UNIVERSIDAD CENTRAL DE ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS … · 2019-09-25 · Yo, Adriana Estefanía...
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UNIVERSIDAD CENTRAL DE ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS CARRERA DE QUÍMICA Evaluación de estabilidad de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum), encapsulada en β-ciclodextrina; para uso como colorante. Trabajo de investigación presentado como requisito previo a la obtención del título de: QUÍMICO AUTORA: Chamba Figueroa Adriana Estefanía TUTORA: PhD. Martha Azucena Suárez Heredia Quito, 2019
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UNIVERSIDAD CENTRAL DE ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
CARRERA DE QUÍMICA
Evaluación de estabilidad de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum),
encapsulada en β-ciclodextrina; para uso como colorante.
Trabajo de investigación presentado como requisito previo a la obtención del título de:
QUÍMICO
AUTORA: Chamba Figueroa Adriana Estefanía
TUTORA: PhD. Martha Azucena Suárez Heredia
Quito, 2019
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Derechos de Autor
Yo, Adriana Estefanía Chamba Figueroa en calidad de autor y titular de los derechos
morales y patrimoniales del trabajo de titulación “Evaluación de estabilidad de la
oleorresina de pimiento (Capsicum annuum), encapsulada en β-ciclodextrina; para
uso como colorante”, modalidad proyecto de investigación, de conformidad con el Art.
114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS
CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, concedo a favor de la
Universidad Central del Ecuador una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para
el uso no comercial de la obra, con fines estrictamente académicos. Conservo a mi favor
todos los derechos de autor sobre la obra, establecidos en la normativa citada.
Así mismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de
conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de
expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad por
cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la Universidad
de toda responsabilidad.
Firma:
Adriana Estefanía Chamba Figueroa
CC: 1723252993
Dirección electrónica: [email protected]
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Constancia de Aprobación del tutor
Yo, Martha Azucena Suárez Heredia, en calidad de tutor del trabajo de investigación
titulado: “Evaluación de estabilidad de la oleorresina de pimiento (Capsicum
annuum), encapsulada en β-ciclodextrina; para uso como colorante” elaborado por
la estudiante Adriana Estefanía Chamba Figueroa con C.C. 1723252993 de la Carrera de
Química, Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Central del Ecuador,
considero que el mismo reúne los requisitos y méritos necesarios en el campo
metodológico y en el campo epistemológico, por lo que lo APRUEBO, a fin de que sea
sometido a la evaluación por parte del tribunal calificador que se designe.
En la ciudad de Quito, a los 7 días del mes de agosto de 2019
______________________________
PhD. Martha Azucena Suárez Heredia
C.C. 1707242838
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Constancia de Aprobación del Trabajo Final por el Tribunal
El Tribunal constituido por: MSc. Susana López, Dra. Consuelo Andrade y PhD. Martha
Suárez, luego de revisar el trabajo de investigación titulado: “Evaluación de estabilidad
de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum), encapsulada en β-ciclodextrina;
para uso como colorante”, previo a la obtención del título (o grado académico) de
Químico presentado por la señorita Adriana Estefanía Chamba Figueroa APRUEBA el
trabajo presentado.
Para constancia de lo actuado firman:
_______________________
MSc. Susana López
CC: 1704814373
_______________________
Dra. Consuelo Andrade
CC: 1001057650
_______________________
PhD. Martha Suárez Heredia
C.C. 1707242838
v
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Lugar donde se realizó la investigación
La presente investigación que tiene como título “Evaluación de estabilidad de la
oleorresina de pimiento (Capsicum annuum), encapsulada en β-ciclodextrina; para
uso como colorante”, se ejecutó en el Laboratorio de Productos Naturales y Laboratorio
de Nanoestructuras del Instituto de Posgrado de la Facultad de Ciencias Químicas de la
Universidad Central del Ecuador. Los laboratorios facilitaron reactivos, equipos,
estándares e insumos necesarios para el desarrollo de la investigación. El trabajo de
titulación es parte del proyecto de Investigación Avanzado “Estudio de colorantes
naturales y desarrollo de formas estables con aplicación en la industria alimenticia y
cosmética”
vi
Dedicatoria
A mis padres Iván y Guadalupe que
me enseñaron que con esfuerzo
puedo lograr mis metas.
A mis hermanas Diana y Gabriela
por su apoyo y cariño incondicional.
A mis queridos abuelitos que se
encuentran a lado de Dios, Neptalí y
Carlos siempre serán mi fuente de
inspiración.
vii
Agradecimientos
Agradezco a Dios por darme la fuerza para llegar a culminar esta etapa de mi
vida, además por permitirme encontrar personas maravillosas.
A mi padre Iván por ser esa persona que llena de alegría mi vida, gracias por
apoyarme en mis sueños y enseñarme el camino de Dios.
A mi madre Guadalupe gracias por guiarme en cada paso de mi vida, por ser más
que una madre una amiga que me brinda su confianza y amor.
A mis queridas hermanas Diana y Gabriela por cada travesura compartida, por su
apoyo sobre todo en los momentos más difíciles.
A toda mi familia por ser personas incondicionales conmigo y acompañarme en
cada momento de mi vida especialmente a mí querida abuelita Luisa por ser mi segunda
madre y mostrarte que el verdadero amor existe.
Un agradecimiento especial a la PhD. Martha Suárez por su apoyo incondicional
en el desarrollo de este trabajo de investigación, además por ser fuente de inspiración en
el avance de la Química.
A mis amigos María Judith, Liliana, Kevin, David, Martín por cada risa
compartida, noches de desvelo, momentos difíciles durante la carrera, gracias por
demostrar una amistad sincera.
viii
Índice de contenidos
Derechos de Autor ................................................................................................ii
Constancia de Aprobación del tutor ................................................................... iii
Constancia de Aprobación del Trabajo Final por el Tribunal ............................. iv
Lugar donde se realizó la investigación................................................................ v
Dedicatoria ........................................................................................................... vi
Agradecimientos .................................................................................................vii
Índice de contenidos ......................................................................................... viii
Índice de tablas ..................................................................................................... x
Índice de gráficos ................................................................................................. xi
Índice de figuras .................................................................................................xii
Índice de ecuaciones ......................................................................................... xiii
Índice de anexos ................................................................................................ xiv
Glosario............................................................................................................... xv
Resumen ............................................................................................................ xvi
Abstract .............................................................................................................xvii
Introducción .......................................................................................................... 1
Capítulo I .............................................................................................................. 2
El problema ....................................................................................................... 2
Planteamiento del problema. ........................................................................ 2
Formulación del problema. ........................................................................... 3
Preguntas directrices. .................................................................................... 3
Objetivos. ...................................................................................................... 3
Objetivo general.................................................................................................... 3
Objetivos específicos. ........................................................................................... 3
Importancia y Justificación. .......................................................................... 4
Capítulo II ............................................................................................................. 6
Marco referencial .............................................................................................. 6
Oleorresina de pimiento (Capsicum annuum). ..................................................... 7
Carotenoides. ........................................................................................................ 9
Encapsulación. .................................................................................................... 14
Estabilidad por almacenamiento. ........................................................................ 17
ix
Cinética de degradación para estudio de estabilidad. ......................................... 17
Tratamiento a la muestra. ................................................................................... 18
Extracción Söxhlet. ............................................................................................. 19
Espectrofotometría Ultravioleta-visible.............................................................. 20
Solubilidad. ......................................................................................................... 20
Calorimetría de barrido diferencial (DSC). ........................................................ 20
Espectroscopia infrarroja con transformadas de Fourier. ................................... 20
Dispersión dinámica de la luz (DLS).................................................................. 21
Índice de polidispersión. ..................................................................................... 21
Potencial Z. ......................................................................................................... 21
Hipótesis alternativa (Hi). ................................................................................... 22
Hipótesis Nula (Ho). ........................................................................................... 22
Variable dependiente o respuesta. ...................................................................... 22
Variables independientes. ................................................................................... 22
Capítulo III.......................................................................................................... 23
Marco metodológico ....................................................................................... 23
Muestra. .............................................................................................................. 23
Métodos y materiales. ......................................................................................... 23
Método. ............................................................................................................... 24
Capítulo IV ......................................................................................................... 31
Análisis y discusión de resultados .................................................................. 31
Muestra. .............................................................................................................. 31
Encapsulación de la oleorresina.......................................................................... 31
Solubilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina. ....................................... 37
Análisis térmico. ................................................................................................. 38
Análisis por espectroscopia infrarroja con transformadas de Fourier. ............... 40
Tamaño de partícula, polidispersión. .................................................................. 41
Potencial Z. ......................................................................................................... 41
Estabilidad de almacenamiento. ......................................................................... 42
Validez de la hipótesis de trabajo. ...................................................................... 48
Capítulo V ........................................................................................................... 49
Conclusiones y recomendaciones ................................................................... 49
Bibliografía ......................................................................................................... 51
x
Anexos ................................................................................................................ 57
Índice de tablas
Tabla 1 Composición química de la oleorresina de pimiento .............................. 8
Tabla 2 Distribución del contenido de carotenoides en alimentos representativos
expresados en µg/100g ....................................................................................... 11
Tabla 3 Métodos de encapsulación ..................................................................... 15
Tabla 4 Materiales encapsulantes ....................................................................... 16
Tabla 5 Ecuaciones cinéticas de reacción. .......................................................... 18
Tabla 6 Ecuaciones de tiempo de vida media. .................................................... 18
Tabla 7. Materiales y equipos ............................................................................. 24
Tabla 8. Reactivos .............................................................................................. 24
Tabla 9 Factores experimentales del proceso de encapsulación. ........................ 25
Tabla 10 Condiciones de almacenamiento ......................................................... 27
Tabla 11 Codificación de niveles por factor ...................................................... 28
Tabla 12 Matriz de experimentos aleatorizada ................................................... 29
Tabla 13 Matriz Operacionalización de variables .............................................. 29
Tabla 14 Algoritmo de Yates .............................................................................. 30
Tabla 15 Resultados de la eficiencia de encapsulación del diseño factorial 23 .. 32
Tabla 16 Estimación de los efectos por algoritmo de Yates ............................... 32
Tabla 17 Efectos que se produce en la eficiencia de encapsulación ................... 33
Tabla 18 Significancia estadística de los efectos en la eficiencia encapsulación
............................................................................................................................ 33
Tabla 19 Significancia estadística ...................................................................... 34
Tabla 20 Solubilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina ......................... 37
Tabla 21 Tamaño de partícula e índice de polidispersión .................................. 41
Tabla 22 Estabilidad a condiciones de estrés y sin protección de la luz. ........... 42
Tabla 23 Estabilidad a condiciones ambientales y sin protección de la luz ....... 43
Tabla 24 Estabilidad a condiciones de estrés y con protección de la luz ........... 44
Tabla 25 Estabilidad a condiciones ambientales y con protección de la luz ...... 46
Tabla 26 Cinética de la estabilidad de la oleorresina y del complejo oleorresina-
β-ciclodextrina .................................................................................................... 47
Tabla 27 Tiempo de vida media de la oleorresina y complejo de oleorresina-β-
ciclodextrina ....................................................................................................... 47
Tabla 28 Formulación preliminar de crema de uso cosmético ........................... 50
xi
Índice de gráficos
Gráfica 1 Curva de calibración con estándar secundario de β-caroteno Sigma-
Aldrich, CAS 7235-40-7 en hexano grado analítico. ......................................... 31
Gráfica 2 Curva de solubilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina ......... 37
Gráfica 3 Estabilidad a condiciones de estrés y sin protección de la luz. .......... 43
Gráfica 4 Estabilidad a condiciones ambientales sin protección de la luz ......... 44
Gráfica 5 Estabilidad en condiciones de estrés y con protección de la luz ........ 45
Gráfica 6 Estabilidad a condiciones ambientales con protección de la luz ........ 46
xii
Índice de figuras
Figura 1 Oleorresina de pimiento ......................................................................... 7
Figura 2 Estructura carotenoide ............................................................................ 9
Figura 3 Estructura química de los pigmentos carotenoides habitualmente
presentes en nuestra dieta y de mayor relevancia nutri-funcional. ..................... 10
Figura 4 Ejemplo de carotenoide ácido bixina ................................................... 12
Figura 5 Espectro de absorción de β-caroteno .................................................... 13
Figura 6 Vitamina A y su derivación del β-caroteno. ........................................ 14
Figura 7 Estructura de la β-ciclodextrina ........................................................... 17
Figura 8 Equipo Söxhlet ..................................................................................... 19
Figura 9 Pimiento (Capsicum annuum) en estado de madurez. ......................... 31
Figura 10 Diagrama de Pareto de efectos estimados para la eficiencia de
encapsulación. ..................................................................................................... 34
Figura 11 Diagrama del efecto de tiempo de agitación en la eficiencia de
encapsulación. ..................................................................................................... 35
Figura 12 Ruptura del equilibrio al superar el tiempo de agitación. .................. 35
Figura 13 Diagrama del efecto de interacción entre el tiempo de agitación y
volumen de oleorresina. ...................................................................................... 36
Figura 14 Influencia de la velocidad de agitación en el flujo ............................. 36
Figura 15 Solubilidad a 40°C. ............................................................................ 38
Figura 16 Termograma de oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) .......... 38
Figura 17 Termograma de β-ciclodextrina Sigma-Aldrich, CAS 7585-39-9 ..... 39
Figura 18 Termograma del complejo oleorresina-β-ciclodextrina .................... 39
Figura 19 Espectro IR de β-ciclodextrina Sigma-Aldrich, CAS 7585-39-9 ....... 40
Figura 20 Espectro IR del complejo oleorresina- β-ciclodextrina ...................... 40
xiii
Índice de ecuaciones
Ecuación 1 Stokes-Einstein ................................................................................ 21
Ecuación 2 Eficiencia de encapsulación expresada en porcentaje ..................... 26
Ecuación 3 Solubilidad (g/L) .............................................................................. 26
Ecuación 4 Significancia estadística ................................................................... 30
Ecuación 5 Error estándar del efecto .................................................................. 30
Ecuación 6 Modelo matemático para determinar la eficiencia de encapsulación.
