UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE EXTRACCIÓN DE LA NORBIXINA A PARTIR DE LAS SEMILLAS DE ACHIOTE (Bixa orellana L.) TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERO AGROINDUSTRIAL PRESENTADO POR: Bach. SANTOS FREDY QUISPE TICLLASUCA AYACUCHO-PERÚ 2019 ii DEDICATORIA A mi maravillosa familia, por su amor, guía y apoyo en todos los momentos de mi vida. Especialmente a mi padre: Florencio Quispe Cahuana y mi madre que está en el cielo Santa Rocinda Ticllasuca Huamani, de los cuales me siento orgulloso de las enseñanzas y valores que mi dieron. A mis hermanas: Estela, Religiosa, Feliciana Josafat, Elisa, quienes me apoyaron y me dieron fuerzas para seguir adelante y nunca rendirme ante las adversidades de la vida. iii AGRADECIMIENTO A Dios por darme la vida y por estos años vividos. Porque ha estado conmigo a cada paso que doy, cuidándome y dándome fortaleza para seguir adelante. A mi hermosa familia, que ha destinado tiempo para enseñarme nuevas cosas, para brindarme aportes invaluables que servirán para toda mi vida, por ser mi fortaleza en todo momento. Gracias por darme a conocer que el tesoro más grandioso que tiene el ser humano es la familia. A mis docentes de la Universidad Nacional San Cristóbal de Huamanga especialmente a los docentes de la Escuela Profesional de Ingeniera Agroindustrial FIQM, que contribuyeron en mi formación profesional durante mis cinco años. Al Ing. Alfredo Arias Jara, asesor de este trabajo de investigación, por la orientación, el seguimiento y la supervisión continúa de la misma, pero sobre todo por la motivación y el apoyo recibido a lo largo de la ejecución de este trabajo de investigación. Al Ing. Cueva Vargas, José Alberto por apoyo y aportes en el trabajo que desarrollado durante el periodo de elaboración de mi tesis. A mis jurados calificadores por su tiempo y dedicación en la revisión de esta tesis y por sus valiosas recomendaciones con fines de mejorar la investigación correspondiente. iv ÍNDICE GENERAL CONTENIDO DEDICATORIA ............................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTO ................................................................................................................. iii ÍNDICE GENERAL .................................................................................................................... iv RESUMEN..................................................................................................................................... x ABSTRACT .................................................................................................................................. xi INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... xii SIMBOLOGÍA ........................................................................................................................... xiii GLOSARIO DE TÉRMINOS ................................................................................................... xiv LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ xvi LISTA DE TABLAS .................................................................................................................. xix LISTA DE ANEXO.................................................................................................................... xxi CAPITULO I ................................................................................................................................. 1 GENERALIDADES ...................................................................................................................... 1 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................ 1 1.1.1 Descripción del contexto ......................................................................................... 2 1.1.2 Delimitación del problema ..................................................................................... 3 1.1.3 Formulación del problema ..................................................................................... 4 1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 5 1.3 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ............................................................................ 6 v 1.4 ANTECEDENTES ............................................................................................................. 6 1.5 HIPÓTESIS ........................................................................................................................ 9 1.6 VARIABLES ...................................................................................................................... 9 CAPITULO II.............................................................................................................................. 11 2 FUNDAMENTO TEORICO.............................................................................................. 11 2.1 El ACHIOTE (Bixa orellana L.) ...................................................................................... 11 2.1.1 Origen y distribución ............................................................................................ 11 2.1.2 Nombres comunes ................................................................................................. 12 2.1.3 Taxonomía ............................................................................................................. 12 2.1.4 Variedades del achiote .......................................................................................... 13 2.1.5 Descripción botánica ............................................................................................. 13 2.1.6 Ecología de cultivo de achiote .............................................................................. 14 2.1.7 Características fisicoquímicas.............................................................................. 14 2.2 COLORANTES................................................................................................................ 16 2.2.1 Los pigmentos sintéticos ....................................................................................... 16 2.2.2 Los pigmentos naturales ....................................................................................... 17 2.2.3 Colorante de achiote ............................................................................................. 18 2.2.4 Importancia comercial de colorante a base de la bixina ................................... 19 2.2.5 Análisis de pigmento de bixina y norbixina ........................................................ 20 2.2.6 Selección de longitud de onda de trabajo ........................................................... 23 vi 2.2.7 Curva de calibración............................................................................................. 24 2.3 OPERACIÓN DE LIXIVIACIÓN ................................................................................. 25 2.3.1 Fundamento de lixiviación ................................................................................... 25 2.3.2 Componentes identificados de lixiviación ........................................................... 25 2.3.3 Criterios en la elección del solvente ..................................................................... 26 2.3.4 Aplicación en la industria ..................................................................................... 27 2.3.5 Factores que influyen en la lixiviación ................................................................ 28 2.3.6 Componentes y diagrama de lixiviación ............................................................. 29 2.4 EQUIPOS DE EXTRACCIÓN PARA COLORANTE ................................................ 35 2.4.1 Operación en estado no estacionario. .................................................................. 36 2.4.2 Operación en estado estacionario ........................................................................ 38 2.5 TECNOLOGÍA DE EXTRACCIÓN DE COLORANTE DE ACHIOTE ................. 41 2.5.1 Extracción en seco de lecho de chorro ................................................................ 42 2.5.2 Raspado y cribado................................................................................................. 42 2.5.3 Lixiviación con agua y agitación .......................................................................... 43 2.5.4 Extracción con soluciones acuosas alcalinizadas ............................................... 43 2.5.5 Extracción con solventes orgánicos ..................................................................... 45 2.5.6 Extracción supercrítica ........................................................................................ 45 2.5.7 Extracción con aceites........................................................................................... 46 CAPITULO III ............................................................................................................................ 47 vii 3 METODOLOGÍA DE TRABAJO .................................................................................... 47 3.1 UBICACIÓN Y LUGAR DE TRABAJO ...................................................................... 47 3.2 NATURALEZA DEL ESTUDIO ................................................................................... 48 3.2.1 Delimitación del campo de estudio ...................................................................... 48 3.2.2 Definir el tipo de investigación............................................................................. 48 3.2.3 Técnicas de recolección de datos ......................................................................... 48 3.3 POBLACIÓN Y MUESTRA .......................................................................................... 48 3.4 EQUIPOS, MATERIALES E INSUMOS ..................................................................... 50 3.4.1 Equipos................................................................................................................... 50 3.4.2 Materiales .............................................................................................................. 50 3.4.3 Materia prima e insumos...................................................................................... 51 3.4.4 Recursos Humanos................................................................................................ 51 3.5 IDENTIFICACIÓN DE ACTIVIDADES PROGRAMÁTICAS ................................ 51 3.5.1 Estudio de preliminar ........................................................................................... 51 3.5.2 Estudio de definidos .............................................................................................. 53 3.6 DESCRIPCIÓN DE LOS MÉTODOS Y TÉCNICAS DE EVALUACION .............. 53 3.6.1 Acondicionamiento de la muestra ....................................................................... 53 3.6.2 Caracterización fisicoquímica.............................................................................. 54 3.6.3 Determinación de norbixina................................................................................. 54 3.6.4 Obtención de norbixina concentrado en polvo ................................................... 55 viii 3.6.5 Espectrofotometría UV/VIS. ................................................................................ 55 3.6.6 Evaluación del espectro de absorbancia ............................................................. 56 3.6.7 Curva estándar de absorbancia para norbixina ................................................ 