso de semilla. Se prosigue entonces con la misma metodologa de la concentracin de NaOH. Se pueden detallar mejor los ensayos prueba-error observando la tabla 11.

TABLA 11Ensayo prueba-error para relacin slido-solvente

Relacin Solucin coloreada0,5 Muy espesa, buena concentracin0,2 Espesa, buena concentracin0,125 Liquida, buena concentracin0,16117 Liquida, buena concentracin0,08334 Liquida, buena concentracin

TABLA 9Solventes utilizados

TABLA 10Ensayo prueba-error para concentracin de NaOH

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3.3.1.4 Temperatura de extraccin. La temperatura tambin afecta el rendimiento del proceso de manera apreciable, porque a medida que aumenta la temperatura tambin se incrementa la e ciencia de la extraccin. Con base en bibliografa de extracciones de colorantes naturales se selecciona el intervalo de 50-100 C (Semarnat, 2002; Pifferi, 1979; Warmi, 2002) para evitar posible degradacin del producto.

3.3.1.5 Tiempo de extraccin. El tiempo en el cual ocurre la extraccin tambin afecta sensiblemente el rendimiento del proceso, porque aunque al aumentar el tiempo hay tendencia a incrementar la e ciencia de la extraccin, al excederse se promueve la disolucin de la celulosa de la semilla en el solvente. Ensayos posteriores a dos horas revelan una considerable disolucin de la celulosa.

3.3.1.6 Tamao de partcula. Es el tamao al cual quedan reducidas las partculas despus de ser molidas, su efecto en el proceso de extraccin no es muy visible, pero en la fase de separacin su tamao es decisivo para facilitar la operacin; como no se encuentran referencias acerca de esto se de ne mediante el ensayo de prueba-error.

3.3.1.7 Temperatura de evaporacin. La temperatura de evaporacin es un factor tambin llamado a ser crtico, debido a la sensibilidad del colorante a las altas temperaturas, por lo cual se debe tener sumo cuidado en su manipulacin para no degradar sus componentes. La bibliografa consultada propone temperaturas de hasta 40 C al vaco, pero este factor depende de la temperatura de extraccin (Pifferi, 1979; Phillip, 1976).

3.3.2 Diseo de experimentos

Para de nir los parmetros del proceso que permitan obtener un mayor rendimiento de la extraccin, se hace un diseo experimental que incluye las variables obtenidas de los ensayos

preliminares y que verdaderamente afectan el proceso. Para lograrlo se realiza un anlisis completo de las variables crticas del proceso, como tambin de las interacciones que ocurren entre ellas y en los niveles que verdaderamente son determinantes.

Con base en los ensayos preliminares de prueba-error y en la bibliografa, se llega a la conclusin de utilizar las siguientes variables y sus correspondientes niveles:

Relaciones slido-solvente: 0.2, 0.125 y 0.05.

Temperaturas de extraccin: 50 C, 75 C y 100 C.

Tiempo de extraccin: 30 min, 75 min y 120 min.

Los experimentos se realizan dejando constantes los siguientes parmetros:

Concentracin de NaOH en el solvente: 0.5% Peso/Volumen (pH de 13).

Tamao de partcula: mayor a malla # 20 (600 m).

Temperatura de evaporacin: 75 C al vaco.

De acuerdo con las caractersticas que presenta el proceso, sus variables y los respectivos niveles, tambin se selecciona el Diseo Experimental de Super cie de Respuesta (Montgomery, 1991). De este diseo resultan 15 experimentos que se llevan a cabo con muestras de semilla de aguacate de humedad 18.0% en promedio (Tabla 12).

Al elegir el diseo de experimentos de super cie de respuesta, se escoge ms espec camente el de Box-Behnken, porque presenta el mismo nivel de con abilidad del diseo factorial (incluyendo las interacciones entre las variables), pero con mucho menor nmero de ensayos, lo que permite hacer una rplica de los ensayos para eliminar incongruencias, y por otro lado disminuye los costos de tiempo y dinero invertidos all.


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Tanto los anlisis de los resultados como el diseo experimental se hacen mediante el software Statgraphics-Plus V 5.0.

Anlisis de Varianza. El anlisis de signi cancia en la Tabla Andeva muestra que la relacin slido-solvente y el tiempo, son las variables de mayor in uencia en las condiciones de proceso; as como las interacciones entre tiempo y relacin slido-solvente. La temperatura queda muy cerca del nivel de signi cancia, pero no lo sobrepasa (Tabla 13).

