FACULTAD DE CIENCIAS AGROALIMENTARIA Y TECNOLOGICA.

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA EN ALIMENTOS.

Sustitución de colorantes artificiales por colorantes naturales en bebidas de producción comercial.

Pedro Estévez 2004-0179

Para Optar por el Titulo de

Ingeniero en el área Tecnología de Alimento

Santiago de los caballerosSantiago de los caballeros

República DominicanaRepública Dominicana

Abril, 2011Abril, 2011

UNIVERSIDAD ISA

APROBACIÓN DEL TEMA DE REPORTE PROFESIONAL

-SOLICITUD-

Estudiantes: Matrículas:

Pedro Estévez Uyola 2004-0179

Fecha de entrega: Abril 2011.

Asesora: Lucia Beriguete

Co- Asesora: Clara Ángel Botero, MSc.

Título del Trabajo: Sustitución de colorantes artificiales por colorantes

naturales en bebidas de producción comercial.

Aprobación:

Pedro Estévez . Lucia Beriguete

Estudiante Profesor Asesor

Dr. Danis Félix Clara Ángel Botero. Director del Departamento Profesor Co- Asesor

Dr. Domingo Carrasco dr. Rafael Amable Vázquez Vicerrector Académico Decano de la facultad

Abril, 2011

1.0- Introducción.

En la actualidad son muy pocos los alimentos industrializados que no tienen

colorantes. El color es considerado un importante atributo de un alimento,

aumentando su atractivo o más aun vinculándolo con su calidad.

Los alimentos naturales tienen su propio color y lo ideal sería que se

mantuvieran a lo largo del proceso de transformación en la industria, pero la

mayoría de las veces no es así. Sin embargo, los consumidores prefieren en

determinados alimentos un color constante, que no varíe en los diferentes lotes

de fabricación de un producto y esto sólo puede obtenerse modificándolo de

forma artificial

(Cubero et al., 2002).

Los colorantes tienen un uso limitado, no deben emplearse de una manera

arbitraria, sino que la cantidad en cada alimento debe atender a la corrección

de la pérdida de color producida por alguno de los siguientes problemas que se

pueden plantear durante el proceso de fabricación o almacenamiento de un

alimento:

Pérdida de color por tratamientos tecnológicos del proceso: tratamientos

térmicos, pelados, desecaciones, etc.

Variaciones físico-químicas: cambios de luz, pH, potencial redox.

Efectos bioquímicos: microorganismos y sus metabolitos, pardeamiento

enzimático y no enzimático.

El uso de los colorantes sintéticos en la industria alimentaria es cada vez mas

estricto debido a las regulaciones para su uso, por los problemas de toxicidad,

reacciones de intolerancias y alérgicas. Lo anterior ha favorecido el interés

para obtener colorantes de fuentes naturales como posibles sustituto de los

colorantes sintéticos, ya que a la fecha no existe evidencia de su toxicidad en

humano y por el contrario se les asocia con el mantenimiento de una buena

salud. (Pedreño y Escribano, 2000)

Las autoridades sanitarias han ido retirando la autorización de uso de un gran

número de compuestos. Por ejemplo, la FDA ha reducido la lista de colorantes

sintéticos autorizados de setecientos a siete y la Agencia de Seguridad

Alimentaria de la Unión Europea (EFSA) ha recomendado minimizar el

agregado de aditivos en general, utilizándolos solamente cuando haya una

necesidad real vinculada con la preservación, sabor o estabilidad de los

alimentos. Indudablemente, la tendencia creciente es buscar la forma de

cambiar los colorantes sintéticos por naturales.

(Stintzing, F.C., Herbach, K.M., Mosshammer, M.R. et al. 2005)

La ley varía mucho de unos países a otros con respecto al uso de los

colorantes sintéticos y eso quiere decir que incluso los científicos no se ponen

de acuerdo sobre su falta de efectos secundarios.

Así podemos encontrar que en los países nórdicos están prohibidos casi todos

los colorantes sintéticos y en cambio otros países los autorizan.

