ARTÍCULO CIENTÍFICO
Comportamiento
solvatocrómico del colorante natural de mortiño (Vaccinium floribundum Kunth)
Solvatochromic behavior of the natural colorant of
blueberry (Vaccinium floribundum Kunth)
Tatiana Mora tsmora@uce.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-7442-6317
Facultad de Ciencias Químicas,
Universidad Central del Ecuador. Código Postal 170521, Quito, Ecuador
Martha Suárez
https://orcid.org/0000-0002-1573-7430
Facultad de Ciencias Químicas,
Universidad Central del Ecuador. Código Postal 170521, Quito, Ecuador
Carlos Brito
https://orcid.org/0000-0002-7371-5141
Facultad de Ciencias Químicas,
Universidad Central del Ecuador. Código Postal 170521, Quito, Ecuador
Dennys Almachi
https://orcid.org/0000-0002-6316-0314
Facultad de Ciencias Químicas,
Universidad Central del Ecuador. Código Postal 170521, Quito, Ecuador
Comportamiento solvatocrómico del colorante natural de mortiño (Vaccinium floribundum Kunth)
La Granja. Revista de Ciencias de la Vida, vol. 38, núm. 2, pp. 9-16,
2023
Universidad
Politécnica Salesiana
2023.Universidad Politécnica Salesiana
Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.
Recibido: 23-10-2022
Aceptado: 06-06-2023
Publicado: 01-09-2023
DOI: http://doi.org/10.17163/lgr.n38.2023.01
Resumen
El efecto solvatocrómico
es la modificación del espectro de absorción de un soluto al variar el
solvente. El presente trabajo evaluó las características solvatocrómicas
de Malvidina-3-glucósido clorhidrato. El método para obtener longitudes de onda
máxima fue por barridos espectrales. En estándar primario CAS N° 7228-78.6, la variación fue determinada en mezclas
binarias de etanol-agua: 40,55 y 70%v/v. El efecto solvatocrómico
al modificar el pH del solvente (agua) fue evaluado en colorante natural y
estabilizado. Los resultados indican que los enlaces hidrógeno intermoleculares
entre Malvidina-3-glucósido y las mezclas binarias de etanol-agua son
responsables de los cambios solvatocrómicos: 565,2586
± 3.2784nm, 472,5498 ± 2.5128nm y 457,3589 ± 6.2586nm, producidos por las
combinaciones analizadas. Al estabilizar antocianinas en una matriz quelante
los cambios solvatocrómicos producidos al variar el
pH del solvente agua, son no significativos en comparación con el colorante
natural sin estabilizar.
Palabras
clave: Malvidina-3-glucósido,
metabolitos secundarios, colorante, productos naturales, solvatocromismo,
antocianinas, pectina.
Abstract
The
solvatochromic effect is the modification of the
absorption spectrum of a solute by varying the solvent. This research evaluated
the solvatochromic characteristics of
Malvidin-3-glucoside hydrochloride. The method to obtain maximum wavelengths
was by spectral scanning. In primary standard CAS No. 7228-78.6, the variation
was determined in binary mixtures of ethanol-water: 40,55, and 70%v/v. The solvatochromic effect when modifying the pH of the solvent
(water) was evaluated in natural dye and stabilized. The results suggest that
the intermolecular hydrogen connections between Malvidin-3-glucoside and the
ethanol-water binary mixtures are responsible for the solvatochromic
changes: 565.2586 ± 3.2784nm, 472.5498 ± 2.5128nm and 457.3589 ± 6.2586nm,
produced by the analyzed combinations. When anthocyanins are stabilized in a
chelating matrix, the solvatochromic changes produced
by varying the pH of the water solvent are not significant compared to the unstabilized natural dye.
Keywords: malvidin-3-glucoside, secondary metabolites, dye, natural products, solvatochromism, anthocyanins, pectin.
Forma sugerida de citar: Mora, T., Suárez,
M., Brito, C. y Almachi, D. (2023). Comportamiento solvatocrómico
del colorante natural de mortiño (Vaccinium floribundum Kunth). La Granja: Revistade Ciencias de la
Vida.Vol. 38(2):9-16. http://doi.org/10.17163/lgr.n38.2023.01.
1 Introducción
Vaccinium floribundum Kunth es un fruto nativo de los
eriales ecuatorianos (Torres y Pulgar, 2017). Durante la maduración esta baya
soporta cambios de color (Xu y col., 2010):
inicialmente verde cuando el fruto es inmaduro, rosado al alcanzar la madurez fisiológica
y finalmente negro cuando llega a la madurez total (Arteaga, Andrade y Moreno,
2014). Cianidina, malvidina
y delfinidina son antocianinas presentes en este tipo
de frutos (Jin y col., 2020). Narváez y Suárez (2016), reportaron que por cada gramo
de extracto seco de este fruto obtuvieron 3,92 mg de cianidina-3-o-glucosido
(Rahman y col., 2021).
