Caracterización del extracto de bixina según el método de obtención a partir de la semilla de bixa orellana linn (achiote), y estudios de su estabilidad foto y sonoquímica

Abstract

Los productos químicos de origen natural siguen ofreciendo nuevas alternativas en áreas como nutrición, farmacología, generación de nuevas fuentes energéticas, control de plagas, como también en las industrias de textiles, colorantes, entre otras. Las características de dichas sustancias a nivel cualitativo y cuantitativo dependerán en gran medida del tipo de extracción y almacenamiento. Un producto con amplia aplicación industrial es el Achiote (Bixa orellana Linn), cuyo compuesto mayoritario del arilo de la semilla es un apocarotenoide llamado Z-bixina, el cual es susceptible a transformaciones isoméricas y degradaciones. En este trabajo de investigación se estudió la estabilidad del achiote durante su extracción y al ser expuesto a procesos foto y sonoquímicos. Estudios preliminares han demostrado que altas temperaturas de extracción generan transformaciones isoméricas de Z a E bixina y la degradación a productos tóxicos como m-xileno y tolueno. En el presente trabajo se analizó si esto ocurría con técnicas emergente de extracción y/o procesos foto y sonoquímicos. Se realizaron estudios con variación de la polaridad de solventes, a diferentes tiempos de exposición, estableciendo tanto el rendimiento del extracto (annatto) como el perfil fitoquímico de los pigmentos obtenidos. Los rendimientos de annatto en las técnicas emergentes fueron dependientes del solvente y tiempos de extracción. A tiempos de exposición altos (23 a 25 min)-medio (14 a 16 min) y con acetona y cloroformo los rendimientos fueron intermedios entre 14 y 10 %, comparados con metanol y tiempos bajos (7 a 8 min) donde los rendimientos disminuyeron a valores menores a 8% . El perfil fitoquímico arrojó 6 pigmentos de los cuales se identificaron Z-norbixina, E-norbixina, Z-bixina y E-bixina. El rendimiento de Z-bixina en la extracción para todos los métodos se determinó por cromatografía (UHPLC) y se correlacionó con el peso inicial de la semilla en mg/g. Para contacto directo se obtuvo un máximo de 163 mg/g en cloroformo, mientras en acetona y metanol fue de 98 y 39 mg/g, respectivamente. Con el uso de microondas el máximo fue de 79 mg/g de este mismo metabolito con cloroformo, mientras que con acetona y metanol fue de 17 y 15 mg/g, respectivamente. El ultrasonido presentó un comportamiento totalmente diferente ya que en cloroformo sólo se obtuvo 6 mg/g, mientras que para acetona y metanol se obtuvieron 60 y 63 mg/g en exposición a tiempos altos (23 a 25 min). Este bajo rendimiento se debió al XI incremento del metabolito E-bixina, obteniéndose 48 mg/g en cloroformo. Para los solventes acetona y metanol no se presentó este comportamiento, obteniendo valores de Z-bixina cercanos a 62 mg/g de semilla. También se evaluó el efecto fotoquímico de Z-bixina realizado con irradiación artificial en reactores con lámpara negra de 365 nm y lámpara blanca de 410 nm e irradiación solar. El análisis por UV-Vis mostró un cambio batocrómico y de igual manera se tuvo un cambio del perfil cromatográfico por UHPLC, esto se observó para todas las fuentes de irradiación. El análisis UHPLC del annatto no irradiado mostró una señal máxima de Z-bixina 94.4%, conforme la muestra fue sometida a irradiación este metabolito decreció e incrementó concomitantemente la E-bixina. La abundancia cromatográfica de Z-bixina decreció hasta 3.6%, mientras que el fotoproducto aumentó al 87.3% con tiempos de 540 minutos con irradiación artificial y 90 minutos con luz solar. El fotoproducto al continuar la irradiación decreció a 0% con periodos de 1200 min en luz artificial y de 120 min en solar. El seguimiento en la degradación del fotoproducto por CG-MS mostró que no se generan isoprenoides de menor magnitud como se esperaba, sino una degradación por cascada a moléculas pequeñas como CO, CO2, H2CO y HCl. El efecto del solvente orgánico clorado en la extracción y degradación de Z-bixina se evaluó en radiación ultrasónica a diferentes concentraciones y temperaturas. Se determinaron los parámetros cinéticos: orden de reacción (n), constante de velocidad (k) y energía de activación (Ea). Para el modelo aplicado se logró establecer que la elaidinización y degradación de Z-bixina es de orden 1 en diclorometano y cloroformo, mientras que en tetracloruro de carbono presenta muy baja elaidinización y degradación a moléculas de menor magnitud. También se comparó el efecto en un solvente orgánico no clorado, acetonitrilo, determinando que no hay elaidinización ni degradación para los mismos tiempos de irradiación.