(Montse Valderrama)

Se ha demostrado que los colorantes sintéticos en su mayoría tienen efectos

nocivos para la salud, este hecho ha sido el motivo para encontrar un sustituto

que proporcione las mismas características que los colorantes artificiales, pero

sin que cause daño al consumidor. Por ejemplo tenemos el uso de los

colorantes artificiales usados en la industria alimentaría, de los cuales existen

países que los prohíbe en su mayoría, y se esta inclinando a los colorantes

naturales.

Las primeras materias colorantes eran de origen vegetal (índigo, gualda,

campeche, orchilla) o incluso animal (cochinilla). En la actualidad son en su

gran mayoría derivados de hidrocarburos contenidos en el alquitrán de hulla. La

mayor parte de las materias colorantes naturales han sido reproducidas

artificialmente y entran en el cuadro de las materias colorante sintéticas.

(Nueva Enciclopedia Larousse, ed Planeta, 1984).

La demanda de los colorantes naturales en la industria alimentaría han

aumentado significativamente en los años recientes, debido a que los

consumidores consideran el consumos de productos naturales como un factor

esencial en el incremento de la calidad de vida.

(Yisser García1, Margarita Núñez de Villavicencio1, José L. Rodríguez1, Idania rrego y Luís Cruz)

2-0 Justificación

Se ha desarrollado un procedimiento para producir lo que seria el primer

pigmento amarillo natural estable derivado de las betalaínas. Las betalaínas

son compuestos naturales, solubles en agua que se han convertido en un foco

de interés cada vez mayor de la industria alimenticia.

A partir de estos, los investigadores se propusieron lograr un colorante estable

para utilizar en alimentos, para locual prepararon un extracto a partir de la

llamada tuna de Opuntia que luego sometieron a un procedimiento de Spray

drying que se encapsulo en una matriz de maltodextrina. Se logro así un sólido

de color amarillo brillante que contiene un solo pigmento, la indicaxantina.

Tras realizar varios ensayos para determinar la estabilidad del pigmento,

concluyeron que este era altamente estable, lo que permitirá su utilización en

un gran numero de productos tantos alimenticios, como cosméticos, y

farmacéuticos.

(Gandia Herrero, M Jiménez-Atienza.2010)

El pigmento obtenido de la tuna (betacianinas) es más aceptable

organolepticamente que el de la remolacha, ya que no tiene un sabor

desagradable sino más bien el hecho de su escaso sabor resultaría en su

mayor potencial como colorante que como alimento.

(Feugang, J.M., Konarski 2006).

El fruto contiene varios pigmentos como la idixantina (betaxantina), la

betanidina, betanina y la filocactina (betacianinas), así como el beta-caroteno,

los cuales pueden ser empleados satisfactoriamente en la industria alimentaría.

Por su alto poder tintorial (dos veces más alto que los colorantes artificiales) y

la tonalidad del color sin cambio en un intervalo amplio de pH de 3 a 7, las

betalaina son compuestos tecnológicamente muy atractivo como colorantes

naturales en alimentos

(Von Elbe, 1975; Caí et al, 1998, 2001, Cai y Corke 1999)

Las betalaínas, pigmentos presentes en las tunas rojas y púrpuras, se utilizan

ampliamente en la industria de alimentos; sin embargo su fuente corriente de

extracción en forma comercial no es la tuna, sino la betarraga o remolacha de

mesa a la cual le deben el nombre. Dado que las betalaínas ya son conocidas,

aceptadas y utilizadas, se ha pensado que la tuna puede ser una fuente

alternativa para su extracción.

Hasta ahora, no existen empresas que se dediquen a su producción o que

aíslen el colorante a partir del jugo concentrado, por lo que son necesarias

posteriores investigaciones.

Las cáscaras del nopal son ricas en hidrocoloides (mucílagos) que se pueden

extraer y utilizar como espesantes en la industria alimenticia. Por otra parte, las

cáscaras de variedades rojas o púrpuras contienen gran cantidad de pigmentos

(betalaínas) y pueden ser una fuente de colorantes naturales. No se ha

explorado aún la extracción de otros pigmentos de tunas de otros colores.

(Carmen Sáenz)

Los pigmentos rojos obtenido de las raíces de remolacha (Beta vulgaris L.) han

presentado considerable interés como pigmentos naturales, pertenecientes al

grupo de las betalainas. Se ha descrito la presencia de dos grupos principales,

las Betacianinas y Betaxantinas en las raíces de remolacha (Beta vulgaris L.).

