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Extração de pigmentos das sementes de urucum
(Bixa orellana L.) usando água como solvente
Paulo Roberto Nogueira Carvalho(1); Marta Gomes da Silva(1); Paulo Eduardo da Rocha
Tavares(1); Eliane Gomes Fabri(2)
Resumo
O pigmento das sementes de urucum (Bixa orellana, L.) é o corante natural mais utilizado em alimentos
no Brasil. Sua produção tem sofrido intensas oscilações nos últimos 20 anos, acompanhando a evolução
dos preços praticados pelas indústrias de corantes. Essas oscilações são em grande parte decorrente da
necessidade de se comercializar as sementes imediatamente após a colheita, devido ao risco de
degradação do pigmento. A perda desses pigmentos ocorre tanto pela degradação química
(característica intrínseca dos carotenóides, grupo no qual se insere os pigmentos do urucum) como pelo
atrito entre as sementes, decorrente da perda da umidade causada pelo armazenamento. Por tudo isso
se torna necessário uma solução que possibilite ao produtor armazenar, de forma segura, o pigmento
das sementes e comercializá-lo em condições que lhe sejam favoráveis. Este estudo teve como objetivo
estabelecer e otimizar uma tecnologia para a extração dos pigmentos das sementes de urucum,
utilizando água como solvente. Nesse trabalho foi dada preferência a uma tecnologia sem grandes
complexidades tecnológicas, cuja implantação possa ser realizada próxima às zonas produtoras de
urucum, pelos próprios agricultores ou por cooperativas. O estudo indicou que é possível a utilização de
apenas água como solvente de extração, a uma temperatura de 50ºC. O método de extração empregado
resultou em um rendimento superior a 90%.
Palavras-chave: Urucum; Bixina.
Pigment extraction from annatto (Bixa orellana L.) seeds using water as
solvent
Abstract
Pigments of annatto (Bixa orellana, L.) seeds are the most widely used natural colorant in Brazilian
food. Its production has varied over the last twenty years, since it was pegged to the price of the colorant
industry. Those variations resulted from the need to sell seeds after cropping to prevent pigment degradation
risks. Pigment losses occur both due to chemical degradation (intrinsic characteristics of carotenoids, and
annatto is part of this group), and friction among seeds resulting from humidity loss during storage. Therefore
we needed to find a solution that allow producers to safely store and sell pigment seeds under favorable
conditions. The objective of this study is to establish and optimize an extraction technology for annatto seed
pigments using water as solvent. Preferably a technology that could be applied closer to annatto cropping
areas and used by farmers or cooperative groups. This study show that it is possible the use of just water as
extraction solvent. The method resulted in an extraction superior to 90%.
Key words: Annatto; Bixin.
(1)
- Instituto de Tecnologia de Alimentos, Av. Brasil, 2880, 13073-178, Campinas (SP). E-mail:
[email protected] - E-mail: [email protected] - E-mail: [email protected]
(2)
- Instituto Agronômico, Campinas (SP), E-mail: [email protected]
CARVALHO, P. R. N. et al.
1. INTRODUÇÃO
Os pigmentos extraídos das sementes de
urucum são utilizados na culinária brasileira
desde os tempos mais remotos. Passando de
cultura extrativista para plantios comerciais na
década de 80, o urucum tornou-se o pigmento
natural mais utilizado pelas indústrias de
alimentos. O urucum também é utilizado em
cosméticos, cerâmicas, tintas, na medicina, nas
indústrias têxtil e farmacêutica (CARVALHO e
HEIN, 1989). Mesmo com todo esse sucesso,
uma série de problemas tem persistido para
quem trabalha com essa cultura. A pouca
estabilidade do pigmento das sementes à luz e
às altas temperaturas, assim como a
possibilidade de perdas pelo atrito, faz com que
os processos de pós-colheita como o
beneficiamento,
acondicionamento
e
o
transporte tenham que ser realizados sob
rigoroso controle (MCKEOWN, 1963, NAJAR
et al., 1988, CARVALHO, et al., 1993a).
A característica sazonal do urucum
implica em produções concentradas em certas
épocas do ano e o armazenamento das sementes
para a comercialização durante todo o ano é
limitado pela degradação sofrida pelo pigmento.