TABLA 12Diseo de experimentos

TABLA 13Anlisis de varianza

Ensayo Tiempo (Minutos) Temperatura (C) Slido /solvente1 75 100 0.22 120 100 0.1253 120 75 0.24 75 50 0.055 75 50 0.26 75 75 0.1257 30 75 0.058 120 75 0.059 75 75 0.125

10 30 75 0.211 75 100 0.0512 30 100 0.12513 120 50 0.12514 30 50 0.12515 75 75 0.125

Fuente Suma de Cuadrados DF Media Cuadrada ndice-F Valor-PA: Tiempo 331,24 1 331,24 12,96 0,0019B: Temperatura 75,69 1 75,69 2,96 0,1015C: Solido/solvente 2079,36 1 2079,36 81,38 0,0000AA 1,1449 1 1,1449 0,04 0,8346AB 7,41125 1 7,41125 0,29 0,5964AC 86,4612 1 86,4612 3,38 0,0815BB 15,6603 1 15,6603 0,61 0,4433BC 24,8512 1 24,8512 0,97 0,3364CC 330,877 1 330,877 12,95 0,0000Bloques 10,6803 1 10,6803 0,42 0,0019Error total 25,5512 19 25,5512R-cuadrado 85,9727Durbin-Watson 1,876

23


En esta tabla el nivel de signi cancia est dado por un valor-P menor de 0.05, lo cual indica que hay signi cancia desde cero hasta un 95% del nivel de con abilidad, en cada una de las variables.

El error cuadrado indica que el modelo jado explica el 85.97% de la variabilidad en el porcentaje de extraccin.

La prueba Durbin-Watson determina si hay alguna correlacin signi cativa basada en el orden en el cual se introdujo el archivo de anlisis, valores por encima de 0.05 indican ninguna correlacin que es lo que pasa en este caso.

En la gr ca de Pareto se puede observar la incidencia de las variables en el proceso de extraccin (Figura 6).

C: Slido: solvA: Tiempo

CCAC

B: TemperaturaBCBBABAA

0 2 4 6 8 10Efecto Estandarizado

3.3.2.1 Coeficientes de regresin para la eficiencia. La tabla de regresin (Tabla 14), muestra los coe cientes de la ecuacin a la que se ajusta la e ciencia del proceso de extraccin. Los valores de las variables estn en sus unidades originales, tambin se puede apreciar mejor en la gr ca de super cie de respuesta gura 7. Se puede observar la in uencia negativa del coe ciente slido-solvente, que contrasta con los positivos de la temperatura y tiempo.

FIGURA 6Gr ca Estandarizada de Pareto

TABLA 14Coe cientes de regresin

Coe ciente ValorConstante 9,61597A: Tiempo 0,25787B: Temperatura 0,618167C: Solido/solvente -305,944AA 0,0001944AB -0,000856AC -0,974074BB -0,00233BC -0,94CC 1190


24

FIGURA 7Gr ca de super cie de respuesta

50

60

70

80

90

100

30 50 70 90

110

130

Efici

encia

extr

Tiempo Temp

eratura

28

24

20

16

12

Con la cual se pueden inferir valores para diferentes condiciones de proceso con una correlacin de 85.9727%.

3.3.2.2 Optimizacin de la respuesta. Con los coe cientes de regresin, se puede buscar la respuesta ptima dentro de los valores encontrados en los ensayos planteados segn el Diseo de Experimentos (Tabla 15).

TABLA 15Valores ptimos para la extraccin del colorante de la semilla del Aguacate

Variable Lmite inferior Lmite superior ptimoTiempo 30 120 120

Temperatura 50 100 100Solido/solvente 0,05 0,2 0,05

Aunque el valor ptimo sugerido para la temperatura en la Tabla 15 es 100 C, pero se observa que sta no es una variable signi cativa y por lo tanto es mejor usar una temperatura ms baja para evitar posible degradacin del producto obtenido.

Por lo tanto un cambio de 100 C a 65 C no afecta mucho en cuanto a e ciencia, pero la alta temperatura si aumenta el nivel de riesgo de degradacin del colorante, adems de aumentar el consumo energtico. Por esta razn se decide cambiar el valor de temperatura a 65 C, los otros dos factores se dejan tal como se muestra en la tabla 15.