56 3.6.8 Análisis de norbixina en muestras ....................................................................... 57 3.6.9 Extracción del norbixina ...................................................................................... 57 3.6.10 Determinación de parámetros óptimos. .............................................................. 57 3.6.11 Evaluación de resultados. ..................................................................................... 58 3.6.12 Propuesta de extracción de colorante ................................................................. 58 CAPITULO IV ............................................................................................................................ 59 4 RESULTADOS EXPERIMENTALES ............................................................................. 59 4.1 DESCRIPCIÓN DE TÉCNICA DE EVALUACION ................................................... 59 4.1.1 Granulométrica ..................................................................................................... 59 4.1.2 Caracterización física ........................................................................................... 60 4.1.3 Caracterización química ...................................................................................... 64 4.1.4 Curva estándar de absorbancia de norbixina .................................................... 68 4.1.5 Determinación de parámetros óptimos. .............................................................. 69 CAPÍTULO V.............................................................................................................................. 74 5 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS .............................................................. 74 5.1 CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA ................................................... 74 5.1.1 Granulometría ....................................................................................................... 74 ix 5.1.2 Características físicas ........................................................................................... 75 5.1.3 Características químicas ...................................................................................... 77 5.1.4 Evaluacion del espectro de absorvancia ............................................................. 78 5.1.5 Curva estándar de absorbancia de norbixina. ................................................... 79 5.2 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS. ............................................... 80 5.2.1 Elección del solvente ............................................................................................. 80 5.2.2 Concentración de NaOH ...................................................................................... 81 5.2.3 Tiempo de extracción ............................................................................................ 83 5.2.4 Grado de agitación ................................................................................................ 84 5.2.5 Relación de alimentación con disolvente............................................................. 85 5.2.6 Temperatura .......................................................................................................... 86 5.3 PROPUESTA DE EXTRACCIÓN DE COLORANTE ............................................... 88 5.3.1 Pruebas de extracción múltiple............................................................................ 88 5.3.2 Evaluación balance de materia ............................................................................ 88 5.3.3 Propuesta técnica ................................................................................................ 100 CONCLUSIONES..................................................................................................................... 112 RECOMENDACIONES........................................................................................................... 113 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................... 114 ANEXO ...................................................................................................................................... 118 x RESUMEN La investigación se enmarcó en la evaluación de los parámetros para la extracción de norbixina a partir de la semilla de achiote (Bixa orellana L.) por lixiviación, realizado en los laboratorios de Transferencia de Masa, Biotecnología Agroindustrial, Análisis Instrumental e Hidrocarburo de la FIQM-UNSCH. Utilizando el achiote proveniente del centro poblado Villa Unión del distrito Anchihuay de la provincia Lamar en la región de Ayacucho. La variedad utilzada fue la colorada siendo la caracterización fisicoquímicas que dando resultados: color anaranjado intenso, forma piramidal, apariencia grano pequeño, humedad 8,84 %, ceniza 4,4 %, fibra bruta 17,02 %, proteína 14,78 %, grasa 4,15 %, carbohidratos 50,81 %. Los parámetros evaluados de relevancia, en la extracción del colorante de las semillas de achiote, con los que se obtuvieron rendimientos favorables fueron: tipo de solvente adecuado es solución acuosa de NaOH siendo la concentración adecuada de 0,50 % (peso/volumen), tiempo de contacto 15 minutos, velocidad de agitación 150 rpm, relación de semilla solvente 1/10 mL (peso/volumen) y la temperatura es de 40 °C, siendo el rendimiento óptimo de 95,94 %. Palabras claves: Achiote, lixiviación, norbixina, parámetros, extracción, absorbancia xi ABSTRACT The investigation was framed in the evaluation of the extraction parameters of norbixin from annatto seed (Bixa orellana L.), by leaching carried out in the laboratories of Mass Transfer, Agroindustrial Biotechnology, Instrumental Analysis and Hydrocarbon of the FIQM -UNSCH. Using as a raw material the annatto from the town of Villa Unión of the Anchihuay district of Lamar province in the Ayacucho region. Achiote seed of the colored variety is used for physicochemical characterization purposes that give results: intense orange color, pyramidal shape, small grain appearance, humidity 8.84%, ash 4.4%, crude fiber 17.02%, protein 14.78%, fat 4.15%, carbohydrates 50.81%. the evaluated parameters that have relevance in the extraction of the colorant of the achiote seeds, with which favorable yields were obtained were: type of suitable solvent is aqueous naoh solution being the appropriate concentration of 0.50% (weight / volume), contact time 15 minutes, stirring speed 150 rpm, solvent seed ratio 1/10 ml (weight / volume) and the temperature is 40 ° c, the optimum yield being 95.94%. Keywords: annatto, leaching, norbixin, parameters, extraction, absorbance xii INTRODUCCIÓN Los colorantes naturales tienen mayor interés de los consumidores por las ventajas que tiene por no tener riesgo a la salud. Por lo tanto, se realizará la extracción del colorante natural por lixiviación, proveniente de centro poblado Villa Unión. La operación unitaria de lixiviación es aplicada en la extracción de las semillas de achiote y la evaluación de sus parámetros óptimos, la lixiviación tiene gran importancia en un gran número de procesos tecnológicos. La extracción de la norbixina de la semilla de achiote puede ser afectado por factores como: tipo de solvente, concentración de solvente, Temperatura del solvente, relación entre la cantidad de semilla y solvente, velocidad de agitación, tiempo de contacto. En el presente estudio se va determinar la caracterización de la semilla de achiote, los parámetros de mayor importancia, proceso de extracción de mayor eficiencia a nivel de laboratorio. En la extracción de la norbixina de la semilla de achiote, de manera que se logre una máxima eficiencia tecnológica y económica para extraer los solutos de esta materia prima. xiii SIMBOLOGÍA Símbolo Significado F Alimentación xF Fracción másica de norbixina en la alimentación xDF Fracción másica de disolvente en la alimentación S Disolvente ys Fracción másica de norbixina en el disolvente Mi Mezcla en el interior de lixiviación xMi Fracción másica de norbixina en el estado de mezcla Ri Residuo solido xi Fracción másica de norbixina en el residuo xDi Fracción másica de disolvente en el residuo Ei Extracto liquido yi Fracción másica de norbixina en el extracto Ki Valor variable en solución retenida no constante xj Fracción másica del soluto xDj Fracción másica del disolvente SR Solución retenida I Insoluble xiv GLOSARIO DE TÉRMINOS 1. Absorbancia: La absorbancia es definida como la intensidad de la luz con una longitud de onda específica y que es pasada en una muestra. 2. Analito: En química analítica, analito es un componente (elemento, compuesto o ion) de interés analítico de una muestra. Es una especie química cuya presencia o contenido se desea conocer, identificable y cuantificable, mediante un proceso de medición química. 3. Bixina: La bixina pertenece a la familia de los carotenoides. Colorante amarillo soluble en aceite, insoluble en agua. 4. Carotenoides: Son pigmentos orgánicos que se encuentran en las Plantas y otros organismos fotosintéticos. Brindan el Color amarillo, anaranjado o rojo a algunos vegetales. Los carotenoides se clasifican en dos grupos: Carotenos y xantofilas. 5. Colorante: Los colorantes son sustancias que se fijan en otras sustancias y las dotan de color de manera estable y permanente. 6. Convección: Es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. 7. Difusión: La difusión es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven. 8. Extracto: Sustancia obtenida por extracción de una parte de una materia prima, a menudo usando un solvente. https://es.wikipedia.org/wiki/Transferencia_de_calor https://es.wikipedia.org/wiki/Fluido https://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura xv 9. Flavonoides: Son pigmentos naturales presentes en vegetales. Brindan color amarillo y anaranjado a muchas Especies botánicas. Se divide en cuatro grupos Principales: flavonol, flavonona, calcuna y Antocianina. 10. Longitud de onda (λ): Es la distancia entre los picos o cimas de una onda, está dado en cm, mm, nm, A°, etc. 11. Norbixina: Colorante contenido en el achiote, insoluble en aceite y soluble en agua. 12. Transmitancia: La transmitancia óptica se refiere a la cantidad de luz que atraviesa un cuerpo, en una determinada longitud de onda. Cuando un haz de luz incide sobre un cuerpo traslúcido, una parte de esa luz es absorbida por el mismo, y otra fracción de ese haz de luz atravesará el cuerpo, según su transmitancia. 13. Sólidos solubles: Se definen como todas aquellas sustancias que normalmente se presentan en estado sólido bajo condiciones ambientales pero que en ciertas circunstancias pasan a formar parte de una solución. Son ejemplos de ellos los azúcares y las sales, por lo tanto, siempre que se hace referencia a los sólidos solubles", inevitablemente estará implicada la presencia de una solución. 14. Solubilidad: Indica la capacidad de solubilizarían y consecuente concentración que alcanzarían los solubles en el solvente utilizado; a mayor solubilidad se tiene mayor capacidad de extracción por unidad de solvente utilizado. 15. Selectividad: Revela el grado de solubilidad selectiva o preferencial que tiene el disolvente líquido hacia un determinado soluto de interés durante la extracción. xvi LISTA DE FIGURAS Figura 1.Estructura química de la bixina. .................................................................................... 