............................................................................................................................ 37
xiv
Índice de anexos
Anexo A Árbol de problemas ............................................................................. 57
Anexo B Categorización de variables................................................................. 58
Anexo C Instrumentos de recolección de datos .................................................. 59
Anexo D Fotografías del trabajo de investigación ............................................. 62
xv
Glosario
ORP Oleorresina de pimiento
DSC Calorimetría de barrido diferencial
DLS Dispersión de luz dinámica
FT-IR Espectroscopia infrarrojo con transformadas de Fourier
UV-Vis Espectrofotometría ultravioleta-visible
TGA Análisis termogravimétrico
t Tiempo de agitación en minutos
V Volumen de oleorresina de pimiento en mililitros
A Velocidad de agitación en revoluciones por minuto
EF Eficiencia de encapsulación
xvi
“Evaluación de estabilidad de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum),
encapsulada en β-ciclodextrina; para uso como colorante”
Autora: Chamba Adriana
Tutora: Suárez Heredia Martha
Resumen
La oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) contiene fundamentalmente
carotenoides, capsaicinoides y algunas vitaminas; al contener carotenoides limita su
aplicación como colorante natural debido a su falta de estabilidad. En este estudio se
evaluó la estabilidad de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) encapsulada en
β-ciclodextrina, para uso como colorante natural. La oleorresina del pimiento (Capsicum
annuum) fue sometida a un proceso de encapsulación en 𝛽-ciclodextrina aplicando el
método de coprecipitación, dónde se determinó mediante un diseño factorial 23, que al
trabajar con: 800rmp, 40 minutos de agitación y 3mL de oleorresina se maximiza la
eficiencia de encapsulación al 99,07%. Se estableció mediante gravimetría que a 40°C la
solubilidad del complejo de oleorresina-β-ciclodextrina es de 0,788g/L±0,313g/L. El
complejo oleorresina-β-ciclodextrina presentó estabilidad térmica al no presentar picos
alrededor de 134,49°C en el termograma realizado por calorimetría de barrido
diferencial; estabilidad electrostática con un potencial Z de -36,4±1,4 mV y estabilidad
de almacenamiento donde se evidenció un tiempo de vida media para la oleorresina de
alrededor del día 18 o 19, en cambio el complejo de oleorresina-β-ciclodextrina aumenta
su tiempo de vida media, incluso se observó que en condiciones de estrés a 39,66°C y
con protección a la luz va alcanzar un tiempo de vida media de 50 días.
Palabras claves: PIMIENTO, OLEORRESINA, 𝛽-CICLODEXTRINA,
ENCAPSULACIÓN, COMPLEJO, ESTABILIDAD.
xvii
Evaluation of stability of pepper oleoresin (Capsicum annuum), encapsulated in β-
cyclodextrin; for use as a colorant
Author: Chamba Adriana
Tutor: Suárez Heredia Martha
Abstract
Pepper oleoresin (Capsicum annuum) contains mainly carotenoids, capsaicinoids and
some vitamins; as it contains carotenoids, it limits its application as a natural dye due to
its lack of stability. This study evaluated the stability of the pepper oleoresin (Capsicum
annuum) encapsulated in β-cyclodextrin, for use as a natural dye. The pepper oleoresin
(Capsicum annuum) was subjected to an encapsulation process in β-cyclodextrin
applying the coprecipitation method, where it was determined by means of a factorial
design 23, which when working with: 800rmp, 40 minutes of agitation and 3mL of
oleoresin maximizes the encapsulation efficiency at 99.07%. It was established by
gravimetry that at 40°C the solubility of the oleoresin-β-cyclodextrin complex is
0.788g/L±0.313g/L. The oleoresin-β-cyclodextrin complex presented thermal stability as
it did not present peaks around 134.49°C in the thermometer performed by differential
scanning calorimetry; electrostatic stability with a Z potential of -36.4±1.4 mV and
storage stability where a half-life time for oleoresin of around day 18 or 19 was
evidenced, whereas the oleoresin complex-β-cyclodextrin increases its half-life time, it
was even observed that under stress conditions at 39.66°C and with light protection it
will reach a half-life time of 50 days.
Keywords: PEPPER, OLEORESIN, Β-CYCLODEXTRIN, ENCAPSULATION,
COMPLEX, STABILITY.
1
Introducción
La oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) contiene fundamentalmente
carotenoides, capsaicinoides y algunas vitaminas; al contener carotenoides limita su
aplicación como colorante natural debido a su falta de estabilidad. Una posible alternativa
es la encapsulación por lo tanto se evaluó la estabilidad de la oleorresina de pimiento
(Capsicum annuum), encapsulada en β-ciclodextrina; para uso como colorante, para lo
cual se identificaron las condiciones óptimas para maximizar la eficiencia de
encapsulación.
El contenido del trabajo de investigación consta de cinco capítulos detallados a
continuación:
El capítulo I; se describe el planteamiento del problema y formulación del
problema en donde se buscó conceptualizar y limitar el tema de investigación, además se
planteó las preguntas directrices necesarias para diferenciar los objetivos de la
investigación, y justificar el problema.
El capítulo II, se describe los antecedentes a este estudio que han sido
desarrollados y que se utilizaron como base para la ejecución del mismo. Además,
incluye el fundamento teórico, que sustentan el trabajo de investigación. También se
conceptualizaron las variables y se planteó las posibles respuestas al problema.
El Capítulo III corresponde al marco metodológico que muestra el diseño
experimental, variables y consideraciones estadísticas para el análisis de dato de la
ejecución de la parte experimental
El Capítulo IV, corresponde al análisis de resultados que se obtuvo de la parte
experimental y sus respectivas discusiones.
El Capítulo V se desarrolló las conclusiones respectivas del trabajo de
investigación y recomendaciones que se podrían utilizar en estudios posteriores en la
misma línea de investigación.
2
Capítulo I
El problema
Planteamiento del problema.
El color es una impresión sensorial por la cual el ser humano se encuentra
influenciado ya sea por su valor estético o como medio de identificación es por ello que
en productos alimenticios, cosméticos y medicamentos se incluye un colorante para
mejorar su apariencia física. En el caso de los medicamentos incorporar un colorante en
su formulación genera una gran aceptación en pacientes pediátricos (Suárez, Barbosa,
Pinzón, & Barreto, 2007), lo mismo sucede con los alimentos que recurren a la adición
de colorantes para resaltar, recuperar o uniformar su color original o simplemente para
hacerlo más atractivo. En el mercado existen dos tipos de colorantes, los naturales y
sintéticos, las industrias se ven inclinadas al uso de colorantes sintéticos que poseen
mejores propiedades en disolución en medios acuosos, una amplia gama de colores,
resistencia a tratamientos propios del proceso de fabricación, además son más
económicos que los naturales (Parra & Martínez, 2004).
En la actualidad la industria busca ofrecer a sus consumidores un producto de
mayor calidad, estabilidad y sobre todo saludable es por eso que representa un gran reto
la implementación de colorantes naturales como alternativa al uso de colorantes
sintéticos. Incorporar en las formulaciones alimenticias o farmacéuticas colorantes
naturales produce beneficios debido a que no producen daños en la salud y pueden ser
una opción para reducir los efectos cancerígenos a nivel mundial, debido a la capacidad
antioxidante que presentan (Mínguez, Pérez, & Hornero, 2005).
Ecuador cuenta con una variedad de especies vegetales que pueden ser fuente de
colorantes naturales, uno de ellos es el pimiento (Capsicum annuum) que ha
incrementado consumo en los últimos años, debido a sus tres presentaciones en el
mercado: fruto fresco, en polvo y oleorresina (Jiménez & Iza, 2018). La utilización de la
oleorresina del pimento como colorante es limitada tanto por su solubilidad en medios
apolares como por su poca estabilidad debido a la presencia de carotenoides en su
composición. Los carotenoides son pigmentos liposolubles responsables de la mayoría
de los colores amarillos, anaranjados y rojos de frutos y verduras que en estado natural
son estables sin embargo cuando son sometidos a procesos de extracción en disolución
con aceites o en disolventes orgánicos se vuelven muchos más lábiles debido a factores
que influyen en su degradación como por ejemplo estructura del carotenoide, exposición
a la luz, actividad del agua, temperatura, presencia de oxidantes (Meléndez, Vicario, &
Heredia, 2004a).
La falta de estabilidad de la oleorresina de pimiento implica que las industrias,
para otorgar la coloración de la gama del amarillo al anaranjado, utilicen tartrazina que
es uno de los colorantes sintéticos que más reacciones alérgicas produce y podría dejar
residuos de sustancias cancerígenas. A partir del 2010, en caso de los alimentos se normó
3
que todos los productos que contengan este colorante deben llevar la advertencia: “puede
alterar la actividad y la atención en niños”. Algunos de los alimentos que contienen este
tipo de colorante son refrescos en polvo, dulces, helados, gelatinas, snacks, aperitivos,
salsas, condimentos, entre otros (Rocío, 2013). Lo mismo sucede en la industria
farmacéutica que utiliza este colorante en comprimidos, jarabes a base de hierro y
complejo B (González, 2015).
Debido a estos antecedentes, es deseable que el uso de colorantes sintéticos sea
observado y se ponga énfasis en la necesidad de investigar alternativas de origen natural.
Es por eso que se planteó resolver el problema de estabilidad de la oleorresina del
pimiento (Capsicum annuum) a través de un proceso de encapsulación en una matriz de
𝛽-ciclodextrina. Este tipo de matriz presenta una cavidad interna de carácter hidrófobo
y una superficie externa de carácter hidrofílico lo que facilitaría la formación de un
complejo de inclusión oleorresina-𝛽-ciclodextrina (G. Martínez & Gómez, 2007). Este
complejo podría ser potencialmente utilizado en aplicaciones en productos alimenticios
y farmacéuticos con menos riesgos para la salud que los colorantes sintéticos.
Formulación del problema.
Los parámetros del proceso de encapsulación de la oleorresina pimiento
(Capsicum annuum) en β-ciclodextrina, influyen en la eficiencia de encapsulación y
estabilidad de la oleorresina.
Preguntas directrices.
¿Qué método permite extraer la oleorresina de pimiento (Capsicum
annuum)?
¿Cómo se puede encapsular la oleorresina de pimiento (Capsicum
annuum) en una matriz de β-ciclodextrina?
¿De qué manera se puede determinar la eficiencia de encapsulación de la
oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) en una matriz de β-
ciclodextrina?
¿De qué forma se puede evaluar la estabilidad del complejo oleorresina-
β-ciclodextrina?
¿Cómo se puede determinar la solubilidad del complejo la oleorresina-β-
ciclodextrina?
Objetivos.
Objetivo general.
Evaluar la estabilidad de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum)
encapsulada en β-ciclodextrina, para uso como colorante.
Objetivos específicos.
Extraer la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) por el método
Söxhlet.
4
Encapsular la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) en β-ciclodextrina
por el método de coprecipitación.
Determinar la eficiencia de encapsulación de oleorresina de pimiento
(Capsicum annuum) mediante la cuantificación de carotenoides totales
expresados como β-caroteno por espectrofotometría ultravioleta-visible.
Evaluar la estabilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina por
espectrofotometría ultravioleta-visible.
Determinar la solubilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina en agua
a través del método gravimétrico a diferentes temperaturas.
Importancia y Justificación.
En la actualidad existe una tasa de crecimiento del 8% en la demanda de
colorantes naturales prevista hasta el año 2022, la misma que en el mercado representa
más de $3500 millones (Gaete, 2017). Este crecimiento se centra en el interés del
consumidor debido a que el uso de los colorantes sintéticos es considerado tóxico. Un
ejemplo son los colorantes que provienen de azoderivados, que son causantes de
enfermedades cardiovasculares, respiratorias, diabetes y cáncer y que su consumo ha ido
en aumento en los últimos años a nivel mundial. De acuerdo a la Organización Mundial
de la Salud (OMS) se estima que para el 2020 el 75% de las muertes en el mundo serán
por causa de este tipo de enfermedades (Gómez, 2011).
El consumo de productos ricos en antioxidantes y vitaminas es una alternativa
para reducir la problemática en la salud humana; de ahí nace la importancia del uso de la
oleorresina del pimento (Capsicum annuum) debido a que de ella se obtienen las más
altas concentraciones de carotenoides derivados de fuentes vegetales, especialmente de
β-caroteno (2,220 μg/100g de porción comestible) que son compuestos con carácter
antioxidante y además poseen mayor contenido de vitamina C (81mg/100g de porción
comestible) que aporta con el 135% de las ingestas recomendadas en comparación con
la naranja que aporta con el 130% (Jiménez & Iza, 2018).
En Ecuador se estima que se siembran alrededor de 1420 ha de pimiento, con una
producción que bordea las 6955 toneladas y un rendimiento promedio de 4,58 t/ha
(Jiménez & Iza, 2018). La provincia de Manabí ocupa el primer lugar en producción con
el 26%, le sigue la provincia de Santa Elena con 25% y Loja con 22%; siendo un aporte
importante en el sector agrícola. Esta producción permitiría que el pimiento no solo sea
aprovechado como fruto fresco, sino también como colorante en la industria alimenticia
o farmacéutica (Villacís & Mastrocola, 2018).
La utilización de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) sería una
alternativa muy factible para que las industrias disminuyan el uso de colorantes sintéticos
en sus productos, debido a que este tipo de oleorresina presenta propiedades
nutricionales, farmacológicas y colorantes (Cardona et al., 2006). Sin embargo para
incorporar a la oleorresina de pimiento como colorante, es fundamental que se trate de
mejorar su estabilidad y solubilidad en medios acuosos; debido a que la presencia de
carotenoides en su composición química, afectan su estabilidad a la luz, temperatura y
5
oxidación.
Al encapsular la oleorresina en β-ciclodextrina se otorgará al colorante natural un
valor agregado. Los componentes apolares de la oleorresina de pimiento al ser incluidos
en una matriz de superficie polar, favorecerá su solubilidad en agua; por lo tanto el
colorante podría ser aplicado en productos de carácter hidrofílico y no solo en productos
hidrófobos. Actualmente el uso de la oleorresina de pimiento es limitado, únicamente se
utiliza 10 mg/kg de oleorresina dispersos en aceites comestibles, alcohol benzílico,
dextrosa, lecitina y sales, como parte de formulaciones alimenticias (Fernández, 2007).
El presente estudio se enfoca en el proceso de encapsulación de oleorresina de
pimiento (Capsicum annuum) en β-ciclodextrina, para determinar la estabilidad y
solubilidad de la oleorresina de pimento (Capsicum annuum) como parte del complejo
de inclusión, resultados que permitirán conocer si es posible aplicar en una formulación
alimenticia o farmacéutica.