Químicamente son moléculas derivadas del ácido betalámico, solubles en

agua. En el área de los alimentos son sustituto de colorantes sintéticos, en la

elaboración de gelatina, configuras, yogurt de freza, helado de crema, cocktail

de frutas, caramelos y galletas, siendo aceptado por la comunidad económica

Europea clasificado con el código de E-162 como rojo remolacha producido por

la deshidratación y pulverización de (Beta vulgeris L.)

(Mario José Moreno Álvarez 2002)

3-0 Objetivos

3-1 Objetivo específico.

Sustituir los colorantes artificiales por colorantes naturales en bebidas de

producción comercial.

3-2 Objetivos generales.

Demostrar que los pigmentos presente en el nopal se puede utilizar como

sustituto de los colorantes sintéticos.

Determinar la estabilidad de los diferentes pigmentos una vez sean expuestos

a diferentes cambios ej: pH, temperatura, luz, oxigeno.

Evaluar la vida útil de estos pigmentos.

Determinar la composición física y química.

4-0 Revisión de literatura.

4-1 Variedades de tunas (Opuntia)

4-1-1 Opuntia ficus indica:

Es la especie más estudiada de todas las Opuntia.

Su cultivo está dedicado a la producción de sus frutos y ciertos derivados, tales

como zumos, mermeladas y frutas deshidratadas (Castellar et al. 2003).

Entre sus nombres comunes o vulgares destacan dependiendo de su origen y

distribución: Chumbera, Nopal, Tuna, Tunera, Tuna de Castilla, Tuna de

España, Tuna española, y a los frutos se les denomina como Higo Chumbo,

Higo de pala.

(Castellar et al. 2003).

4-1-2 Opuntia stricta:

Es un cactus de unos 2 metros de altura que produce unos frutos de pequeño

tamaño, piriformes y de aproximadamente 2.5 4.5 cm. Las flores son muy

vistosas, de aspecto satinado y color amarillo. Se trata de una especie invasora

en continentes como África y Australia

(Randall, 2002).

Produce concentraciones de betalaínas similares o mayores incluso que las

variedades de remolacha cultivadas para este fin.

Por lo cual se propone como recurso alternativo frente a la remolacha roja

como fuente de este pigmento, ya que posee además mejores propiedades

nutricionales y organolépticas, al concentrarse el pigmento en un fruto.

(Fernández-López et al., 2002).

Los colorantes artíllales están restringidos principalmente porque se han

detectado propiedades mutagénicas y teratogenicas, dentro de estos los rojos

son los mas restringidos. Unas de las artenativas para sustituir son el rojo # 40

y el rojo # 2, el cual es el pigmento proveniente de la cáscara de pitajaya.

(Stenocereus stellatus).

Los colorantes naturales se pueden extraer de plantas y de animales de los

cuales se están haciendo las investigaciones previas y demostrar cuales se

pueden usar en la industria alimentaría, alguna plantas que se están

analizando son: Acalifa (hojas), tamarindo (hojas), algarrobo (corteza),molle

(fruto), mamey (cáscara) con las cuales se realizaron primeramente manchas

fotoquímicas para obtener los extractos y posteriormente la identificación de los

principios activos, indicando la presencia de compuestos fenolicos, flavonoides,

taninos, antraquinonas, propio de los colorantes naturales y se procedió a

evaluar el poder tintóreo de las mismas.

(Blanca Margarita Romero Guzmán).

Tanto los colorantes naturales como los sintéticos tienen sus ventajas y

desventajas, los sintéticos presentan, menores costos de producción y mayor

estabilidad. El uso de estos aditivos se esta disminuyendo debido a su toxicidad

luego de un uso prolongado. Mientras que los aditivos naturales presentan otro

ángulo distinto, son más costosos, menos estables a la luz, no presentan

problemas de toxicidad.

Entre los pigmentos naturales de interés en la industria alimentaria están; las

betalaínas, que actualmente se reconocen como nutraceuticos, ya que se ha

evaluado su actividad antioxidantes y su beneficio potencial a la salud.