18 Figura 2.Estructura química de la norbixina. ............................................................................... 18 Figura 3. Curvas espectrofotométricas de bixina y norbixina ..................................................... 20 Figura 4.Ley de Lambert ............................................................................................................. 22 Figura 5. Curva espectral (en este ejemplo λmáx.= λ1) .............................................................. 24 Figura 6. Curva de calibración para un analito. ........................................................................... 24 Figura 7.Diagrama de lixiviación tipo triángulo rectángulo ........................................................ 30 Figura 8.Diagrama de balance de materia para la extracción de una sola etapa. ......................... 31 Figura 9.Solución gráfica de lixiviación en una sola etapa. ........................................................ 32 Figura 10.Interconexión de etapa simple para una lixiviación en corriente cruzada ................... 33 Figura 11. Conexión de múltiples etapas para una lixiviación en contracorriente. ..................... 34 Figura 12.Aparato típico de lecho fijo para la lixiviación de azúcar de remolacha. ................... 37 Figura 13.Tanques de lixiviación por lotes con agitación. .......................................................... 37 Figura 14.Agitador de Dorr (Dorr-Oliver, Inc.)........................................................................... 38 Figura 15.Arreglo esquemático del Rotocel ................................................................................ 39 Figura 16.Extractor de Kennedy. ................................................................................................. 40 Figura 17.Equipo para lixiviación con lecho móvil ..................................................................... 40 Figura 18.Reaccion química con solución alcalina. .................................................................... 44 Figura 19. Cultivo de achiote incito............................................................................................. 49 Figura 20.Ubicación geográfica de la semilla de achiote ............................................................ 49 Figura 21.Tamiz de diferentes mallas .......................................................................................... 59 Figura 22.Semilla de achiote ....................................................................................................... 60 xvii Figura 23.medida de vernier ........................................................................................................ 61 Figura 24.Volumen aparente........................................................................................................ 62 Figura 25.Densidad neta real ....................................................................................................... 63 Figura 26.Humedad de la semilla ................................................................................................ 63 Figura 27.Muestra de ceniza ........................................................................................................ 64 Figura 28.Extraccion Soxhlet ...................................................................................................... 65 Figura 29.Determinacion de proteína .......................................................................................... 66 Figura 30.Extracción de fibra ...................................................................................................... 67 Figura 31. Extracción de colorante .............................................................................................. 69 Figura 32. Cantidad de masa retenida en función a la abertura de malla. ................................... 75 Figura 33.Representación simbólica de la semilla de achiote .................................................... 76 Figura 34.Curva espectral de longitud onda para norbixina (= 482nm) .................................... 78 Figura 35.Curva estándar de absorbancia para la norbixina ...................................................... 79 Figura 36. Rendimiento de extracción en función del tipo de solvente ....................................... 80 Figura 37. Rendimiento de extracción en función de la concentración de NaOH ....................... 82 Figura 38. Rendimiento de extracción en función del tiempo de contacto con agitación ........... 83 Figura 39. Rendimiento de extracción en función de la velocidad de agitación ......................... 84 Figura 40. Rendimiento de extracción en función a la cantidad de disolvente ........................... 85 Figura 41. Rendimiento de extracción en función de la temperatura .......................................... 87 Figura 42. Esquema de lixiviación en corriente cruzada en cinco etapas.................................... 88 Figura 43.Esquema para balance de materia de primera etapa .................................................... 89 Figura 44.Esquema de solución retenida no constante ................................................................ 93 Figura 45. Grafica de lixiviación 𝑥𝑗 𝑣𝑠 𝑥𝐷𝑗 para determinar composición. ................................ 96 xviii Figura 46.Diagrama de flujo, para la cuantificación de norbixina de la propuesta tecnológica 102 Figura 47.Tanque de lixiviacion para 100 kg/lote ..................................................................... 105 xix LISTA DE TABLAS Tabla 1.Clasificación botánica del achiote .................................................................................. 12 Tabla 2.Composición química de la semilla de achiote ............................................................... 15 Tabla 3.Composición física de la semilla de achiote ................................................................... 15 Tabla 4.pigmentos sintéticos autorizados según agencia y medicamentos de estados unidos .... 16 Tabla 5.Carotenoides que existen en fuente natural .................................................................... 17 Tabla 6.El uso comercial de colorante a base achiote.................................................................. 19 Tabla 7.Coeficiente de absortividad ((𝐴1𝑐𝑚1% ) l complimiento de longitud de onda........... 21 Tabla 8. La selección de materia prima con alto contenido de colorante ................................... 52 Tabla 9.Determinación granulométrica a través de tamiz .......................................................... 60 Tabla 10.Determinación de medidas de semilla de achiote por viernes ...................................... 61 Tabla 11.Determinar densidad aparente de achiote ..................................................................... 62 Tabla 12.Determinación densidad neta ........................................................................................ 63 Tabla 13.Determinación de humedad en la semilla de achiote .................................................... 64 Tabla 14.Determinación de contenido de ceniza en la semilla de achiote ................................... 65 Tabla 15. Determinación de grasa en la semilla de achiote ......................................................... 66 Tabla 16.Determinación de proteína en la semilla de achiote ..................................................... 67 Tabla 17.Determinación de fibra en la semilla de achiote ........................................................... 68 Tabla 18. Determinar la curva estándar de absorbancia norbixina. ............................................. 68 Tabla 19. Rendimiento de extraccion de colorante según el tipo de solvente ............................. 70 Tabla 20. Rendimiento de extraccion de colorante según la concentración ................................ 70 Tabla 21. Rendimiento de extraccion de colorante según el tiempo de contacto ........................ 71 Tabla 22. Rendimiento de extraccion de colorante según la velocidad de agitación................... 72 xx Tabla 23. Rendimiento de extraccion de colorante según la relación de solido solvente ............ 72 Tabla 24. Rendimiento de extraccion de colorante según la temperatura. .................................. 73 Tabla 25. Caracterización física de semillas de achiote............................................................... 76 Tabla 26. Composición química de la semilla de achiote ............................................................ 77 Tabla 27. Datos de extracto para diferentes etapas de extracción ............................................... 90 Tabla 28. Datos de refino para diferentes etapas de extracción ................................................... 91 Tabla 29. Datos de mezcla y fracción de solubles ....................................................................... 92 Tabla 30. Porcentaje acumulado de la extracción múltiple experimental.................................... 92 Tabla 31.Datos de balance materia teórico en solución retenida no constante ............................ 94 Tabla 32.Datos para determina el corriente de residuo ................................................................ 95 Tabla 33.Datos de mezcla y fracción de soluble .......................................................................... 96 Tabla 34.Resultados de la gráfica composición de extracto y refino ........................................... 97 Tabla 35.Datos de extracto y residuo calculado teóricamente ..................................................... 98 Tabla 36.Porcentaje de acumulación de la extracción múltiple .................................................. 98 Tabla 37.Porcentaje de error en la extracción múltiple experimental.......................................... 99 Tabla 38.Características básicas de los equipos principales para 100 kg/lote de producción ... 111 xxi LISTA DE ANEXO Anexo 1. Matriz de consistencia ................................................................................................. 119 Anexo 2. Fórmula para determinación de norbixina y bixina .................................................... 120 Anexo 3. Caracterización física de la semilla de achiote ........................................................... 122 Anexo 4. Caracterización química de la semilla de achiote ....................................................... 125 Anexo 5. Determinación de la norbixina .................................................................................... 131 Anexo 6. Obtención de norbixina concentrado en polvo ........................................................... 132 Anexo 7. Evaluación del espectro de absorbancia...................................................................... 133 Anexo 8. Curva estándar de absorbancia para la norbixina ........................................................ 134 Anexo 9. Cálculos de lixiviación de tres etapas a nivel planta piloto ........................................ 135 Anexo 10. Cálculo de equipos principales a nivel planta piloto ................................................. 137 Anexo 11. Gráfico de número de potencia vs Número Reynolds .............................................. 141 Anexo 12. Propiedades de agua a diferentes temperaturas......................................................... 142 Anexo 13. Galería de fotos ......................................................................................................... 