B: Temperatura E ciencia100 48,743747695 48,672996290 48,485744885 48,181993480 47,76174275 47,224990670 46,571739265 45,801987860 44,915736459 44,7245061258 44,5286158457 44,32806556

TABLA 16Seguimiento a la temperatura

25


Con base en los resultados obtenidos segn el Diseo de Experimentos, se elabora el diagrama de bloques (BFD) para el proceso de extraccin de la semilla del aguacate. (Figura 8).

FIGURA 8Diagrama de bloques para el proceso de extraccin

Semilla 24-15-10 g

Orgnicos Agua Preparacin y aguas residuales Colorante en polvo Agua clara

Molino

Suspensin Secado

Evaporacin coloreada

40oC Semilla 65oC al vaco

concentrada 12 horas

molida

200 ml Extraccin Filtrado NaOH 150 rpm. a Torta de

0.5% 30-120 min. presin filtracin

p/

3.4 EXTRACCIN DEL COLORANTE DE LAS HOJAS DEL HELECHO (BRACHO, 2003)

Con el n de obtener el colorante de las hojas del helecho se hacen pruebas preliminares que de nen las variables que ms in uyen en el proceso de extraccin slido-liquido del colorante. Esta experimentacin preliminar permite garantizar, con la ayuda de las pruebas exploratorias de tincin, que se obtiene el colorante. El mtodo de extraccin seleccionado fue la lixiviacin con bolsas de tela por su facilidad de escalado, control de condiciones de operacin y puesta a punto, adems de su corto tiempo de extraccin en comparacin con los otros dos mtodos ensayados, a saber, extraccin con Sohxlet y extraccin en columna (Prez, 2001).

3.4.1 Variables del proceso de extraccin

3.4.1.1 Seleccin del solvente. En la literatura consultada no se encuentran referencias acerca del tipo de colorante presente en el helecho comn, sin embargo, como se tiene la sospecha de que es una antocianina y como stas son solubles en soluciones polares, se ensayan solventes que por su facilidad de adquisicin y bajo costo pueden utilizarse para extraer el colorante. Para la seleccin del solvente extractor se hace un anlisis cualitativo basado en la tonalidad del extracto.

Los ensayos se realizan de la siguiente manera: Remocin manual de tallo del material vegetal. Mezcla de 50 g de material vegetal con 300 mL de


26

solvente en un vaso de precipitados de 800 mL. El calentamiento se hace directamente sobre una parrilla elctrica. En la tabla 17 se muestran los resultados obtenidos con cinco solventes en cuanto al color de la solucin extrada.

TABLA 17Resultados para la seleccin del solvente

Solvente Color soln extradaAgua Verde claro

Etanol 20% v/v Verde oscuro

NaOH 0,5% p/v Caf

KOH 0,5% p/v Negro

Nota: La solucin etanol KOH 20% v/v contiene 0.5 gramos de KOH por cada 100 ml de etanol y 500 ml de agua.

Aunque el agua es el solvente ms econmico y fcil de conseguir, se descarta al igual que el etanol porque el extracto que se obtiene es verdoso y muy probablemente lo que se extrae es cloro la.

El solvente seleccionado es la solucin acuosa de KOH, porque se obtiene una solucin ms oscura que con la solucin etanol KOH y con la solucin de NaOH.

3.4.1.2 Temperatura de extraccin. Teniendo en cuenta que generalmente a mayor temperatura, aumenta la solubilidad del soluto en el solvente durante la lixiviacin y, en consecuencia, la e ciencia de extraccin, se hacen experimentos exploratorios con el n de determinar si en realidad es necesario calentar. Estos experimentos se realizan a 60 C para evitar temperaturas mayores que pueden degradar las antocianinas. Para determinar si se necesita calentar o no se hace un anlisis cualitativo basado en el color del extracto y el tiempo de extraccin.

Los ensayos se hacen as: remocin manual de tallo del material vegetal; mezcla de 50 g de material vegetal con 300 mL KOH al 0.5% p/v en dos vasos de precipitados de 800 mL Calentamiento en la estufa HERAEUS UT 6 de uno de los vasos de precipitados a 60 C. La comparacin de los resultados se muestra en la tabla 18.

TABLA 18Resultados para la temperatura de extraccin

Tratamiento Color Tiempo de extraccinSin calentar Caf claro Mayor

Con calentamiento Negro Menor

Es necesario calentar porque se obtiene una mayor coloracin y el tiempo de extraccin es menor que si no se calentara.