O pigmento que está presente em maior
concentração na semente de urucum é a cisbixina, alcançando mais de 80% dos
carotenóides totais (PRESTON e RICKARD,
1980). A bixina (metil, hidrogênio 9’-cis-6,6’diapocaroteno-6,6’-dioato)
é
o
éster
monometílico de um ácido dicarboxílico
denominado norbixina (6, 6’ –diapocaroteno – 6,
6’ – ácido dióico). O grande número de duplas
ligações conjugadas, que confere a cor
características a esses pigmentos, torna-os
também bastante reativos e suscetíveis a
isomerização e oxidação. CARVALHO et al.
(1993b), publicaram um artigo sobre a
estabilidade do corante do urucum em
embalagens com diferentes permeabilidades à
luz e ao oxigênio. Tanto a luz como o oxigênio
apresentaram forte influência na degradação do
pigmento.
A semente de urucum apresenta em sua
superfície um arilo que possui várias
substâncias além da bixina (JONDIKO e
PATTENDEN, 1989; MERCADANTE e
PFANDER, 2001; MERCADANTE et al.,
1996). Este arilo representa cerca de 5 a 10% do
peso da semente, dos quais 30% é representado
pelo carotenóide bixina (CARVALHO et
al.,1991).
A cis-bixina é um apocarotenóide com
características peculiares. Na forma esterificada,
a cis-bixina, é “pouco” solúvel em óleo, mas
quando submetida ao aquecimento ela é
rapidamente convertida ao isômero all-trans,
mais estável e com maior solubilidade em óleo
vegetal. Quando submetida à hidrólise em meio
alcalino, a bixina é saponificada dando origem a
um “sal de norbixina” denominado como
“norbixato”. Nessa forma torna-se solúvel em
soluções aquosas alcalinas.2
A acidificação da solução alcalina
precipita
a
norbixina
que
apresenta
características semelhantes às da bixina como
solubilidade, cor e poder tintorial. A Figura 1
apresenta as fórmulas estruturais desses
pigmentos.
FIGURA 1. Fórmulas estruturais propostas para
a bixina e seus derivados.
O fato de o material corante ficar
localizado na superfície da semente do urucum,
eliminando a necessidade de moagem, facilita
2
Grande parte das publicações sobre esse pigmento apresenta
erroneamente a norbixina como sendo um pigmento
hidrossolúvel. A norbixina é solúvel em soluções alcalinas,
geralmente na forma de sal de sódio ou potássio.
O Urucum, Campinas, v. 1, n. 1, p. 1-10, 2015.................2
Extração de pigmentos das sementes de urucum (Bixa orellana L.) usando água como solvente.
muito a extração do pigmento (CARVALHO,
1991).
Um dos produtos mais conhecidos do
urucum é o colorífico, denominado também
como colorau e utilizado como ingrediente para
alimentos (TOCCHINI e MERCADANTE,
2001). A obtenção do colorífico é feita a partir
de uma mistura das sementes de urucum, com
óleo vegetal, farinha de milho e sal (CANTO et
al., 1991).
Existem na literatura sistemas de extração
mecânica, baseados em técnicas simples que
promovem a raspagem ou atrito entre os grãos,
visando a separação da camada externa.
Contudo, os processos conhecidos ainda são
muito rudimentares, resultando em baixos
rendimentos, ocasionados principalmente pela
forma das sementes que apresenta em sua
superfície reentrâncias de difícil acesso
mecânico (CANTO et al., 1991).
Sendo a bixina um pigmento lipossolúvel
ela é extraída e comercializada em óleo. Nesse
processo, as sementes são agitadas em óleo
vegetal aquecido, com ou sem o auxílio de
coadjuvantes tecnológicos e o produto resultante
é padronizado e comercializado (CANTO et al.,
1991).
A utilização de solventes como o etanol
para a extração dos corantes do urucum é
também apresentada na literatura. O etanol tem
a propriedade de solubilizar parte do material
resinoso que participa da aderência do pigmento
ao grão. A solubilização desse material permite
a extração do pigmento da semente (CANTO et
al., 1991).
Outro processo bastante utilizado é a
extração do pigmento com soluções alcalinas
(COSTA e CHAVES, 2005). Esta solução
converte a bixina em um “sal”, possibilitando
sua solubilidade em água. A partir desse extrato
pode-se, pela adição de ácido, precipitar a
norbixina que, após separação, é comercializada
(CANTO et al., 1991) ou utilizada como base
para preparação de corantes para a indústria de
alimentos.
Este artigo apresenta uma tecnologia para
a extração dos pigmentos das sementes de
urucum, de fácil operação e que pode ser
instalada próxima às zonas produtoras de
semente. O produto dessa tecnologia, um
corante semiprocessado e concentrado, é
destinado às indústrias de corantes, substituindo
o comércio de sementes in natura, facilitando o
armazenamento,
o
transporte
e
a
comercialização.