(Escribano et.. al 1998:Stintzing y carle.2004)

4-2 Las betalaínas: qué son y su presencia en la naturaleza

El término betalaínas se refiere a un grupo de aproximadamente 70 pigmentos

hidrosolubles, con estructuras de glucósidos, derivados del ácido betalámico, La

forma general de las betalaínas representa la condensación de una amina

primaria o secundaria con ácido batalámico

. Son parecidas a las antocianinas y flavonoides en apariencia visual.

Anteriormente se les llamaba antocianinas nitrogenadas. Estos pigmentos se

encuentran sólo en 10 familias de vegetales, todas pertenecientes al orden

Cariophilales: Aizoaceae, Amaranthaceae, Basellanaceae, Cactaceae,

Chenopodiaceae, Didiereaceae, Holophytaceae, Nyctaginaceae, Phytolaccaceae

y Portulaceae. También se han encontrado algunas betalaínas de origen fúngico

en el hongo venenoso Amanita muscaria. Las betalaínas, al igual que las

antocianinas, se acumulan en las vacuolas celulares de las flores, frutas y hojas

que las sintetizan, principalmente en la epidermis y la subepidermis. De las

fuentes de betalaínas, sólo la remolacha, el amaranto y las frutas de cactáceas

son productos alimentarios.

Las betalaínas son pigmentos naturales y solubles en agua de creciente interés

para la industria de los alimentos. Dotan de brillantes colores a varios tipos de

plantas y flores, pero también pueden obtenerse de fuentes comestibles como el

betabel y la pitajaya. Son un grupo de pigmentos presentes en algunas familas

del orden Centrospermae, que no tienen antocianinas. Se conocen dos tipos, las

betacianinas, de color rojo púrpura y las betaxantinas, amarillas.

Al contrario de lo que sucede en el caso de las antocianinas, el color de las

betalaínas no depende del pH. Las betacianinas mantienen su color púrpura sin

ningún cambio entre pH 4 y 7, y los cambios que se producen a pH tan

extremos como 2 ó 9 son pequeños.

Las betacianinas son el principal pigmento rojo del betabel y es el principal

componente colorante  presente en la lista de aditivos de color para alimentos

con la clave E-162.

El pigmento (betalaína) extraído de la remolacha se ha utilizado principalmente

como colorante natural por ejemplo se utiliza en la formulación de helados de

crema, yogurt de fresa, bebidas deshidratadas, bebida fría y gelatina.

(Victoria Matos et al 2001).

Este pigmento es el mismo que se encontrar en el fruto de la tuna (nopal)

(Opuntia ficus-indica)

4-3 Los colorantes y su importancia en el mundo de los alimentos.

4-3-1 Colorantes naturales

Los colorantes naturales son todas aquellas materias de origen vegetal o animal,

que contienen grupos cromóforos los cuales poseen la propiedad de colorear las

superficies a las cuales son sometidas, tal como las fibras, y grupos auxócromos

que intensifican el color

Los colorantes son sustancias de origen natural o artificial que se usan para

aumentar el color de los alimentos, ya sea por que el alimento a perdido color en

su tratamiento industrial o bien para hacerlo más agradable a la vista y más

apetecible al consumidor.

4-3-2 Colorantes artificiales.

Son aquellos colorantes obtenidos mediante un proceso químico industrial y

existen una gran cantidad de ellos, sin embargo solo algunos están aprobados

para su uso en alimento en relación con la toxicidad o inocuidad de cada uno de

ellos.

4-3-3 Clasificación de los colorantes.

Los colorantes pueden clasificarse de acuerdo a varios criterios según su origen.

Orgánicos o naturales: procedentes de plantas y animales, tales como la

clorofila, carotenos, betalaínas, flavonoides, antocianinas entre otros.

Minerales: tales como lacas, sulfato de cobre, y cromato de potasio entre

otros, estos no se usan en la industrias alimentaría porque contienes iones

metálicos.

Artificiales: estos son obtenidos por síntesis química.

De acuerdo a su solubilidad se pueden clasificar en hidrosolubles y liposolubles.

La FDA creo tres categorías para clasificar a los colores.

colorantes FD&C: certificados para el uso en alimentos, drogas y

cosméticos en general

colorantes D&C: tintes y pigmentos considerados seguro en drogas y

cosméticos ingeridos o usados en contacto con membranas mucosas.