6
Capítulo II
Marco referencial
Antecedentes.
La oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) contiene fundamentalmente
carotenoides, capsaicinoides y algunas vitaminas. Al ser una fase apolar se limita su
aplicación como colorante natural; en la industria se encuentra dispersa en aceites
comestibles, alcohol bencílico, dextrosa, lecitina y sales (Fernández, 2007). La
estabilidad de la mezcla de componentes, se ve afectada por la exposición a la luz,
actividad del agua, temperatura y presencia de oxidantes (Meléndez et al., 2004a).
Una alternativa para mejorar las propiedades de la oleorresina de pimiento sería
un proceso de encapsulación. Se han realizado estudios para encapsular compuestos
hidrofóbicos en diversas matrices aplicando métodos de encapsulación que se detallan a
continuación:
Garzón, Londoño, Hurtado, Cardona y Rincón en el año 2013 evaluaron la
efectividad, en términos de la capacidad colorante sobre un chorizo, de la oleorresina de
pimiento (ORP) obtenida por fluidos supercríticos, comparada con la ORP
microecapsulada por spray-drying. En el proceso de microencapsulación se utilizó 40g
de ORP con una mezcla de encapsulantes compuesta por 25% de maltodextrina (10
equivalentes dextrosa) y 75% de almidón modificado, en una relación 1:10 ORP:
encapsulantes, respectivamente. (Garzón, Londoño, Hurtado, Cardona, & Rincón, 2013).
Otro estudio que se tomó como referencia es el de Alzate, Ceballos, López,
Caicedo y Cano Salazar en el año 2013, acerca de la obtención del complejo
ciclodextrina-curcumina y su uso como reemplazante de tartrazina. Se desarrollaron tres
experimentos; el primero estudió el efecto de la concentración y tipo de solvente sobre
la absorción de la curcumina, en el siguiente experimento se determinó la asociación y
relación estequiométrica entre la curcumina y dos ciclodextrinas:β-ciclodextrina (β-CD)
y γ-ciclodextrina (γ-CD) y en el último se estudió los métodos de mezcla física y
coprecipitación para obtener el complejo curcumina-ciclodextrina, la eficiencia se
analizó por calorimetría de barrido diferencial (DSC). Se determinó en esta investigación
que la curcumina forma complejos de inclusión en presencia de β-CD y γ-CD en
solución. La solubilidad de curcumina es más efectiva en γ-CD, además la asociación de
ambas ciclodextrinas es de 1:1, indicando que es más fuerte con γ-CD. El análisis de
DSC muestra que los complejos de inclusión por mezcla física y coprecipitación se
formaron. Sin embargo, para efectos de solubilidad, es más recomendable utilizar el
método de coprecipitación, dado que hay una prehidratación. (Alzate Ceballos, López, Caicedo, &
Cano, 2013)
Así mismo en la revista de Bioengineering en el 2017, Kotronia y colaborares
estudiaron la encapsulación de aceite esencial del Orégano (Origanum onites L.) en β-
ciclodextrina utilizando el método de coprecipitación. Se aplicó una relación 20:80 p/p
7
de aceite esencial-ciclodextrina a temperatura ambiente. La caracterización del complejo
se realizó por dispersión de luz dinámica (DLS), espectroscopia FT-IR, calorimetría de
barrido diferencial (DSC), análisis termogravimétrico (TGA), espectroscopía de
resonancia magnética nuclear (NMR) y escaneo Microscopía Electrónica (SEM). La
espectrofotometría UV-Vis se utilizó para la determinación de la eficacia de inclusión la
misma que fue del 26%. (Kotronia et al., 2017)
La encapsulación de los aceites esenciales de citral (cymbopogon citratus) en β-
ciclodextrinas usando CO2 supercrítico, fue estudiada por Restrepo, Vinasco, Jaramillo,
& Colmenares en 2009. Se estudió la variación de temperatura (313,15; 323,15; 333,15
K) y presión (172,32; 206,78 y 241,25 bar) para obtener un porcentaje de eficiencia de
encapsulación alto. Se determinó que las condiciones óptimas de encapsulamiento son
de presión: 241,25 bar y temperatura: 313,15K, para estas condiciones se obtuvo un
porcentaje de eficiencia de 48,9%. El complejo formado se evaluó mediante
cromatografía de gases, espectroscopia FT-IR y espectrofotometría UV-Vis. (J. Restrepo,
Vinasco, Jaramillo, & Colmenares, 2009)
En la Universidad Pontificia Católica del Perú en el 2016 Centurión y Kong
realizaron la caracterización fisicoquímica del complejo de fenbendazol y β-ciclodextrina
en solución acuosa. Se utilizó el método de coprecipitación obteniéndose un aumento de
la solubilidad del fenbendazol desde 0,28 hasta 2,5 μg/mL, valor que se obtuvo mediante
un estudio de solubilidad de fases. Para caracterizar el complejo se utilizó técnicas de
espectrofotometría UV/Vis, IR, DSC-TGA y con cálculos computacionales. (Centurión &
Kong, 2016)
Fundamento teórico.
Oleorresina de pimiento (Capsicum annuum).
La oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) es un material oleoso de color
rojo anaranjado (Figura 1) que se obtiene mediante la extracción del polvo seco, con un
solvente de carácter apolar. Contiene una mezcla compleja de aceites esenciales,
materiales coloreados, ceras, aminoácidos y proteínas. La oleorresina es insoluble en
agua, mientras que es fácilmente soluble en aceite vegetal, grasas y se dispersa en agua
mediante la adición de polisorbato (M. Restrepo, 2006). Además se caracteriza por
presentar aroma agradable, una viscosidad media (82 a 90 cP aproximadamente), sabor
dulce y contenido de agua menor al 0,5% (Plaza & Lock, 1997).
Figura 1 Oleorresina de pimiento
Fuente: (Proyar.com.ar, 2019)
8
Además es utilizada como un ingrediente para aportar principios aromatizantes y
pigmentantes, que mediante una variación de la solubilidad se puede utilizar en la
industria cosmética, farmacéutica, alimentación animal y en aplicaciones agrícolas (M.
Restrepo, 2006).
Cualitativamente se determina la presencia de ácidos grasos, una pequeña
cantidad de aceites esenciales, pigmentos, compuestos pungentes, resinas, proteínas,
celulosa, pentosas y minerales. En la tabla 1 se describen los principales compuestos
presentes en la oleorresina de pimiento:
Tabla 1 Composición química de la oleorresina de pimiento
Grupo Compuestos
Ácidos grasos
65 a 70% linoleico
9-8% palmítico
7% linolénico
2,5% esteárico
9% oleico.
1-3% laurico
2-4% miristico y palmitoleico
Carotenoides
52%-60% capsantina
10-18% capsorrubina (pigmentos rojos)
3-5% β-criptoxantina
8-10% zeaxantina
<4% violaxantina (pigmentos amarillos)
8-23% β-caroteno (pigmento amarillo-
anaranjado).
Vitaminas
Vitamina E (α-tocoferol)
Esteroles y esteroides
En muy baja concentración
Fracción aromática
11 mg/kg m-xileno
11 mg/kg β-elemeno
7,9 mg/kg geranilacetona o βionona
5,6 mg/kg (E)-6-metil-3,5-heptadien-2-ona
4,2 mg/kg 2- isobutil-3-metoxipirazina
2,9 mg/kg 2,3,5,6-tetrametilpirazina
1,3-1,8 mg/kg benzaldehído, safranal y β-
ciclocitral
1-2 mg/kg dihidroactinidiolido, eugenol,
campfeno y δ-terpineno
<1 mg/kg (Z)-3-hexen-1-ol, (E)-2-hexenal;
hexanol, (E)-2-hexen1-ol y hexanal.
Modificado: Alarco & Patiño (2008) (Alarco & Patiño, 2008)
9
Carotenoides.
Los carotenoides entre todos los pigmentos presentes en los organismos vivos son
los más ampliamente distribuidos en la naturaleza, después de las clorofilas. Se los
encuentra en tejidos fotosintéticos como no fotosintéticos y son los responsables del color
amarillo, naranja y rojo de la mayoría de frutos, bacterias, algas, hongos y animales. En
el caso de los animales no son capaces de sintetizarlos y los incorporan a través de la
dieta. Se estima que la producción anual en la naturaleza es de 108 toneladas, y se
conocen cerca de 700 carotenoides (Mínguez et al., 2005).
Estructura química y clasificación.
Desde el punto de vista químico son tretraterpenos constituidos por ocho unidades
de isopreno con un anillo de ciclohexeno en cada uno de los extremos de la cadena
(Carranco, Calvo, & Gil, 2011). Todos los carotenoides pueden ser considerados como
derivados de licopeno (C40H56) cuyo orden se invierte en el centro de la molécula (Figura
2), y por modificaciones mediante reacciones de hidrogenación, deshidrogenación,
ciclación, inserción de oxígeno, migración de doble enlace, migración de metilo,
alargamiento de la cadena, acortamiento de la cadena pueden transformarse en otros
carotenoides (Taylor & Jiménez, 2011).
Figura 2 Estructura carotenoide
Fuente: (Taylor & Jiménez, 2011).
Existen dos tipos de carotenoides: los carotenos, que no contienen oxígeno en sus
anillos terminales por ejemplo β-caroteno, licopeno, α-caroteno, etc. y las xantofilas que
si los tienen como la β-criptoxantina, luteína, zeaxantina, etc. (Carranco et al., 2011); otra
forma de clasificarlos es como primarios y secundarios. El grupo de carotenoides
primarios es aquel requerido por las plantas para el desarrollo de la fotosíntesis por
ejemplo β-caroteno, violaxantina y neoxantina, en cambio los carotenoides secundarios
se localizan en frutas y flores, como: α-caroteno, β-criptoxantina, zeaxantina,
anteraxantina, capsantina, capsorrubin. En la Figura 3 se presentan algunas estructuras
de pigmentos carotenoides más importantes:
10
Figura 3 Estructura química de los pigmentos carotenoides habitualmente presentes en nuestra
dieta y de mayor relevancia nutri-funcional.
Fuente: (Mínguez et al., 2005).
11
Distribución de los carotenoides en los alimentos.
Los carotenoides se encuentran mayormente distribuidos en los vegetales tanto
en concentración como en variedad, sin embargo también se los puede encontrar en algas,
bacterias, hongos y en animales, aunque estos últimos no pueden sintetizarlos. Su
distribución en las plantas no siguen un patrón único por ejemplo, en las verduras se basa
en el modelo general de los cloroplastos de todas las plantas superiores, existiendo de
mayor a menor cantidad la luteína, β-caroteno, violaxantina, neoxantina, zeaxantina, β-
criptoxantina y anteraxantina; en cambio en el caso de las frutas las que se encuentran en
mayor proporción son las xantofilas (Carranco et al., 2011).
En los animales, los carotenoides son incorporados a través de la dieta y se
almacenan en el tejido adiposo sin transformarse, por ejemplo el color de la yema de
huevo se debe a dos xantofilas, luteína y zeaxantina, y a trazas de β-caroteno, mientras
que la astaxantina se encuentra en el salmón lo que otorga el color rosado a la carne.
También en algunos crustáceos se encuentran casos en que los carotenoides como la
astaxantina, se unen a proteínas originando compuestos llamados caroteno-proteínas,
que son los responsables de colores verdosos o azulados, los mismos que cuando se
someten a un proceso de desnaturalización durante su cocción se evidencia el color rojo
del carotenoide (Meléndez, Vicario, & Heredia, 2004b).
En la tabla 2 se presenta la distribución de algunos carotenoides en los alimentos
más representativos.
Tabla 2 Distribución del contenido de carotenoides en alimentos representativos expresados en
µg/100g
Carotenoides µg/100g
Alimento α-caroteno β-caroteno β-criptoxantina Luteína o
zeaxantina Licopeno
Zanahoria 4649 8836 - - -
Pimiento 59 2379 2205 - -
Calabaza 4795 6940 - - -
Tomate 112 393 - 130 3025
Naranja 16 51 122 187 -
Melón 27 1595 - 40 -
Maíz 33 30 - 884 -
Modificado: (Mínguez et al., 2005)
12
Propiedades físico-químicas.
Los carotenoides son compuestos lipídicos por lo tanto son insolubles en agua
pero solubles en compuestos orgánicos como: acetona, metanol, éter dietílico, hexano,
cloroformo y piridina, entre muchos otros; aunque con algunas excepciones. Debido a
que poseen un carácter hidrofóbico se encuentran normalmente en membranas celulares,
sin embargo cuando se asocian con proteínas o se someten a reacciones de glicosilación
se les puede encontrar en medios acuosos (Meléndez, Vicario, & Heredia, 2007).
En cuanto a su acidez y basicidad los carotenoides ácidos pueden formar sales
sódicas o potásicas solubles en agua por tratamiento con álcali, como es el caso de bixina
(Figura 4), astaceno o mitiloxantina (Meléndez et al., 2007).
Figura 4 Ejemplo de carotenoide ácido bixina
Fuente: (Narváez & Mena, 2015).
Otra propiedad de los carotenoides es que presentan actividad antioxidante, que
se manifiesta por la capacidad de inactivar algunas especies de moléculas en estado de
excitación electrónica, principalmente las fotosensibles. Se ha demostrado que los
carotenoides son muy efectivos para la inactivación de oxígeno singulete, (1O2); por lo
tanto evitan el daño fotoxidativo iniciado por esta molécula reactiva (Carranco et al.,
2011).
La propiedad de absorber a la luz se deriva de la presencia de siete o más enlaces
dobles conjugados con la posibilidad de emitir en la gama de colores del amarillo al rojo.
La absorción de la radiación electromagnética de los carotenoides obedecen la ley de
Lambert-Beer, propiedad que permite cuantificarlos espectrofotométricamente
(Meléndez et al., 2004b). En la figura 5 se muestra un espectro de absorción de β-caroteno
en dónde se definieron dos valores de absorción máxima en 465 nm y 490 nm (Gallego,
Acosta, Ocampo, & Cristian, 2006).
13
Figura 5 Espectro de absorción de β-caroteno
Fuente: (Gallego et al., 2006)
Estabilidad de los carotenoides.
Los carotenoides se caracterizan por ser estables cuando se encuentran en su
ambiente natural, sin embargo cuando se realiza un proceso de extracción con solventes
orgánicos o cuando se somete al alimento a cocción se vuelven más lábiles y se ven
afectados por: la estructura, luz, temperatura, pH, reacciones de oxidación y
almacenamiento (Meléndez et al., 2004a).