143 CAPITULO I GENERALIDADES 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La región de Ayacucho, especialmente en el VRAEM, se registra la producción potencial de 580 ton de achiote, con un registro de 765 ha, con un rendimiento medio de 760 kg/ha, comercializados a un precio relativamente bajo de S/ 2.30 por kg de semillas (Torres, 2015). En la extracción de la norbixina de a partir de la semilla de achiote, no cuenta con parámetros óptimos definidos, motivo por la cual se realiza el presente trabajo de investigación, que permitirá generar una tecnología propia y versátil, que se pueda adaptar a nuestra realidad, con resultados que aportarían y servirían para que las empresas de la región puedan adoptar y procesar este tipo de productos, mejorando sus condiciones de producción tanto en el eje tecnológico y económico. 2 La bixina y norbixina es una fuente del colorante natural, cuyo procesamiento agroindustrial no tiene mayores aportes al valor agregado en la comercialización y transformación de las semillas de achiote, que debería aportar con el respectivo valor agregado al desarrollo socio económico de la región. 1.1.1 Descripción del contexto Los colorantes sintéticos o artificiales han provocado daños en la salud humana, ya que se han registrado casos de alergias y demás problemas en la salud humana, siendo muchos de ellos proclives a inducir la formación de tumores cancerosos, esto ha provocado que la Agencia de Medicamentos y Alimentos (FDA) de los Estados Unidos así como la Organización Mundial de la Salud (OMS) prohíban utilizar colorantes sintéticos en alimentos, cosméticos y medicina, por ser perjudiciales en la salud (Agreda, 2009) Para el rubro de los colorantes aplicados en la industria alimentaria, de acuerdo al informe mercantil "The Global Market for Good Colours" publicado por Leatherhead Food Research en agosto de 2010, el mercado global de colorantes alimenticios obtuvo un valor aproximado de unos US$ 1,45 billones; actualmente se consumen entre 40 a 50 mil toneladas de colorantes alimenticios mundialmente, y aunque las condiciones económicas actuales han limitado el crecimiento anual del mercado, el informe predice que a mediados de la década el valor del mercado mundial aumentará a US$ 1,6 billones, con un crecimiento de 10 % del valor actual. El crecimiento futuro del mercado provendrá de los colores naturales y de alimentos que sirven como colorante; en un contexto donde los alimentos constituyen el 67 % del mercado mundial de colorantes alimenticios; seguido por las bebidas gasificadas que con el 28 % y las bebidas alcohólicas con 5 %. Europa domina el mercado global con 36 % del mercado, seguido por el mercado estadounidense (28 %), Japón (10 %) y China (8 %), el 18 % restante proviene de países desarrollados como Canadá y Australia y de nuevos mercados alimenticios como los de India y Brasil. 3 El colorante natural más importante que exporta el Perú es el carmín de cochinilla, con más del 90 % del mercado mundial. Según las proyecciones del 2015, a final de año se espera exportar alrededor de US$ 100.00 millones, mientras que para el 2016 se espera llegar a los US$ 150.00 millones. Por otro lado, del maíz morado se extrae la antocianina, que además de ser un colorante natural, se ha demostrado que es un supresor de células cancerígenas, y ayuda a controlar la presión. Otros colorantes naturales que se producen en el país son el achiote, marigold, cúrcuma, maíz morado y paprika; tal que, de enero a setiembre de 2015 se ha logrado exportar el equivalente en valor de US$ 17.3 millones en estos productos. Para el caso del achiote, ADEX está desarrollando un convenio con el Instituto Nacional de Innovación Agraria (INIA), para buscar el mejoramiento de su semilla junto con la del palillo. Se estima la producción nacional de achiote alrededor de las 7,5 mil toneladas para el año 2013, con un crecimiento anual significativo respecto a años anteriores; de las cuales, se atribuye una producción de cerca de 580 ton de achiote al VRAEM, con un registro de 765 ha, con un rendimiento medio de 760 kg/ha, comercializados a un precio relativamente bajo de S/ 2.30 por kg de semillas (Torres, 2015). sin mayores reportes técnicos de procesamiento y extracción del colorante natural del achiote, describiéndose como partidas arancelarias en las exportaciones el achiote y semillas de achiote en grandes proporciones, seguidas por el achiote en polvo, con destinos a Estados Unidos, Japón, Egipto, Reino Unido y México entre otros países. 1.1.2 Delimitación del problema El problema general de los colorantes es a nivel mundial, entre los cuales los aspectos tecnológicos y del procesamiento extractivo de los principios colorantes contenidos en las semillas de achiote son también de contexto generalizado, Sin embargo, la problemática a formularse con respecto a la extracción del colorante de achiote, se delimita en función a las características de la materia prima, al entorno geográfico de su procedencia, así como los aspectos técnicos y logísticos de la zona de estudio para la presente investigación. 4 a) Delimitación en la investigación Está delimitado a la operación unitaria de extracción sólido líquido o lixiviación aplicada a las semillas de achiote y la evaluación de sus parámetros. b) Delimitación del tipo de materia prima Está referida a la variedad del achiote producido en el VRAEM de la región Ayacucho, cuyo entorno será el ambiente social que debería percibir el impacto favorable y sostenible con el aporte de la investigación en la extracción del colorante de las semillas de achiote. c) Delimitación espacial Se ratifica la materia prima suministrada por el VRAEM y las condiciones técnicas y operativas de la ciudad de Ayacucho, donde se realiza de manera controlada los diversos ensayos, que no tienen mayor restricción significativa en los resultados evaluados Finalmente pueden ser extendidos a cualquier región en las que se desea aplicar la técnica de extracción del colorante de achiote complementado con los análisis espectrofotométricos asociados a la evaluación de colorantes naturales, que inclusive podrá ser útil a muchas otras investigaciones referidas a extracción de colorantes a partir de otras fuentes naturales, que permitan desarrollar las innovaciones tecnológicas y de ingeniería que tanto requiere nuestra región y nuestro país. 1.1.3 Formulación del problema Como una respuesta a la importancia del colorante natural contenido en las semillas de achiote que son la bixina y noxbixina, cuya materia prima se produce en nuestra región, considerado como un producto agroindustrial con gran potencialidad económico, que se exporta mayormente como semilla sin un mayor valor agregado y frente a las incertidumbres en la caracterización y los parámetros de extracción favorables del colorante en los procesos de transformación se establece y formula el problema del presente trabajo de investigación. 5 Problema principal o ¿Cuáles son los parámetros que influyen significativamente en la extracción del colorante de la semilla de achiote (Bixa orellana L.) procedente de centro poblado de Villa Unión? Problemas secundarios o ¿Cuáles son las características fisicoquímicas de la semilla de achiote (Bixa orellana L.) que influyen en la extracción del colorante por lixiviación? o ¿Cuáles son los parámetros de mayor importancia que influyen extracción (tipo de solvente, concentración del solvente, tiempo de contacto, grado de agitación, relación semilla - solvente, temperatura) o ¿Cuál es la formulación del proceso de extracción eficiente del colorante natural a partir del achiote? 1.2 OBJETIVOS Objetivo principal o Evaluar los parámetros de extracción del colorante a partir de las semillas de achiote (Bixa orellana L.) para la producción eficiente del colorante natural. Objetivos específicos o Caracterizar las semillas de achiote (Bixa orellana L.) para los fines de la extracción por lixiviación. o Determinar los parámetros a evaluar en la extracción (tipo de solvente, concentración del solvente, tiempo de contacto, grado de agitación, relación semilla solvente, temperatura de extracción). o Formular el proceso de extracción eficiente del colorante natural a partir del achiote. 6 1.3 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA No existe información sobre industrias establecidas en la región Ayacucho para la extracción y producción del colorante de achiote; de manera tradicional y a baja escala existe la pretensión de extracción del colorante, frente a la cual se justifica establecer un proceso definido para la producción eficiente del colorante de achiote, para cuyo efecto es indispensable evaluar los parámetros apropiados para mejorar las condiciones de extracción del colorante con su máximo rendimiento. La mayor importancia es otorgar un mayor valor agregado a este recurso natural dentro de nuestra región, fomentando y potenciando la transformación de la materia prima, como son las semillas de achiote en la producción del colorante concentrado en polvo, que implica en la reducción de unas 12 a 15 veces el volumen original de las semillas para la movilización comercial y reducción de costos de exportación. Con la importancia de la aplicación de los colorantes naturales de achiote concentrado en diversos mercados, especialmente en la industria farmacéutica y de suplementos dietéticos, así como en la industria de cosméticos y alimentos; lo que significará para el país el ingreso de divisas, creando nuevas oportunidades de trabajo. En resumen, generar ingresos económicos para la región de Ayacucho, así como del VRAEM, con el incremento consecuente de las industrias y empresas de transformación agroindustrial que impliquen desarrollo social, económico y tecnológico sostenibles. 1.4 ANTECEDENTES Sobre el tema de colorantes naturales existen investigaciones realizadas, de las cuales algunas están vinculadas con el achiote, tal como se describen a continuación: Antecedente internacional Reyes Z. (2015), Estudio de la extracción y evaluación del colorante natural de achiote (Bixa orellana L.) como sustituto del colorante e-102 amarillo No. 5 (tartracina) en la elaboración de un yogurt. Tesis de la Universidad de San Carlos de Guatemala; en cuyo 7 trabajo el colorante fue extraído de las semillas de la planta de achiote del municipio de San Miguel Tucurú, del departamento de Alta Verapaz. Se realizó la extracción del colorante de achiote utilizando como solventes: agua, solución acuosa de KOH al 1, 2 y 3 % a escala de laboratorio para determinar el solvente que producía mayor rendimiento de extracción. A nivel planta piloto se realizó la extracción del colorante natural, utilizando como solvente el que brindó mayor porcentaje de bixina extraído. Se aplicó el colorante natural de achiote extraído, a muestras de yogurt natural y el colorante de tartracina a otras muestras. Se comprobó que el yogurt que contiene colorante natural de achiote cumple con los requerimientos de un producto alimenticio, por medio de un análisis microbiológico que se llevó a cabo en el laboratorio LAFYM. Se realizaron pruebas de evaluación sensorial orientadas al consumidor, on el objeto de establecer si el consumidor percibe la diferencia entre el color del yogurt en el que se utilizó el colorante de achiote y el yogurt en el que se utilizó tartracina. Se confirmó que la bixina es el principio activo del colorante de achiote, responsable de su color característico. Finalmente, se logró establecer que el consumidor percibe una diferencia