3.4.1.3 Tamao de la partcula. Teniendo en cuenta que a menor tamao de partcula del slido en la lixiviacin hay una mayor rea de contacto con el solvente extractor, se realizan ensayos exploratorios para establecer si es necesario moler el material vegetal. Para esto se hace un anlisis cuantitativo mediante el clculo de la concentracin de slidos en el extracto.

(Ec 1)

27


Los ensayos, por triplicado, se hacen de la siguiente manera: remocin manual de tallo del material vegetal; molienda de parte del material vegetal en un molino de discos. Tamizado del material molido. Mezcla de 50 g de material vegetal con 300 mL de KOH al 0.5% p/v en dos vasos de precipitado de 800 mL. Calentamiento sobre una parrilla a 60 C. Evaporacin de solvente en la estufa HERAEUS UT 6 a 100 C.

TABLA 19Resultados para el tamao de partcula

TratamientoConcentracin de slidos (%)

Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3Sin moler 0,9 1,1 0,8Molido 1,6 1,4 1,5

Malla Peso (g) Fraccin retenida (%) A.G.A. por menores (%)8 0,6 0,5474 100

16 2,7 2,464 99,4530 28,3 25,82 96,9950 37,3 34,03 71,17

100 13,8 12,59 37,14200 15,8 14,42 24,55

Colector 11,1 10,13 10,13 Total 109,6 100 -

De la tabla 19 se deduce que es necesario moler el material para obtener mayores rendimientos en la extraccin. La molienda con el molino de discos produce la granulometra que aparece en la tabla 20.

TABLA 20Resultados de la granulometra

Notas: - A.G.A.: Anlisis Granulomtrico Acumulado. - Se tamiz una muestra de 110.2 g de material vegetal molido.

El 96.99% de las partculas tienen un dimetro menor a 0.991 mm.

3.4.1.4 Tiempo de extraccin. Teniendo en cuenta que a mayor tiempo se favorece la extraccin, se procede a hacer ensayos exploratorios con el n de determinar un intervalo aproximado de tiempo de extraccin e ciente en el que se obtenga la mayor cantidad de colorante. Se hace un anlisis cuantitativo basado en la concentracin de slidos en el extracto (ver Ec 1).

Los ensayos se hacen de la siguiente manera:

1. Remocin manual de tallo del material vegetal.2. Molienda del material vegetal en un molino

casero.3. Llenado de la bolsa de tela con material

vegetal.4. Sumergido de la bolsa de tela en el beaker con

KOH al 0.5% p/v.5. Calentamiento en la estufa HERAEUS UT 6 a

60 C.6. Sustraccin de alcuotas cada 10 min.7. Evaporacin de solvente de cada alcuota en

estufa a 100 C.


28

TABLA 21Resultados del tiempo de extraccin del colorante del helecho

Alcuota Tiempo (min) Concentracin colorante (%)

1 10 0,882 20 0,923 30 1,014 40 15 50 0,986 60 1,087 70 1,128 80 1,29 90 1,2

10 100 1,2411 110 1,2812 120 1,2813 130 1,2814 140 1,315 150 1,2916 160 1,3117 170 1,3

FIGURA 9Tiempo de extraccin vs. Concentracin de slidos

Conc

entra

cin

(%)

Minutos

Tiempo de extraccin

29


3.4.2 Purificacin del extracto

Teniendo en cuenta que el solvente arrastra consigo otras sustancias del material vegetal, se hacen ensayos exploratorios con el n de establecer si es necesaria la remocin de estos productos del extracto con ayuda de solventes orgnicos. Se hace un anlisis cuantitativo basado en la concentracin de colorante (ver Ec 1).

Los ensayos, por triplicado, se realizan de la siguiente manera:

1. Remocin manual de tallo del material vegetal.2. Molienda de material vegetal en un molino

casero.3. Llenado de la bolsa de tela con 40 g de material

vegetal.4. Sumergido de la bolsa de tela en el beaker con

300 mL de KOH al 0.5% p/v.5. Calentamiento en la estufa HERAEUS UT 6 a

60 C durante dos horas.6. Tres lavados de parte del extracto en 600 mL de

una solucin de ter de petrleo, acetona y agua en partes iguales (Prez, 2001).

7. Evaporacin de solvente en la estufa a 100C.

De la gra ca de Concentracin de slidos vs. Tiempo de extraccin (Figura 9), se escoge un intervalo de tiempo de extraccin de 40 a 120 minutos, porque a menos de 40 minutos las concentraciones de colorante son muy bajas y despus de 120 no hay un aumento signi cativo en la concentracin del colorante.