De acuerdo a la estructura los carotenoides pueden sufrir reacciones de captación
de radicales que disminuyen el número de dobles enlaces coplanares, debido a la
presencia de grupos hidroxilo o carbonilo lo que origina que la reactividad disminuya.
En cambio con la luz pueden sufrir reacciones fotoquímicas que afecten a su estructura
originando compuestos de bajo peso molecular con pérdida de coloración; por ejemplo
licopeno, cuando se aplica luz fluorescente provoca la formación de cinco isómeros
diferentes: di-cis, 5-cis, 9-cis, 13-cis y 15-cis-licopeno (Meléndez et al., 2004a).
La temperatura y pH ( fuertemente alcalinos y ácidos) generan reacciones de
degradación, especialmente los carotenos con mayor actividad biológica que tienen
todos sus dobles enlaces en forma del isómero trans, que se transforman parcialmente en
la forma cis, un ejemplo de esta reacción de isomerización se puede efectuar durante el
proceso de esterilización de productos enlatados, con lo que se pierde parte del poder
vitamínico de los carotenos (Meléndez et al., 2004a).
Otro factor que influye en la estabilidad es el oxígeno que favorece la oxigenación
de los enlaces dobles a funciones epóxidos, hidroxilos y peróxidos entre otros. Esta
destrucción produce decoloración de los pigmentos y pérdida de vitamina A. Los
carotenoides además son oxidados por los peróxidos de las grasas y por tanto se destruyen
bajo condiciones que favorecen la oxidación, incluida la presencia de trazas de cobre y
el menor grado de hierro (Contreras, 2004).
El efecto del almacenamiento sobre los carotenoides va a depender de las
condiciones, en el estudio de Quintero en el año 2004, se han evaluado los cambios que
14
tienen lugar en α-caroteno, β-caroteno y luteína, cuando se mantienen en la oscuridad a
diferentes temperaturas y cuando se almacenan a 25°C expuestos a la luz, los resultados
revelaran que los niveles de las formas todo-trans de estos tres carotenoides disminuyen
al aumentar la temperatura de almacenamiento o el tiempo de iluminación (Quintero,
2004)
Función y actividad biológica.
La importancia de los carotenoides en los alimentos además de su función como
colorantes es también sus propiedades de precursor de la vitamina A (o provitamina A)
y a la acción biológica como antioxidantes.
El β-caroteno es la provitamina A más importante, tanto en términos de
biopotencia como por su presencia en la naturaleza. De 10 a 50 % del β-caroteno ingerido
es absorbido en el tracto intestinal y luego parcialmente convertido en vitamina A; esta
conversión de β-caroteno a vitamina A es de 1:2 (Figura 6), pero en la práctica se ha
encontrado que la eficiencia de la bioconversión del β-caroteno a vitamina A en el cuerpo
humano es de 6:1 (Contreras, 2004).
Figura 6 Vitamina A y su derivación del β-caroteno.
Fuente: (Contreras, 2004).
Los carotenoides son utilizados por el organismo debido a la capacidad
antioxidante que presentan frente a radicales libres de muy diversa naturaleza y origen,
integrando a los carotenoides en el complejo sistema de antioxidantes primarios junto a
los tocoferoles y la vitamina C (Mínguez et al., 2005).
Encapsulación.
El recubrimiento de un compuesto sólido, líquido o gaseoso con una envoltura
que en la mayoría de los casos es de naturaleza polimérica se conoce como encapsulación
(Neira et al., 2013). Es utilizada con la finalidad de otorgar un valor agregado al producto
debido a que mejora la protección, transporte y liberación controlada, en algunos casos
del principio activo (Guevara & Jiménez, 2008).
15
Métodos de encapsulación.
Existen diversas metodologías para encapsular por ejemplo: el secado por
atomización, gelificación iónica, coprecipitación, polimerización interfacial,
coacervación, entre otras (Neira et al., 2013). En el proceso de selección del método de
encapsulación es muy importante tener en cuenta los siguientes factores: el tamaño
partícula requerido, las propiedades fisicoquímicas del material encapsulante y el
compuesto activo, la finalidad del producto encapsulado, el mecanismo de liberación
deseado y el costo (López, 2012).
En la tabla 3 se muestra diferentes métodos de encapsulación con sus
características.
Tabla 3 Métodos de encapsulación
Tipo de Técnica Método de encapsulación Tamaño de partícula (µm)
Química
Coacervación simple 20-200
Coacervación compleja 5-200
Inclusión molecular
(coprecipitación) 5-50
Mecánica
Secado por atomización 1-50
Enfriamiento por
atomización
20-200
Extrusión 200-2000
Fluidización por lecho >100
Modificado: (Guevara & Jiménez, 2008)
Método de inclusión molecular.
Las interacciones entre componentes en los cuales una pequeña molécula se ajusta
dentro de otra se conoce como inclusión molecular, este proceso puede proteger sabores
y otros ingredientes sensibles a factores que afecten su estabilidad como calor, pH, luz,
humedad entre otros. La formación de un complejo de inclusión establece un sistema
donde un compuesto huésped se sitúa en la cavidad del hospedador sin alterar su
estructura de forma significativa (Ortega, 2016).
Materiales encapsulantes.
Existen varios materiales que pueden ser utilizados para atrapar, recubrir o
encapsular un compuesto sólido, líquido o gaseoso. Para su selección se debe considerar
las características que se desean en el producto final. Si el núcleo debe estar protegido de
la acción del agua o humedad, el material de recubrimiento deberá ser hidrófobo o caso
contrario hidrofílico (Wandrey, Bartkowiak, & Harding, 2010).
16
En la tabla 4 se identifican algunos ejemplos de materiales encapsulantes.
Tabla 4 Materiales encapsulantes
Tipo de
material
Ejemplos Método de
encapsulación
Grasas
Cera carnauba, alcohol estearílico, ácido esteárico
Fluidización por
lecho
Proteínas
Gelatina, albúmina, zeína
Fluidización por
lecho, extrusión,
coacervación
Polímeros
Derivados celulósicos, derivados acrílicos,
poliésteres (poliláctico y copolímeros de ácidos
láctico y glicólico).
Coacervación,
fluidización por
lecho, extrusión,
coprecipitación
Carbohidratos
Almidón, dextranos, jarabe de glucosa,
ciclodextrinas, maltodextrinas, sacarosa.
Coacervación,
fluidización por
lecho, extrusión,
coprecipitación
Gomas
Agar, alginato de sodio, goma arábiga, goma guar,
goma de mezquite.
Secado por
atomización
Materiales
inorgánicos Carbonato de calcio, silicatos y sulfato de calcio.
Fluidos
supercríticos
Modificado: (Garnica & Alcántar, 2019; Wandrey et al., 2010)
β-Ciclodextrina.
El oligosacárido cíclico formado por siete unidades de D-(+) glucopiranosa
unidas por enlaces α (1-4) se conoce como β-Ciclodextrina (Figura 7). Se obtiene
mediante una reacción de degradación enzimática del almidón (Serra, 2016) que da lugar
a una estructura molecular toroidal, rígida y con una cavidad interior de volumen
específico (262 Å3). La cavidad interior es hidrófoba, por lo que este compuesto tiene la
propiedad de formar complejos de inclusión albergando moléculas hidrófobas en su
interior; viabilizando la solubilidad en agua de este tipo de moléculas (G. Martínez &
Gómez, 2007).
La β-Ciclodextrina (Figura 7), presenta un peso molecular de 1135g/mol con una
solubilidad a 25°C de 1,85%P/V, además con respecto a su toxicidad se ha demostrado
que por vía oral no es tóxica debido a la falta de absorción en el tracto gastrointestinal
(LD50 > 5000 mg/kg) (Serra, 2016).
17
Figura 7 Estructura de la β-ciclodextrina
Fuente: (G. Martínez & Gómez, 2007)
Estabilidad por almacenamiento.
La capacidad que presenta una sustancia de mantener o conservar por un tiempo
definido, sus propiedades químicas, físicas, microbiológicas, toxicológicas o terapéuticas
mediante la interrelación de tiempo, temperatura y humedad, se conoce como estabilidad
por almacenamiento. Las condiciones por almacenamiento pueden ser: normal o de
control y acelerada o estrés (Tenelema, 2014).
Condiciones normales o de control.
Se aplica para determinar la estabilidad básica de un producto, por efecto de tipo
de empaque o recipiente, se lo realiza a condiciones ambientales de temperatura y
humedad (Domínguez, 2009).
Condiciones aceleradas o estrés.
El producto es sometido a condiciones severas de temperaturas mayores o
menores que las condiciones ambientales. El objetivo es acelerar la tasa normal de
degradación (Domínguez, 2009).
Cinética de degradación para estudio de estabilidad.
La estabilidad es generalmente expresada en términos de una constante cinética
de velocidad (k), que presenta unidades de acuerdo al orden cinético de reacción. Para
determinar el orden cinético de reacción de un solo reactivo, el método más empleado es
por tanteo, que consiste en determinar en varios tiempos la concentración y realizar las
diversas regresiones lineales según sea el orden de reacción: 0, 1, 2, 3, 1/2, 3/2 o 5/2 hasta
obtener el mejor coeficiente de correlación cercano a 1. En la tabla 5 se presenta algunas
ecuaciones cinéticas de acuerdo al orden cinético (Villacis, 2018).
18
Tabla 5 Ecuaciones cinéticas de reacción.
Orden cinético Ecuación cinética
0 [A]=[A0]-a*k*t
1 ln[A]=ln[A0]-a*k*t
2 1/[A]=1/[A0]+a*k*t
3 1/[A]2=1/[A0]2+2*a*k*t
1/2 [A]1/2=[A0]1/2-1/2*a*k*t
Nota. [A]: concentración instantánea; [A0]: concentración inicial o en tiempo cero; t: tiempo; a:
factor estequiométrico; k: constante cinética.
Modificado: (Villacis, 2018)
Tiempo de vida media.
En una reacción que involucra un solo reactivo se puede hablar en cinética
química de la vida media del proceso, definida como el tiempo que debe transcurrir para
que la concentración instantánea del reactivo disminuya a la mitad su valor original. En
la tabla 6 se representa algunas ecuaciones para determinar el tiempo de vida de acuerdo
al orden cinético (Aguilar, 2009).
Tabla 6 Ecuaciones de tiempo de vida media.
Orden cinético Ecuación cinética
0 t1/2=[A0]/2*a*k
1 t1/2=ln(2)/a*k
1/2 t1/2={√2*(√2-1)*[A0]1/2}/ a*k
Nota. t1/2: tiempo de vida media; [A0]: concentración inicial o en tiempo cero; a: factor
estequiométrico; k: constante cinética.
Modificado: (Aguilar, 2009)
Fundamento metodológico.
Tratamiento a la muestra.
Selección de la materia prima.
El procedimiento de separar de forma manual las partes deterioradas, manchadas
y con ataques de insectos u hongos en hojas, flores, frutos y raíces que puedan generar
alteración en los análisis se conoce como selección de materia prima (Sharapin, 2000).
Secado.
Es una operación que consiste en retirar agua u otro solvente de un material
vegetal o extracto. Al realizar el secado se impide procesos de degradación enzimática
otorgando estabilidad química, mayor facilidad de almacenamiento y transporte.
En material vegetal el secado se puede hacer a temperatura ambiente o en estufas
19
con aire circulante en un rango de 30°C-40°C hasta llegar a un porcentaje de humedad
relativa del 11% (Sharapin, 2000).
Molienda.
El objetivo es la disminución de tamaño del material vegetal para adecuarlo a un
proceso de extracción, debido a que si se encuentra en fragmentos gruesos el proceso de
extracción sería incompleto, por la pobre penetración del solvente en el tejido vegetal.
Con la reducción de tamaño se destruye parcialmente las membranas celulares lo que
facilita la disolución de los constituyentes celulares en el líquido externo llamado
solvente (Sharapin, 2000).
El resultado de la molienda genera varios tamaños de partícula del material
vegetal que deber ser separado a través de un juego de tamices; mediante fuerzas
giratorias o vibratorias. Las partículas que excedan el tamaño deseado retornan al proceso
de molienda hasta alcanzar el tamaño óptimo para ser almacenado (Morillo & Suárez,
2017).
Extracción Söxhlet.
Se realiza en un equipo llamado Söxhlet, donde el proceso inicia con una muestra
seca dentro de un cartucho de celulosa en forma de dedal, ubicado en la cámara de
sifonamiento como se ilustra en la figura 8. El principio de extracción se basa en que el
disolvente líquido adecuado alcance su punto de ebullición y se vaporiza por un tubo
lateral hasta el refrigerante donde es condesado y cae sobre el cartucho de celulosa. El
disolvente se recircula por el equipo repetidamente, extrayendo en cada recorrido una
fracción de compuestos de interés (Campos, 2017).
Figura 8 Equipo Söxhlet
Fuente: (Nuñez, 2008)
20
Espectrofotometría Ultravioleta-visible.
Detecta las transiciones electrónicas de los enlaces conjugados y ofrece
información de la longitud y estructura de la parte conjugada de una molécula. Para medir
el espectro ultravioleta-visible se disuelve la muestra en un disolvente que no absorba
sobre los 200nm y se coloca en una celda de cuarzo (Wade, 2011).
El espectrofotómetro tiene una fuente que emite todas las frecuencias de la luz
ultravioleta-visible, la misma que pasa por un monocromador donde selecciona la
longitud de onda adecuada. Esta luz de una sola longitud de onda pasa a través de la celda
cuarzo y llega al detector donde se mide la intensidad de la luz (Wade, 2011).
Solubilidad.
Se define como la máxima cantidad de un soluto que se puede disolver en
determinada cantidad de disolvente a una temperatura especifica. El aumento
temperatura en la mayor parte de los casos aumenta la solubilidad de la mayoría de
sustancias sólidas, la misma que puede ser expresada en gramos por litro, miligramos por
litro, porcentaje de soluto, entre otras (Chang, 2011).
Este aumento de solubilidad por el cambio de temperatura puede explicarse con
dos hechos: primero el calor suministrado al sistema aumenta la velocidad de difusión de
las partículas del soluto en el seno del disolvente y segundo el calor suministrado es
absorbido por las moléculas del soluto, debilitando las fuerzas intermoleculares y
facilitando el proceso de solvatación (Guillen, 2017).