Colorantes Ext.D&C: colorantes que, por su toxicidad oral no se usan

en productos para ingestión, pero que son considerados para el uso externo.

4-3-4 Fuentes de colorantes naturales.

Como fuentes de colorantes naturales podemos citar a las

Plantas (hojas, flores y frutos)

Insectos (grana y cochinilla) y algunas algas marinas, se pueden obtener en

forma de:

Zumo de frutas. Se usan en su forma concentrada como agente

colorantes y típicamente contienen carotenoides y antocianinas.

Extracto de gardenia. Producida por el jugo de una planta que

contiene una variedad de pigmento, incluye un carotenoide soluble y un

flavonoide.

Extracto de la piel de uva. Obtenido por extracción del residuo

producido por el prensado de las uvas durante la elaboración del vino.

Extracto de color verde que se obtiene de la espinaca y alfalfa.

4-4 Características de las betalaínas.

4-4-1 Estabilidad de las betalaínas.

La estabilidad de las betalaínas es restringida, debido a que su color se altera

por varios factores: pH, temperatura, actividad acuosa y luz; no se ha logrado la

estabilización de estos pigmentos a través de acilación o sustitución de la

molécula, aunque su estabilidad puede aumentar si se añaden antioxidantes

como ácido ascórbico, E-321 o butil-hidroxi-tolueno (BHT) y E-320 o butil-

hidroxi-anisol (BHA) (Lee et al., 1982).

4-4-2 Estabilidad de las betaxantinas .

Las betaxantinas se degradan con mayor rapidez que las betacianinas,

además, por su color amarillo en general se enmascaran con las betacianinas u

otros compuestos presentes. Todas las reacciones de degradación se aceleran

por la acción catalítica de algunos metales, principalmente el cobre.

(Huang y Von Elbe, 1986).

4-4-3 Efecto del pH

El cambio de color con el pH es, a nivel general, menos marcado que el que

presentan las antocianinas.

El color permanece inalterado en un intervalo de pH de 3 a 7; por debajo del pH

3.0 el color cambia a violeta, y su intensidad decrece. Por encima del pH 7.0, el

color es más azulado debido a un efecto batocrómico o desplazamiento hacia

el rojo. La mayor intensidad de azul se observa a un pH 9.0.

(Von Elbe y Goldman, 2000).

4-4-5 Efecto de la temperatura

Las betalaínas son muy sensibles a la temperatura. La degradación de

betalainas como betanina y vulgaxantina-I sigue una reacción de primer orden

en un intervalo de pH 3.0 a 7.0, en ausencia de oxígeno. La betanina, por otra

parte, produce isobetanina y/o betanina descarboxilada cuando se calienta a un

pH de 3.0 a 4.0. Los enlaces glucosídicos son muy sensibles a la ruptura en

altas temperaturas, así como a reacciones de oxidación, lo que iniciará una

polimerización que dará productos similares a las melaninas.

4-4-5 Efecto de radiaciones

Al igual que las antocianinas, las betalaínas son muy susceptibles a la

degradación iniciada por radiación de varios tipos: le degradación por

fotoxidación depende del pH, y ocurre con más intensidad a pH 3.0 que a 5.0

(Von Elbe et al., 2000). La radiación gamma incrementa la velocidad de

degradación de betanina, y se pierde totalmente a dosis de 100 krad.

(Saguy et al., 1984).

4-4-6 Efecto del oxígeno

La presencia de oxígeno afecta la velocidad de fotoxidación y de degradación

por temperatura; los iones metálicos (hierro, cobre, estaño, aluminio) aceleran

la oxidación en presencia de oxígeno.

(Attoe y Von Elbe, 1985)

La presencia de ácido ascórbico o α-tocoferol no protegen a las betalaínas de

la oxidación; sin embargo, el ácido cítrico y ácido etilendiaminotetraacético

(EDTA) sí la reducen (Butera et al., 2002).

4-4-7 Efecto de la actividad del agua

Son estables en productos deshidratados con una actividad de agua menor a

5.0. La betanina se vuelve más inestable a medida que se aumenta la actividad

de agua y el contenido de humedad del alimento; por esta razón, los sólidos de

remolacha deben almacenarse con la menor cantidad de agua posible y en las

condiciones más secas (Von Elbe et al., 1981).