Chemical products of natural origin continue to offer new alternatives in areas such as nutrition, pharmacology, generation of new energy sources, pest control, as well as in the textile and dye industries, among others. The characteristics of these substances at a qualitative and quantitative level will depend to a large extent on the type of extraction and storage. A product with wide industrial application is annatto (Bixa orellana Linn), whose major compound of the seed aril is an apocarotenoid called Z-bixin, which is susceptible to isomeric transformations and degradation. In this research work, the stability of the achiote during its extraction and when exposed to photo and sonochemical processes was studied. Preliminary studies have shown that high extraction temperatures generate isomeric transformations of Z to E bixin and degradation to toxic products such as m-xylene and toluene. In the present work, it was analyzed if this occurred with emergent extraction techniques and/or photo and sonochemical processes. Studies were carried out with variation of the polarity of solvents, at different exposure times, establishing both the yield of the extract (annatto) and the phytochemical profile of the pigments obtained. The annatto yields in the emerging techniques were dependent on the solvent and extraction times. At high exposure times (23 to 25 min), medium (14 to 16 min), and with acetone and chloroform, the yields were intermediate, between 14 and 10 %, compared to methanol and low times (7 to 8 min), where the yields decreased to values less than 8%. The phytochemical profile yielded 6 pigments of which Z-norbixin, E-norbixin, Z-bixin and E-bixin were identified. The Z-bixin yield in the extraction for all methods was determined by chromatography (UHPLC) and correlated with the initial seed weight in mg/g. For direct contact, a maximum of 163 mg/g was obtained in chloroform, while in acetone and methanol it was 98 and 39 mg/g, respectively. With the use of microwaves, the maximum was 79 mg/g of this same metabolite with chloroform, while with acetone and methanol it was 17 and 15 mg/g, respectively. The ultrasound presented a totally different behavior since in chloroform only 6 mg/g was obtained, while for acetone and methanol 60 and 63 mg/g were obtained in exposure at high times (23 to 25 min). This low yield was due to the increase in the metabolite E-bixin, obtaining 48 mg/g in XIII chloroform. For the acetone and methanol solvents, this behavior was different, obtaining Z-bixin values close to 62 mg/g of seed. The photochemical effect of Z-bixin performed with artificial irradiation in reactors with 365 nm black lamp and 410 nm white lamp and solar irradiation was also evaluated. The UV-Vis analysis showed a bathochromic change and in the same way there was a change in the chromatographic profile by UHPLC, this was observed for all irradiation sources. UHPLC analysis of non-irradiated annatto showed a maximum signal of Z-bixin 94.4%, as the sample was subjected to irradiation this metabolite decreased and E-bixin increased concomitantly. The chromatographic abundance of Z-bixin decreased to 3.6%, while the photoproduct increased to 87.3% with times of 540 minutes with artificial irradiation and 90 minutes with sunlight. The photoproduct by continuing the irradiation decreased to 0% with periods of 1200 min in artificial light and 120 min in sunlight. Follow-up on the degradation of the photoproduct by CG-MS showed that isoprenoids of lesser magnitude are not generated as expected, but rather a cascading degradation to small molecules such as CO, CO2, H2CO and HCl was observed. The effect of the chlorinated organic solvent on the extraction and degradation of Z-bixin was evaluated under ultrasonic radiation at different concentrations and temperatures. The kinetic paramete were determined: reaction order (n), rate constant (k) and activation energy (Ea). For the applied model, it was possible to establish that the elaidinization and degradation of Z-bixin is of order 1 in dichloromethane and chloroform, while in carbon tetrachloride it presents very low elaidinization and degradation to smaller molecules. The effect was also compared in a non-chlorinated organic solvent, acetonitrile, determining that there is no elaidinization or degradation for the same irradiation times.