Calorimetría de barrido diferencial (DSC).
Registra el flujo de calor diferencial requerido para mantener a la misma
temperatura una muestra del material y una referencia inerte. Este análisis se realiza en
un intervalo de temperatura a una velocidad determinada de calentamiento lo que origina
cambios en el material de referencia debido a transiciones térmicas que se producen por
transformaciones de fases, conversiones estructurales, reacciones de descomposición y
deshidratación (Zambrano, 2015).
Este tipo de análisis es utilizado para determinar compatibilidad de principio
activo-excipientes, estudio de formación de complejos, polimorfos, determinación del
punto de fusión, entre otras (Zambrano, 2015).
Espectroscopia infrarroja con transformadas de Fourier.
Se debe a las vibraciones de los enlaces y proporciona evidencia de los grupos
funcionales presentes, lo que origina un espectro de infrarrojo que es una gráfica de la
energía absorbida por una molécula como una función de la frecuencia o longitud de
onda del haz de luz. Estos espectros pueden medirse usando muestras sólidas, liquidas o
gaseosas que se colocan en el haz de luz infrarrojo (Wade, 2011).
El espectrofotómetro infrarrojo con transformadas de Fourier se caracteriza por
usar un interferómetro y por tanto presenta varias ventajas: la sensibilidad es mejor
21
debido a que mide todas las frecuencias de manera simultánea, utiliza menos energía de
la fuente, requiere menos tiempo para el escaneo, mejor resolución y exactitud (Wade,
2011) .
Dispersión dinámica de la luz (DLS).
Esta técnica también es conocida como espectroscopía de correlación fotónica o
dispersión cuasi-elástica de la luz que sirve para medir el tamaño de partícula en el rango
submicrónico. Se caracteriza por medir la velocidad del movimiento browniano y lo
relaciona con el tamaño de partícula debido a que partículas grandes movimientos lentos
y partículas pequeñas movimientos rápidos. Esta velocidad se define por una propiedad
conocida como coeficiente de difusión traslacional que está relacionado con la ecuación
de Stokes-Einstein (ecuación 1) (Morilla, 2018):
𝐷 =𝑘𝑇
3 𝜋 𝜂 𝑑(ℎ)
Ecuación 1 Stokes-Einstein
Donde:
d(h): diámetro hidrodinámico
k: constante de Boltzman
T: temperatura absoluta
𝜂: viscosidad del medio dispersante
𝐷: coeficiente de difusión traslacional
Índice de polidispersión.
La medida de la distribución de los tamaños de las partículas presentes en una
suspensión se conoce como índice de polidispersión. Las partículas presentan un tamaño
homogéneo cuando la suspensión presenta una polidispersión menor o igual a 0.5
(Bosquéz, Guerrero, & Vernon, 2003).
Potencial Z.
Es la forma abreviaba de denominar al potencial electrocinético de los sistemas
coloidales. En otras palabras se conoce como la diferencia de potencial entre el medio de
dispersión y la capa estacionaria de fluido anexa a la partícula dispersada.
Estas partículas dispersadas en un medio acuoso en la mayoría de los casos
adquieren una carga de superficie por dos motivos: ionización de los grupos de superficie
o por adsorción de especies cargadas (Moulden, 2018).
La medida de potencial Z otorga información de estabilidad frente a
aglomeraciones de las partículas debido a que cuando el potencial Z tiende a cero, las
partículas carecen de cargas y se agrupan, logrando que la suspensión se desestabilice
(Yoval, Montellano, Soberanis, & Guzmán, 2013).
22
Marco legal.
Al ser una investigación que implica la especie Capsicum annuum; el Laboratorio
de Investigación de Productos Naturales cuenta con el Contrato Marco de Acceso a
Recursos Genéticos: MAE-DNB-CM-2017-0078 que permite:
“La recolección de especímenes de especies y la utilización del recurso
genético y/o sus productos derivados para fines exclusivamente de
investigación científica con el fin de promover, proteger y garantizar la
conservación de la biodiversidad, a través de la utilización sostenible de los
recursos biológicos y genéticos” (MAE, 2018, http://www.ambiente.gob.ec).
Hipótesis.
Hipótesis alternativa (Hi).
Es posible encapsular oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) en β-
ciclodextrina, para obtener un colorante soluble en agua.
Hipótesis Nula (Ho).
No es posible encapsular oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) en β-
ciclodextrina, para obtener un colorante soluble en agua.
Sistema de variables.
Variable dependiente o respuesta.
La eficiencia de encapsulación expresada en porcentaje, se define como la
fracción de ingrediente activo encapsulado respecto al ingrediente activo total (Battista,
Trapé, Constenla, Ramírez, & Piña, 2013), por lo tanto se estableció como la cantidad de
oleorresina encapsulada expresada como β-caroteno con respecto a la cantidad total de
oleorresina expresada como β-caroteno antes de encapsular.
Variables independientes.
En la investigación se manipuló los siguientes factores en el proceso de
encapsulación:
Velocidad de agitación (rpm) se aplicó para dispersar las gotas de la
solución de oleorresina 0,5% en la solución del 5% de β-ciclodextrina.
Tiempo de agitación (minutos) es el tiempo necesario que se aplicó para
el proceso de encapsulación.
Volumen de la oleorresina (mL) se aplicará a una concentración del 0,5%
en la que se varió la cantidad de oleorresina encapsulada expresada como
β-caroteno.
23
Capítulo III
Marco metodológico
Diseño de la investigación.
En la investigación se utilizaron métodos experimentales que aplicaron técnicas
previamente desarrolladas y probadas, las mismas que usaron equipos e instrumentos que
emitieron resultados numéricos que fueron analizados, debido a esto el paradigma fue
cuantitativo porque “adopta el modelo hipotético deductivo, utiliza métodos cuantitativos
y estadísticos, se basa en fenómenos observables susceptibles de medición, análisis
matemáticos y control experimental” (Perez, Ruiz, & Hernández, 1999, p14).
El nivel de investigación fue explicativo ya que “se encarga de buscar el porqué
de los hechos mediante el establecimiento de relaciones causa-efecto” (Morales,
2012). Por lo tanto se determinó como afectan las variables independientes: velocidad de
agitación, tiempo de agitación y volumen de oleorresina, sobre la dependiente: eficiencia
de encapsulación además los datos que se obtuvieron fueron analizados mediante
estadística inferencial y descriptiva.
El enfoque siguió una línea de investigación en el área de productos naturales que
corresponde a los colorantes naturales, para su compresión se empleó la investigación
experimental y documental. Fue experimental debido a que “el investigador decide los
niveles que corresponderán a cada grupo de sujetos; la variable se manipula con
diferentes niveles que asigna el investigador y además existe la medición de la variable
dependiente” (Jimenez & Arraya, 2009). Fue del tipo documental ya que se empleó la
recolección, selección y análisis de información coherente que aportó al desarrollo del
trabajo de investigación (S. Martínez, 2002).
Población y muestra.
Muestra.
La muestra que se estudió corresponde a los frutos de pimiento (Capsicum
annuum), en los mismos se aplicó un tratamiento de maduración, desinfectado,
escaldado, secado y tamizado para su utilización.
Métodos y materiales.
En la tabla 7 y tabla 8 se presentan los materiales-equipos y reactivos
respectivamente, que se utilizó para la ejecución de la parte experimental:
24
Tabla 7. Materiales y equipos
Equipos y materiales Marca Modelo
Equipo
Balanza analítica Denver Instrument PI 214
Balanza microanalítica Meter Toledo GWP®
B451386191
Espectrofotómetro UV-Visible Varian Cary 50
Estufa con convección natural Binder BD240
Rotavapor J.P. Selecta -
Tamizadora vibratoria Gilson SS-15
Centrifuga MRC .
Espectrofotómetro Infrarrojo Jasco FT/IR 4600
Calorímetro diferencial de barrido TA Instruments Q2000-1705
Dispersión dinámica de luz Horiba Scientific SZ-100
Material
Equipo Söxhlet - -
Embudo de decantación - -
Plancha de agitación THERMO SCIENTIFIC
Molino Victoria -
Agitador magnético Talboys PC-420 D
Cajas Petri - -
Papel filtro - -
Vasos de precipitación - -
Bureta - -
Elaborado por: Chamba Adriana
Tabla 8. Reactivos
Reactivos Marca Grado
Cloroformo Fisher Scientific Analítico
Hexano Merck Analítico CAS 110-54-3
Estándar de β-caroteno Sigma-Aldrich Estándar secundario CAS 7235-40-7
β-ciclodextrina Sigma-Aldrich CAS 7585-39-9
Sulfato de sodio anhidro - -
Elaborado por: Chamba Adriana
Método.
Tratamiento de la muestra.
Se adquirieron pimientos comerciales (Capsicum annuum) disponibles en un
mercado de la ciudad de Quito. La muestra fresca se almacenó a temperatura ambiente
hasta que alcanzó un color rojo homogéneo en toda la fruta. En la muestra de pimiento
se realizó el tratamiento preliminar detallado en la metodología descrita por Morillo y
Suárez, (2017).
25
Extracción de oleorresina de pimiento (Capsicum annuum).
La oleorresina fue extraída en un equipo Söxhlet, se utilizó cloroformo como
solvente. Se pesaron 2g de muestra seca en balanza analítica Denver Instrument. Se
extrajo a reflujo en una plancha de agitación THERMO SCIENTIFIC, hasta reacción
negativa de Carr-Price.
El extracto total se evaporó a sequedad en un rotavapor J.P. Selecta; se colocó el
extracto concentrado en cajas Petri taradas y se secó a 40°C en la estufa BINDER de
convección forzada. Se registró el peso y el extracto se almacenó protegido de la luz en
una cámara higroscópica.
Encapsulación de la oleorresina.
Se utilizó el método de coprecipitación. Se prepararon dos soluciones, una
solución acuosa al 5% P/V de β-ciclodextrina Sigma-Aldrich, CAS 7585-39-9 (solución
A) y otra de oleorresina al 0,5% en hexano analítico (solución B). Se realizó un goteo de
30 gotas/min de la solución B sobre la solución A, manteniendo el sistema a una
temperatura constante de 45°C. La solución resultante se centrifugó durante 26 min a
7600 rpm en una centrífuga MRC y el sólido obtenido se sometió a un proceso de secado
a 40°C en la estufa BINDER de convección de aire por un día.
Los experimentos utilizaron un diseño experimental 23 al 95% de confianza, con
los factores que se indica en la tabla 9 para definir el método de trabajo.
Tabla 9 Factores experimentales del proceso de encapsulación.
Factores Niveles
Agitación
Tiempo 40 min. 60min.
Velocidad 800rpm 1200rpm
Oleorresina Volumen 3mL 6mL
Elaborado por: Chamba Adriana
Eficiencia de encapsulación.
Curva de calibración.
Se prepararon disoluciones patrón en un rango de concentraciones de 0,2 mg/L
hasta 1 mg/L, se utilizó un estándar secundario de β-caroteno Sigma-Aldrich, CAS 7235-
40-7 en hexano grado analítico. Se midieron las absorbancias de cada solución patrón
enun espectrofotómetro ultravioleta visible VARIAN BioCary50 a una longitud de onda
de 450nm.
26
Cuantificación de carotenoides totales expresados como β-caroteno en
mg/L.
Se determinó espectrofotométricamente la cantidad de carotenoides totales en la
oleorresina obtenida, mediante lectura de la absorbancia de la solución a una longitud de
onda de 450nm.
Los carotenoides totales no encapsulados en β-ciclodextrina fueron extraídos con
5mL de hexano grado analítico y 2mL de un solución al 1% de sulfato de sodio anhidro,
se centrifugó por diez minutos a 7600 rpm y se realizó un proceso de separación de fases
con un embudo de decantación. La fase apolar se llevó a un volumen de aforo de 10mL
con hexano grado analítico. Se medió la absorbancia en un espectrofotómetro UV- VIS
a longitud de onda de 450nm.
Se evaluó la eficiencia de encapsulación mediante la ecuación 2:
%𝐸𝐹 = 𝐶. 𝑇. 𝐴 − 𝐶. 𝑇. 𝑁𝐸
𝐶. 𝑇. 𝐴 × 100
Ecuación 2 Eficiencia de encapsulación expresada en porcentaje
Donde:
C.T.NE: Cantidad de carotenoides totales no encapsulados.
C.T.A: Cantidad de carotenoides totales antes de encapsular.
Solubilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina.
La solubilidad fue evaluada en cuatro temperaturas 20, 25, 40 y 70 ºC. Se pesó
en cinco frascos tarados las cantidades de 10, 20, 30, 40 y 50 mg en balanza analítica
Denver Instrument. Se añadió 10mL de agua destilada en cada frasco, se agitó por tres
horas en una plancha THERMO SCIENTIFIC y se colocó en un baño térmico durante
siete días. Se evaporó hasta sequedad y se pesaron los frascos en balanza analítica Denver
Instrument y se determinó se determinó la solubilidad mediante la ecuación 3 (Peña,
2007).
𝑆(𝑔/𝐿) =𝑊1 − (𝑊2 − 𝑊3)
𝑉
Ecuación 3 Solubilidad (g/L)
Donde:
W1: Peso inicial del complejo oleorresina-β-ciclodextrina en gramos
W2: Peso del complejo oleorresina-β-ciclodextrina mas el frasco en gramos
(7días).
W3: Peso del frasco vacío en gramos.
V: Volumen en litros
27
Análisis térmico.
Se utilizó el calorímetro diferencial de barrido TA Instruments y se corrieron
termogramas de: β-ciclodextrina, oleorresina y complejo de oleorresina-β-ciclodextrina.
Se utilizaron cápsulas de aluminio Standar Pan T1G1122. Se pesó en balanza
microanalítica Meter Toledo la cápsula vacía y aproximadamente 0.8mg de la muestra
analizar. El intervalo de temperatura fue de 0-400°C a una velocidad de calentamiento
de 10°C/min.
Análisis por espectroscopia infrarroja con transformadas de Fourier.
Se realizaron dos espectros IR en un espectrofotómetro Jasco, el de β-
ciclodextrina y del complejo de oleorresina-β-ciclodextrina. Se colocó la muestra en el
cristal de seleniuro de zinc. Se ingresó al software Spectra Manager y se realizó el
espectro FT-IR.
Tamaño de partícula, polidispersión.