significativa entre el color, al utilizar el colorante natural de achiote y el colorante amarillo en un yogurt, con un 95 por ciento de confiabilidad. Antecedente nacional Huerta et al (2014), Estudio de pre factibilidad de una empresa productora y comercializadora de bixina dirigido al mercado de Japón. Tesis de la Pontificia Universidad Católica del Perú. En el Cap 1 formula los objetivos estratégicos: ser una alternativa confiable y segura para cubrir la demanda de colorantes en la industria de Japón, lograr diferenciación en el mercado japonés de otros colorantes ofreciendo una alternativa natural y con beneficios para la salud. Realiza el análisis estratégico de la propuesta, donde se concluye que tanto a nivel político, económico, social, cultural y tecnológico la situación es propicia para la implementación del proyecto debido a los acuerdos comerciales entre Perú y Japón, la buena situación económica de ambos países, el apoyo del gobierno peruano al sector agrícola y a las nuevas tecnologías. En el Cap 2 se realiza el estudio de la oferta y la demanda de colorantes naturales, con el fin de hallar la demanda del proyecto, se determinó una participación del 0,1 % de este mercado para los primeros 2 años. Luego, durante los siguientes 3 años, se aumentará a 0,15 %. Finalmente, para los 4 últimos años se captará el 8 0,2 % del mercado, formulando que se tendrían 3 líneas de productos: sacos de 10 kg para el sector industrial; y frascos de 90 g y sachets de 30 g para el consumidor. En el Cap 3 se realiza el estudio técnico para determinar la locación ideal para la instalación de la planta, tamaño, distribución, capacidad, cantidad de maquinaria y operarios, estableciendo la cantidad de materia prima e insumos requeridos. En el Cap 4 desarrolla el estudio legal del proyecto para determinar los trámites necesarios para la constitución de la empresa y los requisitos para exportar a Japón. En el Cap 5 realiza el análisis organizacional de la empresa, en la que se define los principales puestos y funciones de los trabajadores. Antecedente local Medina L. (2015) Determinación de parámetros óptimos en la extracción de sólidos solubles de la coronta de maíz morado (Zea mays l.) de la variedad INÍA 615 – negro Canaán. Perú, Tesis de la Facultad de Ingeniería Química – UNSCH; cuyo objetivo general es determinar los parámetros óptimos de operación de la extracción de sólidos solubles de la coronta de maíz morado de la variedad INIA 615- Negro Canaán a nivel de laboratorio en un proceso batch. Se estudió el efecto de los factores que influyen en la operación de lixiviación de los sólidos solubles de la coronta de maíz morado que permita lograr la mayor eficiencia de extracción de los solutos. Los componentes fundamentales de la coronta de maíz morado son la composición porcentual de soluto que es 10,68 % en peso; disolvente 10,39 % en peso y el porcentual de insolubles 78,93 % en peso. Los parámetros determinados para la extracción de sólidos solubles de la coronta de maíz morado de la variedad INIA 615- Negro Canaán en medio acuoso son: diámetro medio global es 4,5434 mm, velocidad de agitación 300 RPM, temperatura del disolvente 79,05 °C, tiempo de contacto entre las fases sólido - líquido de 6,24 minutos y la relación de disolvente - alimentación (D/F) de 8,4181. El rendimiento experimental de la extracción de los sólidos solubles de la coronta de maíz morado de la variedad INIA 615- Negro Canaán 44,5311 %. 9 1.5 HIPÓTESIS General o La evaluación apropiada de los parámetros de extracción del colorante a partir de las semillas de achiote (Bixa orellana L.) permitirá la producción eficiente del colorante natural. Específicos o La caracterización apropiada de las semillas de achiote (Bixa orellana L.) garantizaría una mayor eficiencia en la extracción del colorante por lixiviación. o Los parámetros de mayor importancia conocida (tipo de solvente, concentración de solvente, tiempo de contacto, grado de agitación, relación semilla solvente, temperatura), se podrá lograr máxima eficiencia en la extracción de la norbixina. o La definición de proceso de extracción de la norbixina con las condiciones óptimas, nos facilita uso y aplicación de la técnica definida en el escalamiento a nivel planta piloto. 1.6 VARIABLES Dado que el trabajo de investigación se establece la denominación de la Evaluación de los parámetros de extracción del colorante a partir de las semillas de achiote (Bixa orellana L.), a partir de ella se identifica la variable independiente (causa) y la variable dependiente (efecto) de la investigación: Variable Independiente X = SEMILLAS DE ACHIOTE (Bixa orellana L.) Indicadores X1 = Características de la semilla. X2 = Contenido de colorante. X3 = Calidad de semilla. Variable Dependiente Y = EXTRACCIÓN DE COLORANTE 10 Indicadores Y1 = Factores de la operación unitaria de lixiviación Y2 = Equilibrio sólido líquido Y3 = Eficiencia de extracción del colorante natural Preliminarmente se evalúa y establece la variedad y la calidad de la materia prima procedente del VRAEM; luego los estudios de los parámetros se realizan de manera controlada a nivel de laboratorio, sin mayores interferencias en los resultados. 11 CAPITULO II 2 FUNDAMENTO TEORICO 2.1 El ACHIOTE (Bixa orellana L.) 2.1.1 Origen y distribución Es un arbusto, nativo de las zonas tropicales de América y se desarrolla principalmente en climas tropicales y subtropicales. Se cree que el lugar de origen del achiote es la cuenca amazónica, porque se encontraron especies del mismo género en este lugar. (Reyes, 2015) La planta es nativa de América Tropical, pero es conocido su cultivo en muchos otros países. Los principales productores comerciales son: Bolivia, Brasil, Ceylán, Costa Rica, República Dominicana, Ecuador, Guayana, India, Jamaica, México y Perú. (Mora, 2014) El Perú ofrece condiciones ecológicas óptimas para su cultivo en la costa, valles interandinos y en la selva. En la costa: en huertos familiares desde Tumbes hasta Moquegua. En la ceja de Selva: Tingo María, Sapito, Apurímac, Cusco, Ayacucho, Pasco y Cajamarca, también en huertos pequeños incluso en Selva baja. 12 A nivel mundial se cultiva en Kenia, India, Ecuador, Brasil, República Dominicana, Colombia, Bolivia, Belice, Costa de Marfil, Costa Rica, Guatemala, Guyana, Haití, Jamaica, México, Sri Lanka, Surinam, Angola, Nigeria, Tanzania, Filipinas, Hawái. (Fernandez, 2015). 2.1.2 Nombres comunes También recibe el nombre de bija, achiote, rucu, onoto, annato, abujo, achuete, acosi, acote, anoto, bicha, biza, caituco, onotillo, piatu y bixo, entre otros. Tiene una gran capacidad de adaptabilidad y es resistente a las sequías. (Reyes, 2015). 2.1.3 Taxonomía Es la clasificación botánica de la semilla de achiote de acuerdo al estudio de realizado en germoplasma de achiote (Bixa orellana L.) en la amazonia peruana.se puede observar en la tabla 1. Tabla 1.Clasificación botánica del achiote División Spermatophyta Subdivisión Angiospermae Clase Dicotiledoneae Subclase Dialipetala Orden Guttiferales Familia Bixaceae Género Bixa Especies Bixa orellana L. Nombre común Achiote. Fuente: Gonzales, (1992) 13 2.1.4 Variedades del achiote a) Achiote colorado Plantas de flores blancas y semillas de color oscuro o bermellón. Mayor rendimiento, alto contenido de colorante; cápsulas indehiscentes, uniformidad en la maduración, mayor rusticidad y rápido crecimiento. (Fernández, 2015). b) Achiote amarillo Planta de flores rosadas, semillas de color rojo claro Amarillento. Presentan menor rendimiento, son dehiscentes, poseen buen contenido de colorante, pero tienen menor rusticidad. (Fernández, 2015). c) Achiote negro El tallo, hojas y frutos son de color más oscuro que los anteriores, además de contener bajo porcentaje de materia colorante. (Fernández, 2015). 2.1.5 Descripción botánica El achiote (Bixa orellana L.) es un arbusto o árbol pequeño, cuyas ramas se inician aproximadamente a un metro del suelo y puede crecer hasta 5 ó 6 metros, dependiendo de las características ecológicas de la región; tiene un rápido desarrollo. Su aspecto es robusto, muy frondoso y de copa redonda. (Huarco, 2012). a) Raíz Presenta una raíz principal pivotante que puede penetrar a profundidad si el suelo es apropiado. Son además leñosas, cilíndricas y ramificadas. b) Tallo Es redondo, de corteza ligeramente fisurada y numerosas lenticelas y puede presentar hasta 20 o 30 cm de diámetro en la base. 14 c) Hojas Son grandes, cordiformes, color verde pardo con algunas vetas rojizas. Son alternas, sencillas, de borde liso y ápice acuminado, con un peciolo de 4 a 6 cm de largo. d) Flores Son hermafroditas, muy vistosas, son blancas o rosadas. Se agrupan en panículas 567 terminales al final al final de las ramas. e) Frutos Se presenta en cápsula de dos valvas hemisféricas, ovoide, elipsoidal o cónica. Cubierta de espinas; presentan dehiscencia dorsal, color pardo rojizo o amarillo verdoso. f) Semillas Contiene de 30 a 45 semillas de 3 a 4 mm de largo en forma obcónica o pirámides, cubiertas por una delgada capa, y por su contenido de bixina es de color rojo o anaranjado y constituye la sustancia tintórea. 2.1.6 Ecología de cultivo de achiote Las zonas que mejor desarrollo agrícola tiene son de climas cálidos y húmedos. Altitud: 0 - 1200 m.s.n.m Temperatura: 24 – 30 ºC Precipitación: 1800 mm/año pH: 4.5 - 5.2 Suelos: Areno a arcillosos de origen aluvial (Huarco, 2012) 2.1.7 Características fisicoquímicas a) Características químicas Referida a la composición química de la semilla es menciona según Fernández en la tabla 2. 15 Tabla 2.Composición química de la semilla de achiote Análisis Base húmeda Base seca Humedad 9,30 % -------- Proteína 16,15 % 17,80 % Ceniza 5,05 % 5,56 % Grasa 3,39 % 3,73 % Carbohidratos 66,11 % 72,82 % Fibra cruda 9,19 % 101,13 % Calcio 0,39 % 0,42 % Fosforo 0,43 % 0,47 % Hierro 104,97 ppm 11,73 ppm Potasio 1,42 % 1,56 % Zinc 76,07 ppm 83,37 ppm Magnesio 0,3 % 0,36 % Fuente: Fernández, (2015). b) Características físicas Referido a este ítem según Fernández menciona que deben de contemplarse lo que a continuación se menciona en la tabla 3. Tabla 3.Composición física de la semilla de achiote Apariencia Granos pequeños de forma triangular – ovoide y pulposa Color Anaranjado rojizo Longitud Semilla de achiote de 3.5 a 5 mm de longitud Impureza Ninguna impureza Fuente: Fernández, (2015). 16 2.2 COLORANTES Los colorantes son sustancias de color intenso que pueden usarse para producir un alto grado de coloración cuando se dispersan en otros materiales; pueden ser de origen natural y artificial, (Molina , 2017). La variedad de colorantes naturales que pueden ser; orgánicos e inorgánicos obtenidos de fuentes vegetales, animales y minerales. en la actual tendencia de colorantes naturales parecen adquirir cada vez más popularidad, debido a su inocuidad, especialmente en productos alimenticios, farmacéuticos, cosméticos y artesanales, (Molina , 2017) 2.2.1 Los pigmentos sintéticos El uso de estos pigmentos se requiere una certificación debido a la preocupación por la seguridad en la salud, se han estudiado exhaustivamente con respecto a su efecto sobre la salud, ante lo cual se les ha atribuido daños en el comportamiento conductual de los niños Su utilización ha ido decreciendo en algunos países de Europa, además que actualmente se aceptan 9 pigmentos sintéticos, con severas restricciones en su uso. (Molina , 2017), desarrollada en la tabla 4. Tabla 4.pigmentos sintéticos autorizados según agencia y medicamentos de estados unidos Tartracina Autorización por más de 60 países, Amarillo anaranjado S. Utilizado en bebidas no alcohólicas, reposterías. Azorrubina Empleada especialmente en confiterías Rojo ponceau Se emplea en productos cárnicos, reposterías Negroo brillante Se emplea solamente en Europa Amarillo de quinoleina Se utiliza en todo tipo de industria alimenticia Eritrosina Al contenido en yodo, Indigotina Autorizado en todo el mundo Azul V Utilizado en industria alimenticia Fuente: Molina, (2017). 