3.4.1.5 Relacin slido-solvente. Con el n de asegurarse de que todo el slido entre en contacto con el solvente y no queden reas secas, por observacin, los ensayos preliminares se efectan con una relacin slido solvente entre 0.1 y 0.3 g de slido por mL de solvente aproximadamente.

3.4.1.6 Concentracin del solvente. Teniendo en cuenta que a altas concentraciones de solvente, ste puede arrastrar muchos slidos indeseables, los experimentos exploratorios se realizan con el solvente concentrado al 0.5% p/v, sin embargo se detecta la presencia de slidos en suspensin que deben removerse del extracto nal (centrifugacin). Los valores ptimos para las variables del proceso se presentan en la Tabla 22.

TABLA 22Valores ptimos para la extraccin del colorante del helecho

Optimize Response

Goal: maximize Concentracin coloranteOptimum value = 2.65068

Factor Low High OptimumTemperatura 40.0 60.0 60.0Rel ss 0.125 0.25 0.158488Tiempo 40.0 120.0 111.176Conc solv 0.1 0.5 0.49924


30

De acuerdo con estos resultados que se presentan en la Tabla 23, se concluye que no es necesario puri car el extracto porque las concentraciones del material colorante no se incrementan signi cativamente con la puri cacin.

4. CARACTERIZACIN DE LOS COLORANTES

4.1 COLORANTE DE LA SEMILLA DEL ACHIOTE

La caracterizacin del colorante por medio de tcnicas de anlisis instrumental, tales como: infrarrojo, UV-VIS y cromatografa en capa delgada, adems de llevar a cabo anlisis de humedad de la semilla y caracterizacin de la solucin coloreada.

TABLA 23Resultados para la puri cacin del extracto

TratamientoConcentracin colorante (%)

Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3Sin puri car 1,7 1,8 1,6Puri cado 1,5 1,7 1,8

4.1.1 Espectro Infrarrojo

Para llevar a cabo el anlisis infrarrojo del colorante de la semilla del achiote, se prepara la pastilla de KBr con la muestra de colorante en polvo y se obtiene el espectro infrarrojo en un espectrofotmetro Perkin - Elmer. Este espectro muestra un pico sobresaliente cercano a 1600 cm.1, el cual representa de los grupos carbonilos, caractersticos de la estructura de la bixina.

En el intervalo de los 1700 a 1800 cm-1 aproximadamente se encuentra una serie de picos consecutivos, que aunque no son muy sobresalientes, son caractersticos de los dobles enlaces presentes en las estructuras orgnicas , las cuales son caractersticas de la bixina. (Figura 10).

FIGURA 10Espectro Infrarrojo del colorante obtenido de la semilla del achiote

31


4.1.2 Espectro UV-VIS

Espectrofotomtricamente la bixina y los ismeros de sta, se obtienen de igual manera que los pigmentos amarillos (orellina). Para esto se sigue el siguiente procedimiento.

Se toma 1 g de la muestra y se trans ere a un baln de 100 mL aforado, con solucin al 5% de KOH; de esta solucin, se toma una alcuota de 1 mL y se lleva a un segundo baln de 100 mL y se afora de nuevo con solucin al 5% de KOH.

Haciendo un barrido de absorbancia entre 300 y 600 nm en el espectrofotmetro se determina la longitud de onda a la cual tiene la mxima absorbancia. En la gura 11 se observa que la mxima absorbancia se encuentra en un intervalo de 450 a 500 nm de

longitud de onda, que coincide con lo encontrado en la literatura, que a 450 nm se presenta la mayor absorbancia para el colorante del Achiote (Scotter, 1998; Jaramillo, 1992).

Al comparar el espectro de absorcin obtenido para el colorante de la semilla del achiote ( gura 11) con los de una muestra comercial y un estndar del colorante ( gura 12), se observa que la ubicacin de las longitudes de onda de mayores absorbancias para los tres espectros son las mismas, las intensidades de absorcin son diferentes debido a la concentracin de cada una y a los mtodos de extraccin empleados.

La longitud de onda de 483 nm corresponde a la reportada en la literatura para la norbixina (Natukolor, 2004).

FIGURA 11Espectro UV-VIS colorante de la semilla del achiote


32

FIGURA 12Espectro UV-VIS colorantes comercial, 1, y estndar de achiote, 2 (Scotter, 1998)

FIGURA 13Espectro UV-VIS de la xanto la (Karrer, 1950)

33


Si se compara el espectro de absorbancia del colorante de la semilla del achiote ( gura 11) con el de la xanto la ( gura 13), que es otro carotenoide, se encuentra que son similares y presentan las mximas absorbancias, aproximadamente, en las mismas longitudes de onda; eso se debe a que todos los carotenoides presentan espectros de ese tipo (Karrer, 1950).