Se prepararon dos soluciones al 0,1% de β-ciclodextrina y del complejo de
oleorresina-β-ciclodextrina; se determinó el índice de refracción de las soluciones y se
procedió a hacer las lecturas de tamaño de partícula y polidispersión en el equipo de
Dispersión Dinámica de Luz (DLS) Horiba Scientific a un ángulo de medición de 173°.
Potencial Z.
Se preparó una solución del complejo de oleorresina-β-ciclodextrina al 0,1%; se
tomó 5mL de la solución y se colocó en una celda de electroforesis. Se determinó el
potencial Z en el equipo de Dispersión Dinámica de Luz (DLS) Horiba Scientific.
Estabilidad de almacenamiento.
Se evaluó la estabilidad del extracto de oleorresina y del complejo formado
oleorresina-β-ciclodextrina. Se pesaron 0,5g en la balanza analítica Denver Instrument,
del complejo y del extracto, y se almacenaron con las condiciones de la tabla 10.
Tabla 10 Condiciones de almacenamiento
Parámetros Condiciones de desarrollo
Envase
Caja Petri (protegida de la luz)
Caja Petri
Temperatura
Ambiente
40°C
Elaborado por: Chamba Adriana
28
Para el análisis de la oleorresina se preparó una solución al 0,005%, se utilizó
como solvente hexano analítico MERCK, se midió la absorbancia en un
espectrofotómetro UV- VIS a longitud de onda de 450nm cada cuatro días en un período
de 40 días.
En el análisis del complejo oleorresina-β-ciclodextrina, se pesó 20mg del
complejo en la balanza analítica Denver Instrument. Se armó un sistema de reflujo, en el
balón se colocó el complejo con 10mL de agua destilada y 5mL de hexano. Se realizó
una agitación por dos minutos a 1000rpm en una plancha de agitación THERMO
SCIENTIFIC. Se calentó el sistema a 55°C y se mantuvo la agitación por una hora. Se
enfrió el sistema, el líquido se centrifugó durante diez minutos a 3500 rpm en una
centrífuga MRC y se realizó el proceso de separación de fases en un embudo de
decantación (Eguinoa, 2014). La fase apolar se secó con sulfato de sodio anhidro y se
llevó a un volumen de aforo de 5mL con hexano. Se midió la absorbancia en el
ultravioleta visible VARIAN a 450nm cada cuatro días en un período de 40 días.
Diseño experimental.
Se realizó un diseño factorial 23 con un intervalo de confianza del 95%, para
definir el método de trabajo que maximice la eficiencia de encapsulación. Los siguientes
factores son los que influyen a la variable respuesta eficiencia de encapsulación:
% Eficiencia de encapsulación = f (tag, Tsolv.c, Vag, Co, T°, TCDs, CCD, Vsolu.o)
Donde:
tag: tiempo de agitación T°: temperatura
Tsolv.o: tipo de solvente para la oleorresina TCDs: tipo de ciclodextrina
Vag: velocidad de agitación CCD concentración de ciclodextrina
Cc: concentración de la oleorresina Vsolu.c: volumen de oleorresina
Se mantuvieron constantes los siguientes factores: tipo de solvente y
concentración de oleorresina, temperatura, tipo y concentración de ciclodextrina. Se
estableció que los factores de estudio sean: tiempo de agitación, velocidad de agitación
y volumen de oleorresina, cada uno con dos niveles. En la tabla 11 se representan los
niveles seleccionados para cada factor de acuerdo a ensayos preliminares con su
respectiva codificación:
Tabla 11 Codificación de niveles por factor
Factor Codificación
- +
Velocidad de agitación (rpm) 800 1200
Tiempo de agitación (min) 40 60
Volumen de oleorresina (mL) 3 6
Elaborado por: Chamba Adriana
29
Conforme al diseño planteado se realizaron ocho ensayos de acuerdo a la matriz
de experimentos aleatorizada presentada en la tabla 12, los mismos que generaron 7
efectos posibles sobre la variable respuesta que se dividen en primarios, secundarios y
terciarios.
Tabla 12 Matriz de experimentos aleatorizada
N° de
experimento
Velocidad de
agitación
Tiempo de
agitación
Volumen de solución de
oleorresina
1 - - -
2 + - -
3 - + -
4 + + -
5 - - +
6 + - +
7 - + +
8 + + +
Elaborado por: Chamba Adriana
Operacionalización de las variables.
Tabla 13 Matriz Operacionalización de variables
Factor Nivel Respuesta
Velocidad de agitación 800 rpm
1200rpm Eficiencia de encapsulación (%)
Tiempo de agitación 40 min.
60 min. Eficiencia de encapsulación (%)
Volumen de oleorresina 3mL
6mL Eficiencia de encapsulación (%)
Elaborado por: Chamba Adriana
Técnicas e instrumentos de recolección de datos.
En la recolección de datos se utilizó la técnica de observación, el instrumento de
recolección de datos se refleja en el Anexo C; en el cual se registraron los pesos de las
muestras y las lecturas de las absorbancias antes y después de encapsular, necesarios para
análisis.
Técnicas de procesamiento y análisis de datos.
La matriz fue aleatorizada en el programa estadístico JMP©, para el desarrollo de
30
la parte experimental. Los datos experimentales que se obtuvieron en el diseño factorial
23 se analizaron mediante los efectos por Algoritmo de Yates como se indica en la tabla
14 a un nivel de confianza del 95% y el software que se aplicó para las gráficas de los
efectos fue Statgraphics.
Tabla 14 Algoritmo de Yates
Número de
corridas
Matriz de
diseño Algoritmo Identificación
A t V Respuesta 1 2 3 D Efectos
1 - - - R1 X1 Y1 Z1 8 Promedio Promedio
2 + - - R2 X2 Y2 Z2 4 Efecto 1 A
3 - + - R3 X3 Y3 Z3 4 Efecto 2 T
4 + + - R4 X4 Y4 Z4 4 Efecto 3 A, t
5 - - + R5 X5 Y5 Z5 4 Efecto 4 V
6 + - + R6 X6 Y6 Z6 4 Efecto 5 A, V
7 - + + R7 X7 Y7 Z7 4 Efecto 6 t, V
8 + + + R8 X8 Y8 Z8 4 Efecto 7 A, t, V
Nota. A: velocidad de agitación; t: tiempo de agitación; V: volumen de oleorresina; D: divisor.
Modificado: (Pagura, Hernández, & Dianda, 2015)
Se determinó la significancia de los efectos mediante la ecuación 4 donde se
estableció que el efecto es significativo cuando el valor absoluto del efecto es mayor al
producto entre el estadístico t de student al 95% de confianza (k) y el error estándar del
efecto (SE) (Montgomery, 2013).
|𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜| > 𝑘 𝑆𝐸
Ecuación 4 Significancia estadística
El error estándar del efecto se calculó mediante la ecuación 5, donde SA
corresponde a la desviación estándar de la respuesta (Montgomery, 2013).
𝑆𝐸 =2 𝑆𝐴
√𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎𝑠
Ecuación 5 Error estándar del efecto
31
Capítulo IV
Análisis y discusión de resultados
Resultados.
Muestra.
La muestra de pimiento (Capsicum annuum) fue almacenada por diez días hasta
que alcanzó un color rojo homogéneo en toda la fruta como lo indica la Figura 9.
Figura 9 Pimiento (Capsicum annuum) en estado de madurez.
Se realizó el proceso de extracción de la oleorresina con cloroformo y se obtuvo
un rendimiento de extracción del 8,09% ± 0,68% valor que es comparable con el estudio
realizado por Cardona & otros, (2006) en el cual se realizó la extracción de la oleorresina
de pimiento (Capsicum annuum) con tres solventes: acetona, acetato de etilo y hexano,
con rendimientos de extracción del 6,1%; 4,2% y 2,9% respectivamente. (Cardona et al.,
2006)
Encapsulación de la oleorresina.
Se realizó un diseño experimental 23 donde la variable respuesta fue la eficiencia
de encapsulación y para su cuantificación se utilizó la curva calibración con un
coeficiente correlación del 0,9998 como muestra la gráfica 1.
Gráfica 1 Curva de calibración con estándar secundario de β-caroteno Sigma-Aldrich, CAS
7235-40-7 en hexano grado analítico.
y = 0,2022x - 0,0043
R² = 0,9998
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Ab
sorb
anci
a
Concentración (mg/L)
32
Los factores que se estudiaron fueron: el tiempo de agitación, velocidad de
agitación y volumen de oleorresina y en la tabla 15 se visualiza los resultados de la media
y desviación estándar de la eficiencia de encapsulación.
Tabla 15 Resultados de la eficiencia de encapsulación del diseño factorial 23
N° de corridas A t V R1 (%) R2 (%) 𝐄𝐅̅̅̅̅ SA
1 - - - 99,07 99,48 99,28 0,29
2 + - - 99,60 99,72 99,66 0,08
3 - + - 95,35 95,60 95,48 0,18
4 + + - 89,36 89,89 89,63 0,37
5 - - + 95,89 95,11 95,50 0,55
6 + - + 93,09 93,07 93,08 0,01
7 - + + 95,14 95,27 95,21 0,09
8 + + + 96,73 96,45 96,59 0,20
Nota. A: velocidad de agitación; t: tiempo de agitación; V: volumen de oleorresina; R: respuesta;
EF̅̅̅̅ : Media de la eficiencia de encapsulación y SA: desviación estándar.
Elaborado por: Chamba Adriana.
Se evaluó como afecta el tiempo de agitación, velocidad de agitación y volumen
de oleorresina, con los datos de la media y desviación estándar de la tabla 15, aplicando
Algoritmo de Yates detallado en la tabla 16.
Tabla 16 Estimación de los efectos por algoritmo de Yates
N° de corridas 𝐄𝐅̅̅̅̅ 1 2 3 Di ME Identificación
1 99,28 198,94 384,04 764,41 8 95,55 Promedio
2 99,66 185,10 380,38 -6,50 4 -1,63 A
3 95,48 188,58 -5,47 -10,62 4 -2,65 t
4 89,63 191,80 -1,04 -2,43 4 -0,61 A, t
5 95,50 0,38 -13,84 -3,66 4 -0,91 V
6 93,08 -5,85 3,22 4,43 4 1,11 A, V
7 95,21 -2,42 -6,23 17,05 4 4,26 t, V
8 96,59 1,39 3,81 10,04 4 2,51 A, t, V
Nota. A: velocidad de agitación; t: tiempo de agitación; V: volumen de oleorresina; EF̅̅̅̅ : Media
de la eficiencia de encapsulación; Di: divisor y ME: magnitud del efecto.
Elaborado por: Chamba Adriana.
Los efectos se agrupan en tres categorías: primarios, secundarios y terciarios
como se muestra en la tabla 17 de acuerdo a los resultados de la magnitud del efecto.
33
Tabla 17 Efectos que se produce en la eficiencia de encapsulación
Tipo de efecto Variables ME
Primarios
A -1,63
t -2,65
V -0,91
Secundarios
A, t -0,61
A, V 1,11
t, V 4,26
Ternario A, t, V 2,51
Nota. A: velocidad de agitación; t: tiempo de agitación; V: volumen de oleorresina y ME:
magnitud del efecto.
Elaborado por: Chamba Adriana.
Los signos en los datos de la magnitud del efecto de la tabla 17 se encuentran
relacionados directamente con la variable repuesta, se observa que los efectos primarios
generan un decremento, en el caso de la velocidad de agitación se produce un decremento
de 1,63 unidades en la eficiencia de encapsulación, cuando se produce el cambio de
800rpm a 1200rpm, lo mismo sucede con el tiempo de agitación que decrece en 2,65
unidades al pasar de 40min a 60 min y el volumen de oleorresina al pasar de 3mL a 6mL
decrece en 0,91 unidades. Los que tienen signo positivo indican un incremento, lo que se
observa en los efectos secundarios y efecto ternario donde la interacción entre la
velocidad de agitación y el volumen de oleorresina incrementa en 1,11 unidades la
eficiencia de encapsulación, en cambio la interacción tiempo de agitación y volumen de
oleorresina incrementan en 4,26 unidades y la interacción entre velocidad de agitación,
tiempo de agitación y volumen de oleorresina incrementan en 2,51 unidades. Por lo tanto
se determinó la significancia estadística de los efectos en la eficiencia de encapsulación
al 95% de confianza como indica la tabla 18, para lo cual se aplicó la ecuación 4 con los
datos de desviación estándar de la tabla 15.
Tabla 18 Significancia estadística de los efectos en la eficiencia encapsulación
N° de corridas ME SE Identificación
1 95,55 0,205 Promedio
2 -1,63 0,06 A
3 -2,65 0,125 t
4 -0,61 0,265 A, t
5 -0,91 0,39 V
6 1,11 0,01 A, V
7 4,26 0,065 t, V
8 2,51 0,14 A, t, V
Nota. A: velocidad de agitación; t: tiempo de agitación; V: volumen de oleorresina y ME:
magnitud del efecto y SE: error estándar del efecto.
Elaborado por: Chamba Adriana.
34
En la significancia de los efectos se estableció que el efecto es estadísticamente
significativo aplicando el criterio de la ecuación 4, cabe mencionar que el efecto terciario
en un diseño factorial 23 se considera como un “efecto ignorable” debido al ruido propio
de la experimentación (Gutiérrez & Salazar, 2008) es decir la interacción entre velocidad
de agitación, tiempo de agitación y volumen de oleorresina es estadísticamente no
significativo. En la tabla 19 se identifica la significancia estadística de cada uno de los
efectos.
Tabla 19 Significancia estadística
Tipo de efecto Variables Significancia estadística
Primarios
A Estadísticamente significativo
t Estadísticamente significativo
V Estadísticamente significativo
Secundarios
A, t Estadísticamente significativo
A, V Estadísticamente significativo
t, V Estadísticamente significativo
Ternarios A, t, V Estadísticamente no significativo
Nota. A: velocidad de agitación; t: tiempo de agitación; V: volumen de oleorresina.
Elaborado por: Chamba Adriana.
En la tabla 19 se observa que los efectos primarios y secundarios son
estadísticamente significativos sin embargo estos efectos se graficaron en un diagrama
de Pareto ilustrado en la figura 10, con el cual se pudo visualizar cuáles tienen un mayor
impacto sobre la eficiencia de encapsulación.
Figura 10 Diagrama de Pareto de efectos estimados para la eficiencia de encapsulación.