17 2.2.2 Los pigmentos naturales Son generados por microorganismos, vegetales, animales o minerales es decir aquellos obtenidos de fuentes presentes en la naturaleza, usados para impartir color a algunos productos. Son sujetos a la misma prueba de calidad y seguridad toxicológica que los sintéticos, pero la FDA y otras agencias gubernamentales no requieren que se certifique su pureza química y por tanto se refiere a estos como aditivos de color no certificados. Entre los colorantes de naturaleza orgánica hay varios grupos químicos, de los cuales hare referencia a los carotenoides ya que están presentes en la (Bixa orellana L.) (Molina , 2017). a) Carotenoides Los carotenoides son un grupo numeroso de pigmentos muy difundidos en el reino vegetal y animal, producen colores que van desde el amarillo hasta el rojo intenso. Se han identificado en la naturaleza más de 600 de estos compuestos, y se estima que anualmente se sintetiza 100.000 toneladas de carotenoides de fuentes naturales’ Estos pigmentos son esenciales para que las plantas realicen la fotosíntesis ya que actúan como captadores de la luz solar. (Molina , 2017), se detalla en la tabla 5. Tabla 5.Carotenoides que existen en fuente natural Frutas y verduras Jitomates, zanahoria, piñas y cítricos Flores Cempasúchil y girasol Semillas Achiote Animales Plumaje de flamencos, canarios Musculo de peces como trucha , salmón Crustáceos como camarón, langosta y cangrejo Bacterias como corynebactrium poinsettiae Hojas Cuando la clorofila desaparece (durante el invierno) Fuente: Molina, (2017). 18 2.2.3 Colorante de achiote a) La bixina Es la parte de la semilla de achiote que presenta coloración, la cual es un carotenoide de color anaranjado, cuya fórmula es: cis–bixina (9–cis–6,6– diapocaroteno-6,6 dioato), detalles de estructura química de bixina en la figura 1. Figura 1.Estructura química de la bixina. Fuente: Vázquez, (2005). b) Norbixina Es uno de los principios activo de la semilla es la bixina sometiéndolo a la solución acuosa de NaOH se convierte en norbixina, la cual es de color rojo, detalla de estructura química de la norbixina en la figura 2. Figura 2.Estructura química de la norbixina. Fuente: Vázquez, (2005). 19 Sus propiedades tintóreas se atribuyen a sus constituyentes carotenoides, de los cuales la bixina constituye de 70 a 80 % de la masa de pigmentos totales mientras la norbixina en un 20 % 30 %, para obtener el colorante se utilizan sistemas de extracción sólido-líquido. (García, 2010) 2.2.4 Importancia comercial de colorante a base de la bixina Las dos líneas de producción son una orientada al sector industrial y otra para el uso doméstico. (Huerta, 2014), se desarrolla en la tabla 6. Tabla 6.El uso comercial de colorante a base achiote Sector Uso Domestico Colorar y sazonar alimentos caseros Industrias alimentarias Colorante para quesos, manteca y diversos productos Colorante para embutidos Colorante para pescado procesado Colorante para snacks, cereales y dulces Provee color a fideo y demás condimentos Usado para colorear bebidas y sopas Industria farmacéutica Colorante para pomadas Colorante para esmaltes Aceite para cabello Industria en general Colorante en ceras para pisos Colorante en jabones En carpintería ( laca, barnices, tintes para madera) Fuente: Huerta, (2014). 20 2.2.5 Análisis de pigmento de bixina y norbixina a) Espectrofotometría La espectrofotometría es uno de los métodos de análisis más usados, y se basa en la relación que existe entre la absorción de luz por parte de un compuesto y su concentración. Cuando se hace incidir luz monocromática (de una sola longitud de onda) sobre un medio homogéneo, una parte de la luz incidente es absorbida por el medio y otra transmitida, como consecuencia de la intensidad del rayo de luz sea atenuada desde Po a P, siendo Po la intensidad de la luz incidente y P la intensidad del rayo de luz transmitido. Dependiendo del compuesto y el tipo de absorción a medir, la muestra puede estar en fase líquida, sólida o gaseosa. En las regiones visibles y ultravioleta del espectro electromagnético, la muestra es generalmente disuelta para formar una solución, citado por (Martinez, 2015). En espectrofotometría, los carotenoides normalmente muestran tres picos de absorción máxima. Estos picos son numerados I, II y III, partiendo de la más baja longitud de onda en dirección al más alto. (Ibrahim, 2007), observar con mayor detalle en la figura 3. Figura 3. Curvas espectrofotométricas de bixina y norbixina Fuente: Ibrahim, (2007). 21 Las medidas de la absorbancia en los picos II o III se utilizan para la determinación cuantitativa de la bixana y de la norbixina, a pesar del pico III ser generalmente el preferido, debido al hecho de que, en esta longitud de onda; hay menos interferencia de la posible sujección de productos descompuesto amarillo que se superponen en la curva espectral, lo que podría requerir la aplicación de un factor de corrección. (Ibrahim, 2007)), Para mayor información en la tabla 7. Tabla 7.Coeficiente de absortividad ((𝐴1𝑐𝑚 1% ) l complimiento de longitud de onda máxima de absorbancia de norbixina en diferentes solventes. Fuente: Ibrahim, (2007). Composición Comprimento de onda de absorción máxima(nm) Solvente (𝐀𝟏𝐜𝐦 𝟏% ) Referencia Cis - Norbixina 453 KOH 0,1N 2850 REITH e GIELEN, (1971) 2818 SCOTTER et al. (1994) 3473 LEVY e RIVADENEIRA, (2000) NaOH 0,1N 2850 RODRIGUEZ AMAYA, (1988) 468 cloroformo 2470 RODRIGUEZ AMAYA, (1988) 473 Cloroformo + 0,5 % ac.acetico 2620 REITH e GIELEN (1971) SMITH (1988) 482 NaOH 0,1N 2550 RODRIGUEZ AMAYA, (1988) KOH 0,1N 2550 REITH e GIELEN (1971) SMITH (1983) 2503 SCOTTER et al (1994) 2870 LEVY E RIVADENEIRA (2000) KOH 0,5 % 2870 CHRISTIAN HANSEN (2000) 22 b) Ley de Lambert Esta ley establece que cuando pasa luz monocromática por un medio homogéneo, la disminución de la intensidad del haz de luz incidente es proporcional al espesor del medio, Lo que equivale a decir que la intensidad de la luz transmitida disminuye exponencialmente al aumentar aritméticamente el espesor del medio absorbente, observar en la figura 4. Figura 4.Ley de Lambert Fuente: Martínez, (2015). P PO = e−Kb ( 1 ) Donde: PO Intensidad de la luz incidente P Intensidad de la luz transmitida b Espesor del medio absorbente k Constante, cuyo valor depende de la naturaleza del soluto, de la longitud de onda de la luz incidente, del espesor del medio absorbente y de la naturaleza del medio. Ambas leyes se combinan en una sola, generando la Ley de Lambert – Beer logPo P = abc ( 2 ) A = abc ( 3 ) A = logP Po = −logT ( 4 ) 23 Donde: a Asertividad b Longitud o espesor del medio (longitud de la cubeta) c Concentración de la solución T Transmitancia. Transmitancia (T) Es la razón entre la luz monocromática transmitida (P) por una muestra y la energía o luz incidente (Po) sobre ella. Tanto la energía radiante incidente como la transmitida deben ser medidas a la misma longitud de onda. T = P PO = 10 − abC ( 5 ) Absorbancia (A) Se define como la cantidad de energía radiante absorbida por una sustancia pura o en solución. A = a ∗ b ∗ c ( 6 ) Según ecuación indica que la absorbancia es una función lineal de la concentración, donde a es una constante de proporcionalidad llamada absortividad. La magnitud de a depender de las unidades de b y c. Si la concentración C está expresada en moles por litro y la longitud de la cubeta b en centímetros, la constante a recibe el nombre de absortividad molar (ε). Luego: A = ε ∗ b ∗ c ( 7 ) 2.2.6 Selección de longitud de onda de trabajo La longitud de onda del trabajo corresponde, generalmente, a la longitud de onda en la cual la absorbancia del analito (sustancia a analizar) es máxima (Amax). Para seleccionar el Amax, se hace un espectro de absorción o curva espectral, y que consiste en una gráfica de la absorbancia de una solución de la sustancia absorbente de concentración adecuada, 24 medida a distintas longitudes de onda y en ella se determina el Amax. (Martinez, 2015), observar en la figura.5 Figura 5. Curva espectral (en este ejemplo λmáx.= λ1) Fuente: Martínez, (2015). 2.2.7 Curva de calibración Uno de los métodos más utilizados para determinar la concentración de una muestra problema, es el método de la curva de calibración, es una gráfica que relaciona la concentración de al menos cinco soluciones de estándar de concentraciones conocidas, con la absorbancia de cada uno de ellos determinados a la longitud de onda máxima. (Martinez, 2015), observar en la figura 6. Figura 6. Curva de calibración para un analito. Fuente: Martínez, (2015). 25 Una vez obtenida la gráfica se determina la función matemática que presenta dicha recta a través del tratamiento estadístico de regresión de los mínimos cuadrados, la cual relaciona la absorbancia y la concentración de un analito. La siguiente ecuación matemática corresponde a dicha función: A = mC + n ( 8 ) Donde: A Absorbancia. n Intercepto de la recta m Pendiente de la recta y que corresponde al producto entre la absortividad a de la muestra y el espesor b de la cubeta. 2.3 OPERACIÓN DE LIXIVIACIÓN 2.3.1 Fundamento de lixiviación La lixiviación es una operación de separación de los componentes solubles presentes en una fase o matriz sólida utilizando como agente de separación un solvente líquido específico, que actúa bajo ciertas condiciones en los equipos denominados lixiviadores.(Arias, 2011). La lixiviación es extracción sólido-líquido; sin embargo, existen algunas denominaciones alternativas que califican a la lixiviación, que en esencia representan a la misma operación, pero que por sus usos y costumbres han adquirido calificaciones particulares, como son: Infusión, percolación, elución, decocción, remojado, macerado, lavado. (Arias, 2011). 2.3.2 Componentes identificados de lixiviación Los componentes representativos son: A Sólidos solubles. I Insolubles que algunos denominan inertes (con respecto al proceso extractivo). D Solvente líquido (opcional, de acuerdo al solvente utilizado). 26 En la lixiviación, el solvente actúa sobre el grupo de los sólidos solubles, solubilizándolos y provocando su extracción. Los componentes de la matriz sólida (A, I y en ocasiones D) se encuentran distribuidos e interconectados bajo una estructura compleja, Los materiales sólidos destinados a la lixiviación podrán ser: o Recursos naturales: estructuras vegetales (semillas, tallos, hojas, etc) y animales (insectos, hígados, etc.) o Materiales inorgánicos: minerales, sales, etc o Materiales de procesos intermedios o Precipitados o Cristales El solvente utilizado para la lixiviación está normalmente conformado por el disolvente líquido D, pudiendo en los casos de recirculación contener pequeñas cantidades de soluto A. Sin embargo, el extracto líquido obtenido al final de la lixiviación es un sistema binario, formado por el soluto y el disolvente: A + D; en ocasiones, cuando no existe una buena separación mecánica sólido líquido, podrá percibirse el arrastre de sólidos finos, que da lugar a la presencia de insolubles: I, en el extracto. 