4.1.3 Cromatografa en Capa delgada

Para llevar a cabo la cromatografa en capa delgada se seleccionan diferentes eluentes, como ter de petrleo en relacin 7:3, cloroformo, acetato de etilo y metanol, tal como se muestra en la Tabla 24.

TABLA 24Solventes y eluentes utilizados en cada placa de cromatografa

Placa Solvente Eluente1 Acetato de etilo Metanol2 Cloroformo ter de petrleo y acetato de etilo3 Acetato de etilo Acetato de etilo4 Cloroformo Metanol5 ter de petrleo y acetato de etilo ter de petrleo y acetato de etilo6 Acetato de etilo ter de petrleo y acetato de etilo7 Cloroformo Cloroformo

La bixina pura se separa en la parte intermedia de la placa, hRf 53. (Jaramillo, 1992). Todos los eluentes utilizados, separan un solo componente entre la parte intermedia y el 90% aproximadamente de la placa, excepto cuando se utiliza metanol, el cual logra separar el colorante ligeramente en dos componentes.

4.1.4 Caractersticas de la solucin coloreada

Con el n de seleccionar el mtodo ms apropiado para el secado del colorante se examinan algunas caractersticas de la solucin coloreada. La pulverizacin del colorante se puede hacer por secado por atomizacin, o por centrifugacin, secado por aire caliente en bandejas y posterior molienda.

4.1.4.1 Contenido de slidos

Para determinar el contenido de slidos existen varios mtodos, entre ellos se encuentra, la

medicin de BRIX1 por medio de un refractmetro es el mtodo ms simple puesto que no es necesario disponer de equipos especiales, dicho procedimiento se describe a continuacin.

Se toma un volumen conocido de solucin coloreada antes de la precipitacin, se coloca en un recipiente previamente pesado, se deja secar en la estufa durante cerca de 4 horas a una temperatura a la cual no se degrade el colorante, en este caso se coloca a 57 C, hasta obtener peso constante. Se deja enfriar evitando que absorba humedad y se pesa. Haciendo una relacin entre el peso nal de slidos y el peso inicial de solucin coloreada, se obtiene el contenido de slidos de la solucin coloreada.

Brix: la cantidad de slidos solubles presentes en la solucin en porcentaje de sacarosa. Los slidos solubles estn compuestos por los azcares, cidos, sales y dems compuestos solubles en agua presentes en los jugos de las clulas de una fruta. Se determinan empleando un refractmetro calibrado y a 20 C. (UNAL, 2004).


34

El contenido de slidos en promedio por este mtodo fue 3.35%. y la medicin del contenido de slidos obtenida por medio del refractmetro fue 3 BRIX, aproximadamente lo que equivale a 3% de contenido de slidos.

Con estos resultados no es posible obtener un buen rendimiento para el secado por atomizacin, pues para lograrlo es necesario concentrar la solucin coloreada y utilizar un vehculo de forma que aumente el contenido de slidos presentes en la mezcla ( BRIX). Por la complejidad del proceso, y la di cultad en el procedimiento de concentracin se decide inicialmente realizar un secado con aire caliente de bandejas y luego una molienda, haciendo previamente una precipitacin y centrifugacin del colorante para obtener la pasta a secar. Ensayos posteriores de atomizacin, usando maltodextrina como vehculo, producen un polvo de calidad comparable al comercial.

4.1.4.2 Densidad

La densidad se determina con un picn-metro. Los resultados se muestran a continuacin en la tabla 25.

TABLA 25Densidad solucin coloreada y agua

g/cm3

Solucin coloreada 1.0097Agua 0.9927

4.1.4.3 Viscosidad

Esta propiedad, importante cuando se trata de dispersar la solucin para atomizacin, se mide con el viscosmetro de Ostwald, aplicando la siguiente relacin:

Donde:

1 : Viscosidad del agua. 2 : Viscosidad de la solucin coloreada.

1 : Densidad del agua. 2 : Densidad de la solucin coloreada.

t1 : Tiempo que tarda en pasar por viscosmetro el agua.

t2 : Tiempo que tarda en pasar por el viscosmetro la solucin coloreada.

Los resultados de las cuatro mediciones realizadas se presentan en la tabla 26.