Igualmente, en función de la actividad de agua, el oxígeno retenido en la

remolacha deshidratada puede causar modificaciones en la betanina.

(Saguy et al., 1984).

4-4-8 Acción enzimática

Otro mecanismo de decoloración de la betacianina y de la betaxantina,

particularmente en la remolacha, es por la acción enzimática que alcanza su

máximo a un pH 3.4 (Shi y Maguer, 2000), en apariencia debido a la actividad

de las peroxidasas.

5-1 Materiales y métodos

Para la extracción de este tipo de pigmento, la fruta generalmente se macera o

se muele en agua fría o a temperatura ambiente. En la mayoría de los casos es

necesario el uso de soluciones acuometanólicas o acuoetanólicas

(del 20 hasta 51 % v ∕ v) para alcanzar la extracción completa

(Piatelli., 1981)

Algunas veces, hay necesidad de realizar una fermentación aerobia del jugo

(saccharomyces cerevisiae y Aspergillus níger) para reducir los azucares y

aumentar el contenido de betacianinas.

(Pourrat et al., 1988)

En ambos procedimientos, la inactivación de las enzimas que degradan el

pigmento se realiza por un tratamiento térmico a 70 °C durante 2 minutos, sin

embargo este procedimiento podría destruir algunos pigmentos. Las

betacianinas se pueden precipitar por una ligera acidificación con acido

clorhídrico o con etanos acidificado (0.4 hasta el 1% HCL). Para la separación

de betaxantinas se puede adicionar una solución acuosa de etanol al 95 %

(Bilyk, 1979, Piatelli y Minale, 1964)

La degradación de las betanina puede ocurrir rápidamente y su destrucción

puede evitarse trabajando a bajas temperaturas y protegiéndola de la luz

(Strack et al., 1993)

A continuación se presenta una lista de los agentes químico que se usaran en

este experimento, con los cuales se determinara la estabilidad de los

pigmentos presente en el nopal y además demostrar cual es el mejor disolvente

para la extracción de los colorantes.

Agua

Metanol al 80%

Etanol 96%

Éter de petróleo

Mezcla de alcohol potasio al 20% con metanol 4:1 y éter de petróleo

2:1.

5-1-1 Materiales a usar durante el experimento.

Materiales Utensilios Aditivos Equipos

Probeta Guantes Vitamina c Balanza analítica

Termómetro Bata Metabisulfito Despulpador

Cacerola Gorro desechable Bisulfito Refractómetro

Jarra medidora Etanol 96% Peachimetro

Colador Eter de petróleo Homogenizador

Vaso de precipitado Agua

Tubos de ensayo Alcohol potasico

5-2 Ubicación del experimento

El experimento se llevara a cabo en el laboratorio de la cervecería Vegana,

S.A. Ubicada en la avenida José martín el hatico.

5-3 Obtención de la materia prima

La materia prima se obtendrá de una finca ubicada en la provincia de Neiva

Republica Dominicana.

Determinación del mejor disolvente para la extracción de los pigmentos presente el nopal.

pigmentos agua Metanol 80% Etanol 96% Eter de petróleo Mezcla alcohol potasico al 20% con metanol 4:1 y eter de petroleo 2:1

AntocianinasBetanidinaBetaxantinaBetalainaBetacianinasBetaninaBeta-carotenoClorofilaFilocactinaIndicaxantina

Referencias Bibliograficas.

Journal of Agricultural Food Chemistry. Primer pigmento natural amarillo

estable extraído de betalaínas.

Mario José Moreno Álvarez.2002. Degradación de Betalaínas en

Remolacha (Veta bulgaris L.) vol 12 # 002.

Verónica Raquel García Gutiérrez. Evolución de compuestos

funcionales

durante la maduración de frutos de Opuntia stricta. Julio 2008

Soriano Santos. Caracterización parcial del pigmento rojo del fruto de la jiotilla

revista mexicana de ingeniería química. Año 2001, vol 6.

M. R. Castellar, M.(2008) Fermentation of Opuntia stricta (Haw.)

Fruits for Betalaínas Concentration. J. Agric. Food Chem., 56, 4253–4257

Journal of Agricultural Food Chemistry .Primer pigmento amarillo hidrosoluble

natural.