2.3.3 Criterios en la elección del solvente Para la extracción con disolventes líquidos es de suma importancia tomar los criterios adecuados con respecto a la elección del solvente apropiado para dicha separación, ya sean en las operaciones de lixiviación, así como en las operaciones de extracción líquida; se pueden indicar dos criterios fundamentales. (Arias, 2011). o Solubilidad Indica la capacidad de solubilización y consecuente concentración que alcanzarían los solubles en el solvente utilizado; a mayor solubilidad se tiene mayor capacidad de extracción por unidad de solvente utilizado, luego es importante elegir un solvente que presente alta solubilidad hacia el soluto o material de interés que desea extraerse. 27 o Selectividad Revela el grado de solubilidad selectiva o preferencial que tiene el disolvente líquido hacia un determinado soluto de interés durante la extracción; es recomendable elegir aquel solvente que permita extraer solamente el soluto deseado, sin que se extraiga otros compuestos no deseados en acción paralela. Sin embargo, complementariamente se debe tener en cuenta otros criterios adicionales en la elección del solvente líquido. o Volatilidad o Toxicidad o Inflamabilidad o Reactividad química o Viscosidad o Tensión superficial o Capacidad difusional o Recuperabilidad o Inmiscibilidad (para el caso de extracción líquida) o Diferencia de densidades (para la decantación en extracción líquida) o Costos 2.3.4 Aplicación en la industria La lixiviación es una de las operaciones más extendidas en el área de la extracción de minerales, manipulación de productos biológicos, alimentarios y farmacéuticos. Se reconocen, de manera específica las siguientes aplicaciones: o Extracción de la sacarosa a partir de la caña de azúcar y remolacha o Extracción de edulcorantes o Extracción de aceites esenciales o Industria de aceites de origen animal y vegetal o Extracción de colorantes naturales o Extracción de alcaloides o Extracción de principios activos y productos farmacéuticos o Extracción de perfumes y sustancias odoríficas 28 2.3.5 Factores que influyen en la lixiviación La lixiviación está influenciada por un conjunto de factores vinculados a la naturaleza de los materiales que concurren a la extracción sólido líquido y las condiciones bajo las cuales se conducen la extracción. Como factores vinculados a la naturaleza de los materiales destacan las propiedades y características del solvente líquido elegido para la lixiviación (solubilidad, selectividad, pH, acción sinergética en el caso de mezcla de solventes, etc.), también influye la naturaleza del material sólido sometido a lixiviación (porosidad, permeabilidad, estructura y distribución del soluble en la matriz sólida, interacción química, difusividad, transporte intrapartícula, etc., (Arias, 2011). A continuación se menciona principales factores vinculados a las condiciones operativas que influyen en la lixiviación. a) Granulometría El tamaño de partícula es determinante para realizar una buena extracción de la materia sólida, puesto que en algunos casos no es necesario realizar desintegración mecánica ya que el material a extraer está en el epispermo como es el caso de esta investigación. Pero en la gran mayoría de los casos de extracción solido-liquido es necesario reducir de tamaño. (Arias, 2011). b) Temperatura En el proceso de extracción este factor juega un rol muy importante ya que a mayor temperatura aumenta la solubilidad y el transporte disfuncional de los materiales extraíbles hacia el solvente líquido. Pero este aumento también puede ser perjudicial para algunos componentes volátiles presentes en el material a extraer. La temperatura de la extracción se debe determinar correctamente de tal manera que se mejore la difusividad del soluto y disolvente dando sensibilidad al producto. (Arias, 2011). 29 c) Agitación El grado de agitación conferida al sistema de extracción sólido líquido define la hidrodinámica del medio de lixiviación, tal que a mayor turbulencia de la mezcla sólido líquida se promueve la suspensión y se facilita la extracción de los solubles debido a la difusión convectiva desarrollada hacia el medio líquido, muy a pesar de que este no influya en la resistencia difusiva limitante al interior de la partícula. (Arias, 2011). d) pH Es otra de las variables que afectan en gran medida a la solubilidad del soluto. Una selección adecuada de PH permite obtener una elevada solubilidad del soluto a extraer, al mismo tiempo que evita la disolución de componentes no deseados. (Arones , 2007). e) Tipo de solvente El solvente ideal es el agua (bajo costo, no tóxica, no inflamable, no corrosiva), sin embargo, no siempre tiene una capacidad de extracción adecuada. El solvente empleado debe tener el mayor coeficiente de transferencia de masa posible. (Arones , 2007). 2.3.6 Componentes y diagrama de lixiviación Dado que se han identificado los componentes fundamentales que intervienen en la lixiviación, que son la interacción permanente de tres grupos de componentes: Fase sólida: x → x = xA Fracción másica de soluto. xD Fracción másica de disolvente xI = 1 − (x + xD) Fracción másica de insolubles Fase líquida: y → y = yA Fracción másica de soluto yD = (1 − yD) Fracción másica de disolvente A: Sólidos solubles (soluto) I: Insolubles (con respecto al solvente utilizado) D: Disolvente líquido 30 Se considera que la fase líquida, por decir el extracto obtenido de la lixiviación, está formada por el soluto y el disolvente; vale decir que, luego de un buen sistema de separación de sólidos, no existe arrastre de partículas finas en el extracto. Existen diversas opciones de representación gráfica y evaluación de los sistemas ternarios aplicados para la lixiviación, observar en la figura 7. o Triángulo equilátero o Triángulo rectángulo o Coordenadas rectangulares Figura 7.Diagrama de lixiviación tipo triángulo rectángulo Fuente: Medina, (2015). a) Lixiviación en etapa simple Una unidad o etapa de lixiviación simple se entiende a través del siguiente esquema de operación integrada, que puede trabajar en forma batch (por cargas) o a régimen pseudo continuo (estacionario). (Arones , 2007), observar en la figura 8. 31 Figura 8.Diagrama de balance de materia para la extracción de una sola etapa. Fuente: Arones , (2007). Según realizando el balance de materia en una unidad de lixiviación en etapa simple: Global F + S = M1 = E1 + R1 ( 9 ) Soluble (A) F XF + S yS = M1XM1 = E1y1 + R1x1 ( 10 ) Disolvente (D): F XDF + S(1 − yS) = M1XDM1 = E1(1 − y1) + R1XD1 ( 11 ) La concentración de la mezcla M1 es: XM1 = FXF + SyS M1 = FXF + Sys F + S ( 12 ) Los flujos del extracto y refinado se calculan con las siguientes expresiones: E1 = M1 [ XM1 − X1 y1 − X1 ] ( 13 ) 32 R1 = M1 − E1 = M1 [ y1 − XM1 y1 − X1 ] ( 14 ) La representación gráfica se muestra en la figura 9. Figura 9.Solución gráfica de lixiviación en una sola etapa. Fuente: Arones , (2007) El porcentaje de recuperación o extracción, es la relación entre los sólidos solubles extraídos a partir del material sólido durante la lixiviación en etapa simple con respecto a los solubles totales contenidos inicialmente en dicho material, expresado en forma porcentual. (Arones , 2007). %rec = ( FXF − R1X1 FXF ) ∗ 100 = ( E1y1 − Sys FXF ) ∗ 100 ( 15 ) 33 b) Cálculos en la lixiviación en corriente cruzada La lixiviación en corriente cruzada consiste en utilizar reiteradamente solvente líquido fresco en cada etapa de extracción o unidad, a manera de lavado sucesivo, hasta alcanzar algún grado de extracción, recuperación o eliminación de solubles a partir del sólido procesado, según sea el caso tratado en la figura 10. Figura 10.Interconexión de etapa simple para una lixiviación en corriente cruzada Fuente: Arias, (2011). Balance de materia para la etapa N: Global RN-1 + SN = MN = EN + RN ( 16 ) Solubles (A) RN-1XN-1 + SN ySN = MN XMN = EN YN + RN XN ( 17 ) Disolvente (D) RN-1XDN-1 + SN(1 - ySN) = MN XDMN = EN(1 - YN) + RN XDN ( 18 ) Los flujos del extracto y refinado se calculan con las siguientes expresiones: XMN = RN−1XN−1 + SNySN RN−1 − SN ( 19 ) 34 EN = MN [ XMN − XN yN − XN ] ( 20 ) RN = MN − EN ( 21 ) El porcentaje de recuperación en toda la batería de extractores %rec = ( FXF − RNXN FXF ) ∗ 100 = ( Eiyi − Siys FXF ) ∗ 100 ( 22 ) c) Lixiviación en contracorriente La lixiviación de múltiples etapas en contracorriente se consigue utilizando una interconexión de etapas simples de tal manera que la corriente sólida circule en dirección opuesta a la corriente líquida (solvente), provocando un agotamiento progresivo de los solubles en la fase sólida, debido a la transferencia de estos hacia la corriente líquida y su concentración, interprete en la figura 11. Figura 11. Conexión de múltiples etapas para una lixiviación en contracorriente. Fuente: Arias, (2011). Balance de materia para lixiviación contracorriente: F + S = E1 + RN ( 23 ) 35 FxF + SyS = E1 Y1 + RN XN ( 24 ) FxDF + S(1-yS) = E1 (1-Y1)+ RN XN ( 25 ) El porcentaje de recuperación desarrollado en la batería de extractores es: %rec = ( FXF − RNXN FXF ) ∗ 100 = ( E1y1 − Sys FXF ) ∗ 100 ( 26 ) 2.4 EQUIPOS DE EXTRACCIÓN PARA COLORANTE La operación de lixiviación presenta una gran diversidad de equipos de extracción sólido líquido, que obedecen a diversos criterios de operación, capacidad de procesamiento, características del solvente, costos, entre otros factores: Los equipos de lixiviación se pueden clasificar teniendo en cuenta su régimen operativo, la temperatura de operación, el tipo de contacto sólido líquido, etc. Estas diferentes formas se presentan a continuación. (Arias, 2011). De acuerdo al régimen operativo o Batch o por etapas (unidades o tanques de lixiviación) o Semicontinuo (percolación a través de lechos sólidos) o Continuo (de múltiples etapas o diferencial continuo) De acuerdo a la temperatura de lixiviación o Ambiental o Caliente o Ebullición 36 De acuerdo a la disposición de las partículas sólidas con respecto al solvente líquido o Sólidos dispuestos en lecho fijo o Sólidos en dispersión/fluidización (con agitadores) o Sólidos en desplazamiento diferencial continuo (tornillos, bandas, etc.) De acuerdo al tipo de contacto sólido líquido o Contacto de etapa simple o Contacto de múltiples etapas en corriente cruzada o Contacto de múltiples etapas en contracorriente o Contacto diferencial continuo De acuerdo a la interacción química de los solubles con el solvente o Lixiviación con solubilización física pura o Lixiviación con reacción química con el solvente 2.4.1 Operación en estado no estacionario. Las operaciones en estado no estacionario incluyen aquellas en que los sólidos y los líquidos se ponen en contacto únicamente en forma de lotes y también aquellas en que un lote del sólido se pone en contacto con una corriente que fluye continuamente del líquido (método por semilotes). Las partículas sólidas gruesas generalmente se tratan en lechos fijos mediante métodos de percolación, mientras que los sólidos finamente divididos, que pueden mantenerse más fácilmente en suspensión, pueden dispersarse en todo el líquido con la ayuda de algún tipo de agitador. (Arones , 2007). a) Lixiviación en tanques de percolación. Estos equipos de tipo Bach y se utilizan para la extracción de azúcar de remolacha, en la extracción de taninos de cortezas, extracción del café soluble, extracción de productos farmacéuticos, etc. En la siguiente figura se muestra el extractor o difusor típico para azúcar de remolacha, a las que se llama cossettes, observar en la figura. 