Tabla 26Resultados de medicin de viscosidad

Tiempo (seg)Ensayo Solucin coloreada Agua

1 39.56 29.412 39.44 29.613 38.93 27.764 40.17 28.52

Promedio 39.53 28.83

La viscosidad promedio de la solucin coloreada calculada es. 1.395 cP.

4.2 COLORANTE DE LA CSCARA DEL PLTANO HARTN

Para determinar algunas caractersticas del colorante se realizan anlisis sicoqumicos tales como: espectros infrarrojo y UV-VIS, y cromatografa en capa delgada.


El espectro del colorante se determina con un espectrofotmetro infrarrojo Perkin Elmer Modelo Spectrum VX. Para obtener este espectro se prepara una pastilla de KBr con el colorante disuelto

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en ste. Despus de varios ensayos se opta por una dilucin en agua de los dos compuestos y una posterior deshidratacin para asegurar la solubilidad completa del colorante en el KBr, porque los ensayos convencionales para la fabricacin de la pastilla presentaron di cultades con la translucidez de sta. El espectro IR resultante se muestra en la gura 14.

FIGURA 14Espectro infrarrojo del colorante obenido de la cscara del pltano

El espectro IR no es de gran utilidad para la caracterizacin de la mayora de carotenoides, aunque puede servir para el reconocimiento de carotenoides raros, pues proporciona informacin sobre la presencia de otros grupos funcionales como grupos carbonilo y enlaces triples C-C. (Martnez, 2001) Algunos carotenoides poseen anillos aromticos dentro de sus estructuras moleculares, lo cual coincide con los resultados obtenidos en el espectro infrarrojo. El enlace C=C caracterstico de los compuestos aromticos se encuentra cercano a 1600 cm-1.

La banda de absorcin cercana a 3300 cm-1 es caracterstica de los grupos funcionales O-H de alcohol (Wade, 1993). Este grupo funcional tambin es constituyente de algunos carotenoides, principalmente del tipo xant las. (Martnez, 2001)

4.2.2 Espectro UV VIS

El espectro UV-VIS del colorante de la cscara del pltano se determina con un espectrofotmetro Spectronic Gnesis 2 PC, con dos fuentes, una de Deuterio y otra de Tungsteno, que emiten a todas las frecuencias requeridas para el espectro UV- visible. Se encuentra que el colorante presenta un mximo de absorbancia en una longitud de onda de 288 nm para valores de pH de 2, 7 y 12. (Figura 15).

El hecho de que la longitud de onda no varia para el valor de mxima absorbancia al modi car el pH del colorante en solucin, es un indicador de que la sustancia cromfora no es del grupo de las antocianinas. Esto con rma la presencia de carotenoides en la cscara del pltano (UBC, 2003). Adems, las antocianinas presentan una


36

FIGURA 15Espectro UV- VIS del colorante

1.310

1.000

0.500

0.032

252.0 300.0 400.0 500.0 600.0

WL (nm)

A288.0

banda de absorcin en el UV entre 260 y 280nm y otra banda en el la regin del visible entre 490 y 550nm (Giusti, 2000).

El cambio de color durante la maduracin de la frutas desde el verde hacia el amarillo o rojo se debe frecuentemente a la desaparicin de la cloro la, la cual enmascara el carotenoide presente. Este es el caso del pltano (Karrer, 1950).

4.2.3 Cromatografa de capa delgada

Para tratar de separar los varios consti-tuyentes de la mezcla de colorante se seleccionan varios eluentes tales como: Etanol, metanol, cido actico, NaOH, tetracloruro de carbono, agua y etanol-agua. El comportamiento del colorante frente a estos eluentes se puede ver en la tabla 27.

TABLA 27Resultados de la cromatografa de capa delgada

Solvente Resultadocido actico Poco arrastreTetracloruro de Carbono Arrastre nuloMetanol Poco arrastre Etanol Poco arrastreEtanol-agua 50% en volumen Buen arrastreEtanol-agua 30% en volumen Buen arrastreEtanol-agua 20% en volumen Buen arrastreEtanol-agua 10% en volumen Buen arrastreNaOH 0.5N Arrastre totalAgua Arrastre total

En ninguno de los ensayos se logra la separacin de los componentes presentes en la solucin. El grado de arrastre signi ca la capacidad que tiene el eluente para movilizarse junto con el colorante en la capa de silica-gel. Poco arrastre signi ca que

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el desplazamiento es muy lento y no avanza una distancia signi cativa a travs de la silica-gel. Caso contrario ocurre con las pruebas con agua pura y la solucin NaOH 0.5 N, las cuales muestran un desplazamiento mayor y con una mayor velocidad.