2. MATERIAL E MÉTODOS
2.1 Matéria-prima
A matéria-prima utilizada no estudo foi
adquirida de um produtor da região de
Adamantina (oeste do Estado de São Paulo) e
identificada como sementes de urucum da
“variedade” Piave. A Tabela 1 apresenta a
caracterização das sementes. Essas sementes
representam uma das principais “variedades”
de urucum comercializado no Estado de São
Paulo e, portanto, de grande interesse para o
estudo.
TABELA 1. Concentração de carotenóides totais expressos como bixina, umidade e lipídios das
sementes de urucum utilizadas no estudo de extração do corante.
Bixina (g/100g)
Lipídios (g/100g)
Umidade (g/100g)
3,52 (0,09)
2,44 (0)
9,70 (0,1)
Médias de no mínimo duas repetições analíticas simultâneas e independentes (estimativas de desvio padrão)
Durante todo o período de trabalho a
degradação dos pigmentos das sementes foi
acompanhada e esses valores foram
considerados durante o desenvolvimento do
estudo.
2.2 Validação da metodologia
A metodologia utilizada para a análise de
carotenóides totais expressos como bixina nas
sementes e nos corante foi validada por SILVA
O Urucum, Campinas, v. 1, n. 1, p. 1-10, 2015.................3
CARVALHO, P. R. N. et al.
et al. (2007), onde uma massa de 10g ± 0,2g de
sementes de urucum inteiras foram pesadas em
um erlenmeyer de 300ml. Foi adicionado ao
erlenmeyer, 60ml de uma solução denominada
“solução sabão”. A “solução sabão” foi
preparada a partir da mistura de 290ml de óleo
de mamona, 100ml KOH 45% (m/v) e 190ml
água. A solução foi aquecida até ficar clara.
Uma alíquota de 290ml dessa mistura foi diluída
em 420ml de KOH 45% (m/v) e 3.200ml de
água. A massa das sementes com a “solução
sabão” foi determinada e a mistura aquecida até
a ebulição. A ebulição foi mantida por 2
minutos e a mistura foi resfriada à temperatura
ambiente e agitada por 10 minutos. O extrato
com as sementes foi novamente pesado e a
massa inicial foi ajustada com a adição de água.
Foi adicionado 350ml de água à mistura e uma
alíquota de 1ml foi quantitativamente
transferida para um balão de 100ml. O volume
do balão foi completado com KOH 0,5% (m/v)
e a mistura homogeneizada. A absorbância da
solução foi medida em um espectrofotômetro a
453nm, contra uma solução de KOH 0,5% (m/v).
A quantificação foi realizada usando o
coeficiente de absorção para sal de norbixina
1%
( E1cm
= 2850) e o valor foi convertido para
bixina multiplicando o resultado por um fator de
1,16.
5kg e transferida para o cesto do sistema de
extração. A água na temperatura estabelecida
pelo estudo foi adicionada e o processo de
agitação iniciado. Após o período determinado
para cada ensaio, as sementes foram separadas
do extrato com o auxílio da peneira. A massa
resultante foi separada por centrifugação e seca
em secador de bandejas a uma temperatura
inferior a 60ºC. O sistema de secagem é
opcional, pois a massa corante pode ser
comercializada
após
o
processo
de
centrifugação (ou filtração) desde que mantida
sob refrigeração.
Para a otimização do processo foi fixada
a velocidade do extrator em 270 rpm (± 20rpm),
a proporção de uma parte de sementes para
duas partes de água (estabelecida como a
melhor proporção para a performance do
processo) e avaliada a correlação entre o tempo
e a temperatura na extração dos pigmentos das
sementes de urucum. Para isso foi utilizado um
planejamento, com base em um modelo
Central Composto Rotacional (Tabela 2).
Como resultado foi avaliado o rendimento do
processo em percentagem de carotenóides
totais expressos como bixina.
TABELA 2. Delineamento utilizado na
otimização do processo de extração do corante
de sementes de urucum.
2.3 Processo de extração de corantes
A extração dos pigmentos das sementes
de urucum foi realizada por meio de um
sistema de agitação com movimento planetário,
com cesto de aço inoxidável com capacidade
para 4 litros, munido de um garfo tipo ancora.
As sementes foram separadas do extrato por
meio de uma peneira com tela de 850 m
(mesh 20) em aço inoxidável.