12 37 Figura 12.Aparato típico de lecho fijo para la lixiviación de azúcar de remolacha. Fuente: Arones , (2007). b) Lixiviación en tanques con agitación Los sólidos que forman lechos impermeables, bien antes o durante la lixiviación, se tratan dispersándolos mediante agitación mecánica en un tanque o mezclador de flujo. El residuo lixiviado se separa después de la disolución concentrada por sedimentación o filtración. De esta forma se pueden lixiviar pequeñas cantidades de material por cargas en un tanque agitado, con una salida en el fondo para retirar el residuo sedimentado, observar en la figura 13. Figura 13.Tanques de lixiviación por lotes con agitación. Fuente: Medina, (2015). 38 2.4.2 Operación en estado estacionario La alimentación al extractor del sólido y de solvente se realiza de manera continua El equipo para las operaciones en estado estacionario continuo puede clasificarse en dos grandes categorías principales: operado por etapas o en contacto continuo. Algunas veces, el equipo por etapas puede montarse en unidades múltiples, para producir efectos de varias etapas; el equipo de contacto continuo puede proporcionar el equivalente a muchas etapas en un único aparato. (Arones , 2007). a) Lixiviación en tanques con agitación Los sólidos finamente molidos que son fáciles de suspender en líquidos por medio de la agitación, pueden lixiviarse continuamente en cualquiera de los muchos tipos de tanques con agitación. Éstos pueden utilizarse para el flujo continuo del líquido y del sólido en y fuera del tanque y deben diseñarse con cuidado para que no haya acumulación del sólido. Debido al mezclado completo que se obtiene de ordinario, estos aparatos funcionan en una sola etapa; además, el líquido y el sólido tienden a alcanzar el equilibrio en el tanque de la figura 14. Figura 14.Agitador de Dorr (Dorr-Oliver, Inc.). Fuente: Medina, (2015). 39 b) Lixiviación con el equipo Rotocel Las semillas de algodón, soya, semillas de lino, cacahuates, salvado, ricino y muchos otros productos similares, con frecuencia sufren la acción de lixiviación, o extracción, con disolventes orgánicos que separan los aceites vegetales que contienen. Las semillas generalmente deben prepararse en forma especial para obtener la mejor lixiviación; esto puede emitir el descascarar, precocinar, el ajuste del contenido de humedad (agua) y el prensado o formación de hojuelas, observar en la figura 15. Figura 15.Arreglo esquemático del Rotocel Fuente: Arones , (2007). c) Lixiviación con el equipo de Kennedy Ahora se utiliza para las operaciones de lixiviación de los aceites de semillas y otras operaciones de lixiviación química. Los sólidos se lixivian en una serie de tinas y se empujan de una a otra mediante unos remos para formar una cascada, mientras que el disolvente fluye a contracorriente. Unas perforaciones en los remos permiten el drenado de los sólidos entre etapas; los sólidos se desprenden de cada remo (por raspado), tal como se 40 muestra. una cascada se pueden colocar tantas tinas como sea necesario, observe en la figura 16. Figura 16.Extractor de Kennedy. Fuente: Medina, (2015). d) Lixiviación con el equipo de Hildebrant El extractor de Hildebrandt consiste en tres transportadores de tornillos sin fin en forma de U. Los tornillos sin fin giran a una velocidad diferente, con el fin comprimir adecuadamente los sólidos en la sección horizontal, los sólidos se cargan en la parte superior derecha, se transportan hacia abajo, a través de la zona inferior, después hacia arriba por el otro ramal. El disolvente fluye a contracorriente. (Arones , 2007), observe en la figura 17. Figura 17.Equipo para lixiviación con lecho móvil Fuente: Arones , (2007). 41 2.5 TECNOLOGÍA DE EXTRACCIÓN DE COLORANTE DE ACHIOTE Los métodos de extracción utilizados para la producción de colorantes de achiote a partir de la semilla, pueden involucrar la producción de bixina a través del hidrolisis acuoso, extracción simultánea de la norbixina. En escala comercial, tres métodos básicos son usados para extraer del pigmento de la semilla: o Extracción alcalina, que resulta en la conversión del carotenoide de una forma de éster mono metílico liposoluble a hidrosoluble, o sea, sal de norbixina o Extracción en aceite, que resulta en la remoción de la bixina de las semillas de pequeñas cantidades de otros materiales coloreados. o Extracción con disolvente, que resulta en la forma más pura del pigmento bixina. Extracción de bixina En materia en que el pigmento mayoritario y la bixina cuantifican se puede hacer utilizando los disolventes acetona, cloroformo, mezcla de cloroformo más ácido acético; ampliamente mencionado en la literatura. Se determinó la bixina en una muestra de colorantes, utilizando una solución de ácido acético en cloroformo (v / v). La absorbancia de la solución diluida se midió a 505 y 474 nm, y el contenido de bixina se determinó por medio de los coeficientes de absorción (A1cm 1%) de 2,790 (505 nm) y 3,130 (474 nm), para la determinación de bixina, recomendó la utilización de la solución de cloroformo conteniendo al 4 % de ácido acético. (Ibrahim, 2007) En la mayoría de los casos, el uso de la acetona para determinar el contenido de pigmento que el valor de la absorbancia en aproximadamente 485 nm, utilizando el coeficiente de absorción (A1cm1%) de 3,140, para la determinación de bixina en suspensiones de urucum liposolubles. (Ibrahim, 2007). 42 Extracción de norbixina En los productos en los que el pigmento mayoritario de la norbixina, hay dos métodos que se destacan: el método que utiliza mezcla de cloroformo más ácido acético y el método que utiliza solución de hidróxido de potasio. En la determinación de norbixina de colorantes hidrosolubles, se utilizó una solución de 0,5 % de ácido acético en cloroformo, midiendo la absorbancia a 503 nm ya 473 nm. El contenido de norbixina se determinó por medio de los coeficientes de absorción (A1cm 1 %) de 2,290 (503 nm) y 2,620 (473 nm). Este método fue utilizado con suceso para colorantes de achiote en polvo conteniendo principalmente norbixina. (Ibrahim, 2007). El contenido de pigmento se medirá la absorbancia en aproximadamente 482 nm, el coeficiente de absorción (A1cm1%) para cis-norbixina en KOH a 0,5 % en esta longitud de onda de 2,870 (Ibrahim, 2007). 2.5.1 Extracción en seco de lecho de chorro Es un método de extracción en seco muy utilizado actualmente, utiliza equipo en el que las semillas de achiote son forzadas por una corriente de aire a través de un tubo en un extracto de lecho de chorro. El impacto de la partícula suelta la capa superficial de la semilla se obtiene la bixina en polvo con buen rendimiento. Para ello se utilizó una unidad de lecho de chorro para realizar tanto el secado de la semilla como la extracción de bixina por la fricción entre las semillas. Según los autores, la unidad de lecho de chorro fue un equipo eficiente para extraer la bixina, obteniéndose en polvo con partículas finas y bajo contenido de humedad final, lo que son características deseables para la comercialización. El equipo apropiado para procesar tanto el secado de la semilla de achiote como la extracción de la bixina de las semillas a bajo costos operacionales. 2.5.2 Raspado y cribado Son métodos rudimentarios de obtención de los colorantes de achiote que proporcionan bajo rendimiento, no siendo utilizados a escala industrial. El raspado se puede hacer con 43 cepillos de nailon, en la superficie externa de las semillas. El cribado proporcionando agitación a las semillas en una criba, de forma que las capas externas de las semillas de achiote se desprendan y se separen, originando una masa de colorante. Es importante resaltar que el proceso de extracción del colorante de la semilla de achiote es un proceso relativamente fácil. Como la bixina está localizada en el pericarpio (capa externa) de las semillas, no hay necesidad de trituración, lo que favorece la pureza de los concentrados y la separación de los colorantes y de las semillas. (Ibrahim, 2007). 2.5.3 Lixiviación con agua y agitación Este es el método más antiguo de extracción industrial, por abrasión y suspensión mecánica, que es suministrada por la agitación de la semilla de achiote en agua, que desaloja y separa la capa de pigmento. Se obtiene entonces una suspensión colorante, que puede ser filtrada o centrifugada, y sometida a secado, originando una pasta con un contenido de bixina de cerca del 20 % (Ibrahim, 2007). Para uso como colorante alimenticio la pasta puede ser disuelta en aceite vegetal, en la preparación de soluciones diluidas de bixina, o puede ser mezclada con álcali en medio acuoso para hidrolizar la bixina y obtener soluciones diluidas de norbixina. Se trata de un método rápido y de bajo costo, pero el colorante de achiote extraído con agua normalmente presenta gran concentración de impurezas provenientes de las semillas que junto con la bixina son arrastradas. (Ibrahim, 2007). 2.5.4 Extracción con soluciones acuosas alcalinizadas El proceso más simple y más utilizado comercialmente para la producción de colorantes de achiote es el que utiliza soluciones alcalinas para extraer los pigmentos, considerando el uso del hidróxido de sodio, de potasio, amonio utilizan como el álcali para extracción, disueltas en agua. 44 El hidrolisis alcalino de la bixina forma el ácido dicarboxilico libre,convertiendo en sal de norbixina que puede existir en ambas formas cis y trans. Todos estos compuestos tienen valor como colorante para alimentos. Existen extensiones de pigmentos del achiote utilizando solución de hidróxido de sodio en diferentes concentraciones ya diferentes proporciones de masa de semilla / volumen de solución. Los resultados obtenidos mostraron que la concentración de la base que permitió el más alto rendimiento de extracción fue la de NaOH 0.1N, que posibilitó un contenido de norbixina en los extractos. La acción química de la solución alcalina sobre el pigmento bixina concentrado en el achiote. (Ibrahim, 2007), observar la figura 18. Figura 18.Reaccion química con solución alcalina. Fuente: Ibrahim, (2007). 45 2.5.5 Extracción con solventes orgánicos Los disolventes autorizados que deben ser utilizados en la elaboración y procesamiento del colorante son: agua, alcohol etílico, aminados, cloruro de sodio, dextrina, gelatina, glicerol, aceites y grasas comestibles por lo tanto, a pesar de que la extracción de los pigmentos de las semillas de achiote utilizando solventes orgánicos es la más eficiente en términos del contenido de pigmentos extraídos y de la pureza del extracto, al ser utilizada a escala industrial. Un solvente orgánico utilizado en industrias procesadoras de achiote es el etanol, por la facilidad de su obtención, bajo costo en Brasil, bajo toxicidad, bajo punto de ebullición comparado a otros solventes. Se estudió la extracción de pigmentos de achiote utilizando las semillas y etanol en la proporción de 1: 2 (p/v), durante dos horas. Los colorantes concentrados producidos presentaron un contenido de bixina de alrededor del 70 al 72 %. También estudiaron la extracción de pigmentos de achiote utilizado etanol como solvente, variando el tiempo de extracción entre quince minutos, treinta minutos y dos horas. En comparación con el tiempo de extracción y agitación del proceso, se verificó un aumento de 1,6 veces en el rendimiento de la extracción de dos horas, que fue del 79,18 % en relación a la extracción de 15 minutos, cuyo rendimiento fue de 41 % (Ibrahim, 2007). 2.5.6 Extracción supercrítica En el proceso de extr