En la figura 10 se observa una línea de color azul que corresponde al valor crítico
de 2,306 de acuerdo a la tabla de t de student (α/2) al 95% y con 8 grados de libertad que
35
establece que todo efecto que supere la línea son de importancia significativa (Gutiérrez
& Salazar, 2008) en tal caso los efectos de interés son el tiempo de agitación y la
interacción tiempo de agitación y volumen de oleorresina.
En el caso del tiempo de agitación se observa de acuerdo a la tabla 17 que origina
un decremento de 2,65 unidades en la eficiencia de encapsulación es decir que al utilizar
un tiempo de 40 minutos y al incrementarlo a 60 minutos disminuye notablemente la
eficiencia de encapsulación como se indica en la figura 11.
Figura 11 Diagrama del efecto de tiempo de agitación en la eficiencia de encapsulación.
Este decremento de la eficiencia de encapsulación al utilizar un tiempo de 60
minutos se debe posiblemente a que se superó el tiempo de agitación óptimo, por lo tanto
se rompe el equilibrio entre las fuerzas segregativas y las de mezclado originando un
proceso de segregación del encapsulado de la oleorresina de pimiento (Capsicum
annuum) en β-ciclodextrina como se representa en la figura 12 (McCabe, Smith, &
Harriott, 1998).
Figura 12 Ruptura del equilibrio al superar el tiempo de agitación.
36
El otro efecto de interés es la interacción entre el tiempo de agitación y el volumen
de oleorresina que de acuerdo a la tabla 17 aumenta en 4,26 unidades la eficiencia de
encapsulación. Sin embargo no se conoce que combinación de niveles de los dos factores
origina el aumento por lo tanto se realizó una gráfica de efecto de interacción entre estos
factores ilustrada en la figura 13.
Figura 13 Diagrama del efecto de interacción entre el tiempo de agitación y volumen de
oleorresina.
Con respecto a la figura 13, se aprecia una interacción significativa entre el tiempo
de agitación y volumen de oleorresina, en particular se observa que si se trabaja con
tiempo de agitación bajo (40min.) y un volumen de oleorresina bajo (3mL) se obtiene el
valor más alto en la eficiencia de encapsulación del 99,07% en comparación con las otras
combinaciones. Además, en la tabla 17 se muestra el efecto primario de la velocidad de
agitación que decrece en 1,63 unidades la eficiencia de encapsulación debido al cambio
de nivel de 800rpm a 1200rpm. Este decremento en la variable respuesta se debe
posiblemente al flujo inestable que se produce al aplicar una agitación a 1200rpm debido
a que no existe un mezclado homogéneo con un flujo ondulante como ocurre a 800rpm
como se muestra en la figura 14 (García, 2019) .
Figura 14 Influencia de la velocidad de agitación en el flujo
37
De acuerdo al análisis estadístico realizado se determinó que las condiciones
óptimas para maximizar la eficiencia de encapsulación son: 800rmp, 40 minutos de
agitación y 3mL de oleorresina, con lo que se obtiene una eficiencia de encapsulación
del 99,07%. Para la predicción en cada punto del diseño se obtuvo un modelo matemático
como indica la ecuación 6.
%𝐸𝐹 = 95,55 −1,63
2𝐴 −
2,65
2𝑡 −
0,61
2𝐴𝑡 −
0,91
2𝑉 +
1,11
2𝐴𝑉 +
4,26
2𝑡𝑉
Ecuación 6 Modelo matemático para determinar la eficiencia de encapsulación.
Donde:
EF: eficiencia de encapsulación
A: velocidad de agitación
t: tiempo de agitación
V: volumen de oleorresina
Solubilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina.
En la tabla 20 se detalla el resultado de solubilidad para cada temperatura de
análisis.
Tabla 20 Solubilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina
Temperatura (°C) Solubilidad (g/L)
20 0,696 ± 0,334
25 0,774 ± 0,357
40 0,788 ± 0,313
70 1,016 ± 0,463
Elaborado por: Chamba Adriana.
De acuerdo a la tabla 20 y el gráfico 2 se observa como la solubilidad aumenta
conforme la temperatura asciende.
Gráfica 2 Curva de solubilidad del complejo oleorresina-β-ciclodextrina
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
1,100
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
SOLU
BIL
IDA
D (
g/L)
TEMPERATURA (°C)
38
La oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) al ser de carácter apolar dificulta
la solubilidad en agua pero al acomplejarse con β-ciclodextrina esto cambia,
posiblemente debido a que los grupos hidrofóbicos de todos los compuesto presentes en
la oleorresina como el β-caroteno, ya no se encuentran en contacto con el solvente sino
con los átomos de la cavidad interna de la β-ciclodextrina y la parte externa de la misma
es la que interactúa con el solvente formando puentes de hidrógeno, por lo tanto se reduce
la tensión interfacial entre la oleorresina con baja solubilidad y la propia disolución
originando así una dispersión del color como se ilustra en la figura 15 (Jullian, 2007).
Figura 15 Solubilidad a 40°C.
Análisis térmico.
La figura 16 corresponde al termograma del extracto de oleorresina de pimiento
(Capsicum annuum) donde se observa que la temperatura inicial de degradación es de
134,49°C.
Figura 16 Termograma de oleorresina de pimiento (Capsicum annuum)
En el termograma de la figura 17 corresponde a la β-ciclodextrina se observa una
temperatura de degradación de 307,93°C. Si bien en el rango de 0-100°C se observa la
39
presencia de picos, estos se deben posiblemente a la pérdida de agua que contiene la β-
ciclodextrina utilizada con un 15% de humedad.
Figura 17 Termograma de β-ciclodextrina Sigma-Aldrich, CAS 7585-39-9
En la figura 18 se muestra el termograma del complejo de oleorresina-β-
ciclodextrina en donde no se observa picos en el rango de 130-170°C. Estos datos indican
que indica la formación del complejo de inclusión, le otorga estabilidad térmica a la
oleorresina de pimiento (Capsicum annuum). La temperatura de degradación en
289,02°C se debe posiblemente a la β-ciclodextrina con un desplazamiento del pico de
307,93 debido a la interacción entre la oleorresina y β-ciclodextrina.
Figura 18 Termograma del complejo oleorresina-β-ciclodextrina
40
Análisis por espectroscopia infrarroja con transformadas de Fourier.
Los espectros IR de las figuras 19 y 20 corresponden a la β-ciclodextrina Sigma-
Aldrich, CAS 7585-39-9 y al complejo de oleorresina- β-ciclodextrina respectivamente.
Figura 19 Espectro IR de β-ciclodextrina Sigma-Aldrich, CAS 7585-39-9
Figura 20 Espectro IR del complejo oleorresina- β-ciclodextrina
La variación de los picos en la forma, el cambio de intensidad pueden dar
información respecto de la formación de un complejo de inclusión; en la figura 19 se
muestran bandas características de absorción de la β-ciclodextrina: 3306,36cm-1 que
corresponde al estiramiento del grupo OH, en 2913,91 cm-1 estiramiento C-H, la
vibración de estiramiento H-O-H en 1642,09cm-1 y en 1020,16cm-1 el estiramiento C-O-
C.
41
De acuerdo a la figura 20 se observa un espectro similar a la β-ciclodextrina sin
embargo se evidencian cambios en la intensidad de los picos y existen desplazamientos
de la banda de estiramiento del grupo OH de 3306,36cm-1 a 3286,11cm-1 y de
2913,91cm-1 a 2900,41cm-1 del estiramiento C-H. Además el pico observado en
1642,09cm-1 en la figura 19 cambia de intensidad en la figura 20 lo que indica de acuerdo
a Meñaca, Restrepo y Colmenares (2018) la formación del complejo de oleorresina-β-
ciclodextrina debido a la interacción de los grupos OH dentro de la cavidad de la β-
ciclodextrina con la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) encapsulada. (Meñaca,
Restrepo, & Colmenares, 2018)
Tamaño de partícula, polidispersión.
Se determinó el tamaño de partícula y el índice de polidispersión de la β-
ciclodextrina y del complejo de oleorresina-β-ciclodextrina y se obtuvieron los siguientes
resultados detallados en la tabla 21.
Tabla 21 Tamaño de partícula e índice de polidispersión
Muestra Tamaño (nm) Tamaño (µm) Índice de
polidispersión
β-ciclodextrina 10772,0 10,8 42,148
Oleorresina-β-
ciclodextrina 10648,2 10,6 4,884
Elaborado por: Chamba Adriana
De acuerdo a la tabla 19 el tamaño de partícula del complejo oleorresina-β-
ciclodextrina es menor en 1,2% con respecto a la β-ciclodextrina, esto se debe
posiblemente a la encapsulación por el método de coprecipitación que según Guevara y
Jiménez (2008) permite que se obtenga un tamaño de partícula en un rango de 5-50µm.
Si se compara el tamaño de partícula de la β-ciclodextrina y el complejo oleorresina-β-
ciclodextrina, no se observa una variación considerable; sin embargo, en el índice de
polidispersión se ve una diferencia de 37,26 unidades, lo que indica que el complejo
oleorresina-β-ciclodextrina presenta mejor uniformidad en el tamaño de partícula en
suspensión.
Potencial Z.
El valor del potencial Z que se obtuvo de la solución acuosa al 0,1% de complejo
oleorresina-β-ciclodextrina es de -36,4±1,4 mV que según Díaz, Jiménez y Lugo (2016)
los valores de potencial zeta mayores que 30 mV y menores que -30 mV promueven una
alta estabilidad y evitan que las partículas lleguen al fenómeno de agregación. (Díaz,
Jiménez, & Lugo, 2016) y de acuerdo a esto la solución acuosa del complejo oleorresina-
β-ciclodextrina presenta una alta estabilidad electrostática.
42
Estabilidad de almacenamiento.
Se realizó un estudio de la estabilidad tanto del extracto de oleorresina y del
complejo formado oleorresina-β-ciclodextrina, en condiciones de control (temperatura
ambiente) y estrés (40°C); además se varió el envase utilizando cajas Petri protegidas de
la luz y otras sin protección.
Se cuantificaron los carotenoides totales en función de β-caroteno durante 40 días.
En la tabla 22 se presenta la concentración de β-caroteno de las muestras de oleorresina
y complejo oleorresina-β-ciclodextrina a 39,66°C; 26,18% de humedad y un envase sin
protección de luz.
Tabla 22 Estabilidad a condiciones de estrés y sin protección de la luz.
Oleorresina Complejo oleorresina-β-ciclodextrina
Tiempo
(días) Concentración (mg/L)
Tiempo
(días) Concentración (mg/L)
0 1,6909 0 0,5419
1 1,4794 1 0,3911
4 0,7983 4 0,3733
8 0,9890 8 0,3876
12 0,7943 12 0,3599
14 0,7275 14 0,3114
19 0,7151 16 0,3055
23 0,5547 19 0,3055
27 0,4729 23 0,2971
33 0,4415 27 0,2397
36 0,4165 33 0,2229
40 0,2575 36 0,2140
40 0,2100
Elaborado por: Chamba Adriana
Con los datos de tabla 22 se realizó la gráfica 3 que muestra la concentración de
oleorresina en función del tiempo. En la cual se observa como la concentración de
oleorresina desciende drásticamente conforme el tiempo avanza esto se debe
posiblemente a la degradación química debida a reacciones de hidrolisis, oxidación y
fotolisis (García, 2019). Además se visualiza que la concentración del complejo no
disminuye drásticamente conforme el tiempo avanza.
43
Gráfica 3 Estabilidad a condiciones de estrés y sin protección de la luz.
En la tabla 23 se muestra la estabilidad a temperatura ambiente (21,05°C) con una
humedad del 48% y en envases sin protección de la luz.
Tabla 23 Estabilidad a condiciones ambientales y sin protección de la luz
Oleorresina Complejo oleorresina-β-ciclodextrina
Tiempo
(días) Concentración (mg/L)
Tiempo
(días) Concentración (mg/L)
0 1,8134 0 0,6107
1 1,6783 1 0,5469
4 1,4310 4 0,3940
8 1,0515 8 0,3525
12 0,8858 12 0,3342
14 0,8076 14 0,3342
19 0,7924 16 0,3342
23 0,7674 19 0,3258
27 0,6304 23 0,3045
33 0,6246 27 0,3010
36 0,5785 33 0,2837
40 0,2535 36 0,2728
40 0,2145
Elaborado por: Chamba Adriana
Con los datos de la tabla 23 se realizó la gráfica 4 que se observa como la
oleorresina de pimiento se ve afectada por la luz y humedad del medio, provocando que
su concentración inicial descienda en un 86%. En el caso del complejo oleorresina-β-
0,0000
0,2000
0,4000
0,6000
0,8000
1,0000
1,2000
1,4000
1,6000
1,8000
0 5 10 15 20 25 30 35 40
CO
NC
EN
TR
AC
IÓN
(m
g/L
)
TIEMPO (Días)
OLEORRESINA COMPLEJO
44
ciclodextrina se produce un decremento del 64% en su concentración inicial por lo tanto
la encapsulación le otorga mayor estabilidad frente a la luz y humedad del medio.
Gráfica 4 Estabilidad a condiciones ambientales sin protección de la luz
En el caso de las muestras a 39,66°C; 26,18% de humedad y un envase con
protección de luz, se observó que la oleorresina se degrada bruscamente en el doceavo
día, sin embargo con la protección de la luz permite que en el día cuarenta llegue a una
concentración de 0,2620mg/L en comparación a la realizada en condiciones ambientales
que llego a 0,2575mg/L (tabla 22).
Con respecto al complejo oleorresina-β-ciclodextrina también presenta mayor
concentración en día 40 debido a que llega a 0,2308mg/L en comparación a 0,2100mg/L
en condiciones ambientales (tabla 22). En la tabla 24 se muestra como varía la
concentración en condiciones de estrés con protección de la luz.