Uma massa de 2kg sementes foi pesada
em uma balança analítica, com capacidade para
Ensaio
Temperatura
Tempo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
-1
1
1
0
√2
−√2
-1
0
0
0
0
1
1
-1
−√2
0
0
-1
√2
0
0
0
Níveis codificados
−√𝟐
-1
0
1
√𝟐
Temperatura (ºC)
22
30
50
70
78
Tempo (minutos)
9
15
30
45
51
Fatores
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Extração de pigmentos das sementes de urucum (Bixa orellana L.) usando água como solvente.
2.4 Aplicação da tecnologia proposta em
sementes de urucum com diversos
teores de lipídios.
A influência do teor de lipídios em um
processo de extração que utiliza apenas água
como solvente foi considerada nesse estudo.
Para essa avaliação, método proposto foi
testado em três amostras de sementes de
urucum proveniente da coleção da Apta
Regional Centro Norte localizado em
Pindorama – SP (escolhidas com base na
concentração de lipídios). A Tabela 3 apresenta
a caracterização dessas sementes quanto aos
teores de bixina, umidade e lipídios.
TABELA 3. Composição das sementes de urucum, da coleção da Apta Regional Centro Norte,
utilizadas para a confirmação dos resultados do processo de extração de pigmentos. Os resultados
estão expressos em base seca.
1
Amostra
Bixina
Lipídios
Umidade
1
2
3
3,10 (0,04)
3,74 (0,06)
4,30 (0,01)
3,57 (0,03)
3,46 (0,05)
2,37 (0,04)
5,33 (0,65)
6,39 (0,57)
7,02 (0,14)
Média de, no mínimo, duas repetições analíticas simultâneas e independentes (estimativa de desvio padrão).
1
Bixina = carotenóides totais expressos como bixina.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Influência da velicidade de extração
Apesar de ser difícil medir com precisão
a velocidade de extração do sistema utilizado
(movimento planetário), foi possível obter uma
correlação entre a capacidade de extração e as
diferentes velocidades do equipamento
utilizado. Foram estudadas as velocidades 2, 4
e 6 indicadas no controle do equipamento e que
correspondem a 180rpm; 270rpm e 350rpm,
com uma incerteza de 20rpm, no eixo
secundário. Foi utilizada água como solvente
de extração, à temperatura ambiente, na
proporção de uma parte de semente para duas
partes de água. O tempo de extração foi fixado
em 20 minutos. Houve evidência de aumento
de extração com o aumento da velocidade do
equipamento (Figura 2). Contudo, a maior
velocidade promovia uma maior quebra das
sementes e perda de pigmento por vazamentos
não contidos pela tampa do equipamento. Com
base nesses resultados optou-se por fixar o
trabalho na velocidade média do equipamento
utilizado (270rpm ± 20rpm, no eixo
secundário).
FIGURA 2. Gráfico da evolução da extração
de pigmentos das sementes de urucum com o
uso de diferentes velocidades (180rpm;
270rpm e 350rpm).
3.2 Otimização do processo de extração
dos pigmentos das sementes de urucum.
A utilização de água como solvente de
extração foi escolhida tendo em vista as
seguintes características:
a) a capacidade demonstrada por esse solvente
em promover a remoção dos pigmentos da
semente de urucum;
b) a manutenção das características físicoquímicas dos pigmentos extraídos,
enviando às indústrias de corantes o
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CARVALHO, P. R. N. et al.
mesmo pigmento presente nas sementes de
urucum (cis-bixina);
c) a maior simplicidade e segurança do
processo;
d) a geração de resíduo de menor impacto
ambiental.
Os resultados do experimento de
otimização do processo, utilizando o
planejamento com base no modelo Central
Composto Rotacional, estão apresentados na
Tabela 4.
TABELA 4. Resultados obtidos com o modelo Central Composto Rotacional no estudo de
extração dos pigmentos das sementes de urucum.
Ensaio
Temperatura (ºC)
Tempo (minutos)
Rendimento %
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
30
70
70
50
78
22
30
50
50
50
50
45
45
15
9
30
30
15
51
30
30
30
62,59
62,66
48,31
41,86
58,60
53,08
44,18
65,10
61,30
60,17
60,24
A equação resultante do modelo utilizado
está apresentada a seguir. Os valores entre
parentes são os erros padrões dos coeficientes
da equação. A Tabela 5 apresenta a análise de
y=
60,57
(0,36)
+ 1,50x1
(0,22)
-
2,42x12
(0,27)
variância dos resultados e indicou que o
modelo é válido e que a regressão é
significativa. A Figura 3 apresenta os gráficos
plotados a partir dos resultados obtidos.