Se puede a rmar que el colorante en solventes no polares es completamente insoluble y a medida que se aumenta la polaridad, el colorante se hace ms soluble. Esto se comprueba con el desempeo del colorante en las soluciones acuosas.

4.3 COLORANTE DE LA SEMILLA DEL AGUACATE


El espectro mostrado en la gura 16 muestra que el colorante de la semilla del aguacate posee grupos OH (banda en 3426.69 cm.-1); la banda en 2931 cm.-1 muestra la presencia de alcanos; la banda de 1596.86 cm.-1 sugiere la presencia de aromticos; y la banda que est en 1051.91 cm.-1 puede estar asociada a los teres.

FIGURA 16Espectro infrarrojo del colorante de la semilla del aguacate

Las estructuras de los compuestos de los que se compone este colorante poseen todos esos grupos (Castro, 1999).

4.3.2 Espectro UV-VIS

En el espectro UV-VIS del colorante de la semilla del aguacate se observa una banda intensa en 266 nm, y otra mucho ms dbil alrededor de los 500 nm, que al concentrar la solucin se puede ver mejor ( guras 17 y 18). La banda cerca de 200 nm corresponde al solvente. Esa dos bandas son caractersticas de las antocianinas (Madhavi, 1996)


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FIGURA 17Espectro UV-VIS colorante de la semilla del aguacate

FIGURA 18Espectro UV-VIS colorante de la semilla del aguacate

a una concentracin mayor

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4.3.3 Cromatografa de capa delgada

Para comparar la conducta de los colorantes de las semillas del achiote y del aguacate, se seleccionan los siguientes solventes y eluentes, en la combinacin sealada en la tabla 28.

TABLA 28Cromatografa de capa delgada

Solvente EluenteArrastre del colorante

Achiote AguacateAgua Agua Total TotalAgua Etanol Poco NuloAgua Metanol Poco NuloAgua cido actico Total pero con cola NuloAgua Bencina Nulo Nulo

A partir de esos resultados se hacen las siguientes combinaciones de los eluentes: para el aguacate, agua metanol, agua etanol y agua cido actico. En cuanto al achiote, se hacen combinaciones de etanol agua y metanol agua (tabla 29).

De acuerdo a los resultados mostrados en la tabla 28, se hace una combinacin de solventes para buscar una mejor separacin de los constituyentes de los colorantes. En el achiote se distinguen claramente dos componentes (uno amarillo, orellina, y el otro rojo, norbixina) y tres en el aguacate (beige y caf, generados por los taninos; el violeta no se aprecia inicialmente en la placa cromatogr ca, sino que aparece una banda blanca una vez revelada la placa debido a que la proantocianidina, que es la que la origina, reacciona con cidos y para revelar se utiliza cido sulfrico) (Ricco, 2004).

TABLA 29Cromatografa de capa delgada: combinacin de eluentes

Solvente Mezcla de eluentes Concentracin (%)

Arrastre y separacin decomponentes colorantes

Achiote Aguacate

Agua Etanol agua 50 Buen arrastre, separacin buenaArrastre nulo, separacin nula

Agua Etanol agua 20 Poco arrastre, mala separacin -

Agua Etanol agua 80 Excelente arrastre y separacin -

Agua Metanol agua 50 Buen arrastre, separacin regularArrastre nulo, separacin nula

Agua cido actico agua 50 - Poco arrastre, separacin regular

Agua cido actico agua 20 - Buen arrastre, excelente separacin


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En la tabla 30 se presentan los valores de hRf (100 x Rf) para cada uno de los componentes de ambas cromatografas. Esos valores indican el grado de separacin de cada uno de los componentes, es decir, si uno tiene un hRf de 10 y el otro de 90, el primero recorre el 10% de la distancia recorrida por el eluente y el otro el 90%, quedando ambos lo su cientemente separados como para identi carlos e incluso puri carlos.

TABLA 30Valor hRf para colorantes del Achiote

y del Aguacate

Colorante Relacin de frente hRf

Achiote Componente rojo 10.26Componente amarillo 96.15

AguacateComponente violeta 88.89Componente beige 37.78Componente caf 24.44

4.4 COLORANTE DE LAS HOJAS DEL HELECHO


El espectro del extracto del helecho, q

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