Tabla 24 Estabilidad a condiciones de estrés y con protección de la luz
Oleorresina Complejo oleorresina-β-ciclodextrina
Tiempo
(días) Concentración (mg/L)
Tiempo
(días) Concentración (mg/L)
0 1,7475 0 0,5459
1 1,5503 1 0,3535
4 1,1384 4 0,3302
8 1,0135 8 0,3292
12 0,8710 12 0,3183
14 0,7408 14 0,3094
19 0,7235 16 0,3010
23 0,6798 19 0,2971
27 0,6087 23 0,2852
33 0,5597 27 0,2719
36 0,3856 33 0,2575
40 0,2620 36 0,2432
40 0,2308
Elaborado por: Chamba Adriana
0,0000
0,2000
0,4000
0,6000
0,8000
1,0000
1,2000
1,4000
1,6000
1,8000
2,0000
0 5 10 15 20 25 30 35 40
CO
NC
EN
TR
AC
IÓN
(m
g/L
)
TIEMPO (Días)
OLEORRESINA COMPLEJO
45
De acuerdo a la tabla 24 se obtuvo la gráfica 5 en donde se visualiza que la
variación de la concentración se mantiene aproximadamente constante en el complejo
oleorresina-β-ciclodextrina en comparación con la oleorresina que se observa una
inflexión en el doceavo día.
Gráfica 5 Estabilidad en condiciones de estrés y con protección de la luz
Finalmente en condiciones ambientales (21,05°C; 48% humedad) con protección
de la luz, se evidencia que la oleorresina alcanza en el día 40 una concentración de
0,4170mg/L, la misma que es mayor respecto a la obtenida en condiciones ambientales
sin protección de la luz con una concentración de 0,2535mg/L (tabla 23). Estos valores
indican que la luz es un factor que afecta a la estabilidad de la oleorresina.
Con respecto al complejo oleorresina-β-ciclodextrina se observa que al igual que
la oleorresina mantiene la más alta concentración en el día 40 de 0,2738mg/L en
comparación a la de 0,2145mg/L (tabla 23) en condiciones ambientales sin protección de
la luz.
En la tabla 25 se muestra la variación de la concentración durante los 40 días de
estudio a las condiciones antes mencionadas.
0,0000
0,2000
0,4000
0,6000
0,8000
1,0000
1,2000
1,4000
1,6000
1,8000
2,0000
0 5 10 15 20 25 30 35 40
CO
NC
EN
TR
AC
IÓN
(m
g/L
)
TIEMPO (Días)
OLEORRESINA COMPLEJO
46
Tabla 25 Estabilidad a condiciones ambientales y con protección de la luz
Oleorresina Complejo oleorresina-β-ciclodextrina
Tiempo
(días) Concentración (mg/L)
Tiempo
(días) Concentración (mg/L)
0 1,9627 0 0,5464
1 1,8989 1 0,4816
4 1,8415 4 0,4766
8 1,6361 8 0,3965
12 1,5330 12 0,3935
14 0,9937 14 0,3109
19 0,9476 16 0,3005
23 0,9356 19 0,2832
27 0,8867 23 0,2526
33 0,6591 27 0,2263
36 0,5488 33 0,3104
40 0,4178 36 0,3218
40 0,2738
Elaborado por: Chamba Adriana
En la gráfica 6 se evidencia que la oleorresina se degrada drásticamente a partir
de doceavo día por lo que se visualiza un punto de inflexión en la curva, además con
respecto al complejo oleorresina-β-ciclodextrina se mantiene en una degradación
constante conforme el tiempo avanza.
Gráfica 6 Estabilidad a condiciones ambientales con protección de la luz
0,0000
0,2000
0,4000
0,6000
0,8000
1,0000
1,2000
1,4000
1,6000
1,8000
2,0000
2,2000
0 5 10 15 20 25 30 35 40
CO
NC
EN
TR
AC
IÓN
(m
g/L
)
TIEMPO (Días)
OLEORRESINA COMPLEJO
47
Se determinó las constantes cinéticas, el tiempo de vida media con los datos de
las tablas de la 22 a la 25, además se determinó que la estabilidad tanto en condiciones
ambientales como de estrés siguen una cinética de primer orden de acuerdo al método
gráfico que según Fonseca y Berrocal (2004) establece que al graficar el logaritmo
natural de la concentración en función del tiempo se obtiene un coeficiente de correlación
mejor en comparación a los otros ordenes cinéticos. (Fonseca & Berrocal, 2004)
En la tabla 26 se presentan las ecuaciones obtenidas, su coeficiente de correlación
y las constantes cinéticas para cada condición de estudio.
Tabla 26 Cinética de la estabilidad de la oleorresina y del complejo oleorresina-β-ciclodextrina
Muestra Luz T (°C) Ecuación R2 Orden
Cinético
Constante
cinética (días-1)
Oleorresina
Si 39,66 y=-0,0370x+0,2863 0,9055 1 0,0370
21,05 y=-0,0362x+0,4747 0,8705 1 0,0362
No 39,66 y=-0,0377x+0,4002 0,9273 1 0,0377
21,05 y=-0,0366x+0,7204 0,9560 1 0,0366
Complejo
oleorresina-β-
ciclodextrina
Si 39,66 y=-0,0202x-0,8147 0,9124 1 0,0202
21,05 y=-0,0187x-0,7396 0,8035 1 0,0187
No 39,66 y=-0,0139x-0,7086 0,9215 1 0,0139
21,05 y=-0,0158x-0,7272 0,8150 1 0,0158
Nota. y: ln [Concentración]; x: tiempo (días); R2: coeficiente de correlación; T: temperatura
Elaborado por: Chamba Adriana
Con las contantes cinéticas de la tabla 26 se determinó el tiempo de vida media
para la oleorresina y del complejo de oleorresina-β-ciclodextrina a cada una de las
condiciones de estudio de la estabilidad como se visualiza en la tabla 27.
Tabla 27 Tiempo de vida media de la oleorresina y complejo de oleorresina-β-ciclodextrina
Muestra Luz T (°C) Tiempo de vida media
(días)
Oleorresina
Si 39,66 19
21,05 19
No 39,66 18
21,05 19
Complejo oleorresina-β-ciclodextrina
Si 39,66 34
21,05 37
No 39,66 50
21,05 43
Nota. T: temperatura
Elaborado por: Chamba Adriana
48
En la tabla 27 se observa que la oleorresina disminuye en el 50% la concentración
de carotenoides totales expresados como β-caroteno alrededor del día 18 o 19, en cambio
el complejo de oleorresina-β-ciclodextrina aumenta su tiempo de vida media, incluso se
observa que en condiciones de estrés a 39,66°C y con protección a de la luz va alcanzar
un tiempo de vida media de 50 días. Por lo tanto el proceso de encapsulación de la
oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) en β-ciclodextrina permite conservar por
más tiempo las propiedades de la oleorresina.
Validez de la hipótesis de trabajo.
Con los resultados analizados, se puede aceptar la hipótesis alternativa: “Es
posible encapsular oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) en β-ciclodextrina, para
obtener un colorante soluble en agua y con mayor estabilidad”.
De acuerdo al análisis estadístico se obtuvo que en condiciones de 800rmp, 40
minutos de agitación y 3mL de oleorresina se obtiene una eficiencia de encapsulación
del 99,07%.
Los resultados de los análisis permitieron verificar la solubilidad en agua del
complejo formado y la estabilidad incrementada del mismo respecto de la oleorresina
utilizada.
49
Capítulo V
Conclusiones y recomendaciones
Conclusiones.
Se realizó la extracción de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) con
cloroformo como solvente en un equipo Söxhlet y se obtuvo un rendimiento de
extracción del 8,09% ± 0,68%.
Se desarrolló un proceso de encapsulación de la oleorresina de (Capsicum
annuum) en β-ciclodextrina y se determinó el método de trabajo que maximice la variable
respuesta eficiencia de encapsulación, mediante un diseño factorial 23. Se obtuvo una
eficiencia de encapsulación del 99,07% al trabajar con: 800rmp, 40 minutos de agitación
y 3mL de oleorresina.
Se determinó la solubilidad a cuatro temperaturas (20, 25, 40 y 70°C) por el
método gravimétrico, la solubilidad a 70°C es de 1,016g/L±0.463g/. Sin embargo a esta
temperatura se evidenció la perdida de color por tanto la solubilidad del complejo de
oleorresina-β-ciclodextrina es adecuada a 40°C y se obtuvo 0,788g/L±0.313g/L, sin
pérdida de color.
Se corrieron termogramas de: β-ciclodextrina, oleorresina y complejo de
oleorresina-β-ciclodextrina, donde se observó que la temperatura inicial de degradación
de la oleorresina es de 134,49°C, en la β-ciclodextrina fue de 307,93°C y en el complejo
de oleorresina-β-ciclodextrina en 289,02°C. Por lo tanto el proceso de encapsulación de
la oleorresina en β-ciclodextrina otorgó estabilidad térmica a la oleorresina al no
presentar picos alrededor de 134,49°C.
Se analizó la formación del complejo oleorresina-β-ciclodextrina mediante
espectroscopía infrarroja, se realizaron los espectros IR de β-ciclodextrina y del complejo
de oleorresina- β-ciclodextrina donde se observaron desplazamientos en el espectro del
complejo de oleorresina-β-ciclodextrina en la banda de estiramiento del grupo OH de
3306,36cm-1 a 3286,11cm-1 y de 2913,91cm-1 a 2900,41cm-1 del estiramiento C-H con
respecto al espectro de β-ciclodextrina por lo tanto indica la formación del complejo de
oleorresina-β-ciclodextrina debido a la interacción de los grupos OH dentro de la cavidad
de la β-ciclodextrina con la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum) encapsulada.
Se obtuvo un tamaño de partícula de 10,8µm para la β-ciclodextrina y 10,6µm
para el complejo de oleorresina-β-ciclodextrina con una variación entre ambas del 1,2%,
además el índice de polidispersión fue de 42,148 en la β-ciclodextrina y 4,884 en el
complejo de oleorresina-β-ciclodextrina con una variación considerable de 37,26
unidades, lo que indica que el complejo oleorresina-β-ciclodextrina presenta mejor
uniformidad en el tamaño de partícula en suspensión.
50
Se determinó el valor del potencial Z de una solución acuosa al 0,1% de complejo
oleorresina-β-ciclodextrina que fue de -36,4±1,4 mV y al estar fuera del rango de menos
30mV a 30mV presentó una alta estabilidad electrostática por lo tanto el complejo
oleorresina-β-ciclodextrina en solución no presenta fenómenos de agregación.
Se estudió la estabilidad de almacenamiento durante 40 días donde se evidenció
como la oleorresina baja su concentración drásticamente conforme el tiempo avanza, en
cambio el complejo oleorresina-β-ciclodextrina mantiene una degradación constante en
cada uno de las condiciones de almacenamiento de acuerdo a la tabla 10, por lo tanto se
determinó que las condiciones de almacenamiento para el complejo oleorresina-β-
ciclodextrina deben ser a temperatura ambiente en envase con protección a luz. Sin
embargo la diferencia recae en el tiempo de vida media debido a que la oleorresina
disminuye en el 50% su concentración de carotenoides totales expresados como β-
caroteno alrededor del día 18 o 19, en cambio el complejo de oleorresina-β-ciclodextrina
aumenta su tiempo de vida media, incluso se observa que en condiciones de estrés a
39.66°C y con protección de la luz va alcanzar un tiempo de vida media de 50 días.
Recomendaciones.
Se recomienda realizar un estudio para determinar una formulación de crema de
uso cosmético con la aplicación del complejo oleorresina-β-ciclodextrina. De acuerdo a
una prueba preliminar de una formulación detallada en la tabla 28 se obtuvo buenos
resultados debido a que no se evidenció separación de fases durante un mes y obtuvo un
pH de 5-6.
Tabla 28 Formulación preliminar de crema de uso cosmético
Componente Porcentaje (%)
Úrea 1
Agua 80
Glicerina 5
Complejo oleorresina-β-ciclodextrina 9
Aceite de aguacate 3
Carboximetilcelulosa 1
Span 80 1
Total 100
Nota. Elaborado por: Chamba Adriana
Se plantea determinar en el complejo de oleorresina- β-ciclodextrina el índice de
Carr, Hauner y ángulo de reposo para determinar la compresibilidad y pueda ser aplicado
posiblemente en comprimidos de vitamina C
51
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Anexos
Anexo A Árbol de problemas
Falta de estabilidad de la oleorresina de pimiento (Capsicum annuum)
Pardeamiento no
enzimático
Humedad
Presencia de
carotenoides
Degradación oxidativa
Termosensible Fotosensible
Utilización de colorantes
sintéticos tóxicos
Aparición de
enfermedades
Aparición de
compuestos vía ruta
sintética
Escaso uso de colorantes
naturales en la industria
Precauciones en el
almacenamiento
58
Anexo B Categorización de variables
Ole
orr
esin
a d
e pim
ien
to (C
apsi
cum
an
nu
um
)
Composicón Química
Carotenoides
Estructura química y clasificación
Distribución en los alimentos
Propiedades físico-químicas
Encapsulación
Métodos
Materiales encapsulantes
Estabilidad por alamacenamiento Tiempo de vida media
59
Anexo C Instrumentos de recolección de datos
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Instrumento de recolección de datos
Datos para la eficiencia de encapsulación
Fecha del análisis:
N° Patrón Velocidad de
agitación (rpm)
Tiempo de
agitación
(min.)
Volumen de
oleorresina
(mL)
Absorbancia
antes de
encapsular
Absorbancia
después de
encapsular
Eficiencia de
encapsulación
(%)
1
2
3
4
5
6
7
8
60
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Instrumento de recolección de datos
Datos para la solubilidad
Fecha del análisis:
Temperatura (°C):
N°
Frasco
Volumen
de agua
(mL)
Peso
frasco
vacío
(g)
Peso del
complejo
(mg)
Peso del
frasco
más
complejo
(después
7días)
Masa de
complejo
solubilizado
(g)
Solubilidad
(g/L)
1
2
3
4
5
61
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Instrumento de recolección de datos
Datos para estabilidad por almacenamiento
Fecha del análisis:
Temperatura (°C):
Humedad (%):
Día:
Muestra Peso del
complejo (mg)
Factor de
disolución
Absorbancia Concentración
(mg/L)
1
2
3
4
5
6
7
8
62
Anexo D Fotografías del trabajo de investigación
Imagen 1 Muestra de pimiento fresca cortada diagonalmente
Imagen 2 Muestra de pimiento seco
Imagen 3 Extracción de oleorresina de pimiento
63
Imagen 4 Reacción de Carr-Price
Imagen 5 Oleorresina de pimiento
Imagen 6 Encapsulación de la oleorresina de pimiento en β-ciclodextrina
64
Imagen 7 Muestras encapsuladas del diseño experimental
Imagen 8 Muestra
Imagen 9 Estabilidad de almacenamiento día cero
Imagen 10 Estabilidad de almacenamiento día 40
65
Imagen 11 Cremas de uso cosmético