+
8,20x2
(0,22)
-
3,60x22
(0,27)
-
1,015x1x2
(0,32)
TABELA 5. Análise de variância do modelo escolhido para a otimização do processo de extração
do corante de urucum.
Fatores
Regressão
Resíduo
Falta de ajuste
Erro Puro
Total
R2 = 0,996;
GL
5
5
3
2
10
SQ
645,1973
2,5303
1,7285
0,8018
647,7276
QM
129,0395
0,5061
0,5762
0,4009
F
258,08
1,44
Desenvolvendo a equação para maximizar o rendimento, obteve-se uma temperatura igual a
51ºC e um tempo de extração de 47 minutos.
O Urucum, Campinas, v. 1, n. 1, p. 1-10, 2015.................6
Extração de pigmentos das sementes de urucum (Bixa orellana L.) usando água como solvente.
55
50
45
Tempo (min)
40
35
30
25
20
15
10
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura (ºC)
FIGURA 3. Gráficos dos resultados de otimização do processo de extração dos pigmentos de
sementes de urucum, utilizando o modelo Central Composto Rotacional.
3.3 Método proposto para a extração
dos pigmentos das sementes de
urucum
A Figura 4 apresenta o fluxograma
quantitativo básico para a extração do corante
de urucum proposto por esse trabalho. Nele, as
sementes são pesadas e enviadas ao sistema de
extração. Após a adição das sementes, a água é
adicionada, a 50ºC, em uma proporção de uma
parte de semente para duas partes de água. O
sistema de extração deve promover o atrito
entre as sementes, o que consiste no principal
mecanismo de liberação do pigmento. No
sistema utilizado nesse estudo, o tempo de
agitação mostrou-se significativo para a
extração, com os melhores resultados obtidos
após 47 minutos de extração.
Após a extração, as sementes são
separadas do extrato com o auxílio de uma
peneira com malha de 850m e retornam ao
sistema de extração. O processo é repetido até
a eliminação de mais de 80% dos pigmentos
presentes. Nesse estudo, o processo foi
repetido por seis vezes e a Figura 5 apresenta a
percentagem extraída após cada uma dessas
etapas. Ficou evidente que apenas três
extrações
promovem
a
remoção
de
aproximadamente 85% dos pigmentos em
sementes com teores de lipídios moderados
(<3,0%).
Os extratos são combinados e os
pigmentos são separados por centrifugação (ou
filtração). A massa resultante é seca em
secadores de bandeja com temperatura máxima
de 70ºC. O corante é triturado e envasado. O
armazenamento do corante deve ser feito em
sistemas refrigerados (<10ºC) e ao abrigo da
luz.
3.4 Aplicação do método proposto em
sementes de urucum com diferentes
teores de lipídios.
O método proposto mostrou ser eficiente
na extração de pigmentos em sementes com
elevados teores de lipídios. Contudo a
eficiência de extração de cada etapa variou,
apresentando uma menor capacidade de
extração para sementes com maiores teores de
lipídios (Figura 6). Esse desempenho indica
que um número maior de etapas é necessário
para sementes com elevados teores de lipídios
(>3%). As seis etapas propostas pela
metodologia foram suficientes para um
rendimento superior a 90%, mesmo para
sementes com altos teores de lipídios.
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CARVALHO, P. R. N. et al.
FIGURA 4. Fluxograma quantitativo básico para a extração do corante de urucum.
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Extração de pigmentos das sementes de urucum (Bixa orellana L.) usando água como solvente.
FIGURA 5. Evolução das etapas de extração do corante de urucum.
FIGURA 6. Evolução do processo de extração do pigmento das sementes de urucum da coleção da
Apta Regional Centro Norte.
4. Conclusões
 O extração dos pigmentos das sementes de
urucum, utilizando apenas água como
solvente, é factível e apresenta bom
rendimento.
 As melhores condições para a extração foram
obtidas com o uso de água aquecida a uma
temperatura de 50ºC.
 O processo facilita o armazenamento e o
transporte dos pigmentos até as indústrias de
corantes e elimina, para essas indústrias, o
problema do resíduo industrial representado
pelas sementes esgotadas.
5. Agradecimento
Os autores agradecem à Fundação de Amparo à
Pesquisa do Estado de São Paulo pelo auxílio
financeiro ao projeto.
6. Referências
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