Las antocianinas de origen vegetal son colorantes naturales,
(Yépez y Suárez, 2019) con propiedades protectoras para las plantas frente a:
luz UV, oxidantes y radicales libres (Enaru y col.,
2021). Su utilidad en la industria cosmética, alimenticia y farmacéutica se ha
incrementado por sus propiedades bioactivas (Buchweitz
y col., 2013) dentro de las cuales se encuentran: efectos antidiabéticos, antitumorales,
antiinflamatorios y anticancerígenos (Garzón, 2008). Además, son los ejecutores
de la gama de colores que comprende del rojo al azul de varios frutos (Nguyen y
col., 2018). Una de las razones de estas amplias tonalidades es la estructura
del anillo B presente en la estructura de Malvidina
3-O-Glucósido (Sánchez, 2013)). Este anillo presenta variaciones en sus
radicales (Tabla 1), en las cuales se pueden diferenciar mayor metoxilación con desplazamientos hacia coloraciones azules,
por otro lado, menor número de metoxilaciones con
tonalidades rojas (Rahman y col., 2021).
Tabla
1.
Antocianinas presentes en la naturaleza. Modificado por Rahman y col. (2021).
Para incrementar su solubilidad las antocianinas presentan
reemplazos glicosídicos en los radicales 3 y/o 5 (Putra
y col., 2023). Por ejemplo, en la naturaleza malvidina
está presente en forma de Malvidina 3-glucosido
(Ayala y col., 2018). Ver Figura 1.
Las acilaciones aromáticas pueden sustituir grupos glucosídicos,
produciendo tonalidades púrpuras (Kader y col.,
1998). Además, los pigmentos coloreados se encuentran en cuatro formas químicas
diferentes que dependen del pH del medio (Castañeda-Ovando y col., 2009). Así,
a pH = 1-3
se forma el catión flavilio, que es soluble en agua y
además es responsable de los colores rojo y púrpura (Vasco y col., 2009).
Cuando el pH aumenta entre 8 y 10, la especie azul quinoidal
es abundante (Belmonte y col., 2016) mientras que a pH entre 12 y 14 aparece la
pseudobase de carbinol y una chalcona,
compuestos que son incoloros. Sin embargo, los cuatro compuestos son solubles
en solventes polares y pueden coexistir en un amplio rango de pH (Enaru y col., 2021).
El solvatocromismo se usa
comúnmente en muchos campos para estudiar la polaridad global y local en macrosistemas
(Reichardt, 1994). Su estudio comprende fenómenos que
involucran fuerzas intermoleculares y dinámicas acopladas al solvente (Marini y
col., 2010).
Las antocianinas bajo condiciones experimentales presentan
propiedades solvatocrómicas por el contacto con
solventes que podrían producir hidroxilaciones, metoxilaciones,
cambios en el pH o sustituciones aromáticas (Iosub, Meghea y Geana, 2014). Basándose
en datos espectrales, Iosub, Meghea
y Geana (2014) establecieron correlaciones entre las
propiedades solvatocrómicas con los parámetros de
polaridad del solvente. El estudio determinó que los extractos de antocianinas
resultan útiles en el estudio del efecto solvatocrómico
en solventes de diferente polaridad.
Figura
1.
Estructura química de la Malvidina 3-O-Glucósido. Modificado
por Pubchem (2022).
La importancia del estudio del comportamiento solvatocrómico, específicamente en colorantes naturales,
con estructura similar a las antocianinas radica en la obtención del método de
cuantificación (Klymchenko, 2017). Haciendo énfasis
en los datos espectrales, “la ley de Beer explica los
aspectos cuantitativos de las mediciones de absorción por la dependencia lineal
de la concentración del soluto” (Linying y col.,
2022, p. 1386). Las ecuaciones de Lorentz-Lorenz y Clausius-Mosotti
son conocidas por la determinación de momentos dipolares, y el propósito “es
predecir un fuerte acoplamiento entre los osciladores de soluto y solvente” (Mayerhöfer y Popp, 2020, p. 2).
Al involucrar fuerzas intermoleculares con el solvente, es necesario establecer
rangos de variación, específicamente con relación a la polaridad (Lee y col.,
2013).
Según el Codex Alimentarius,
(2021), durante el proceso de fabricación es indispensable que el colorante
natural no se vea afectado por variaciones en la longitud de onda al estar en
contacto con los ingredientes de la formulación (Loving,
Sainlos e Imperiali, 2010).
El efecto solvatocrómico de antocianinas en un
producto farmacéutico, cosmético o alimenticio se ve reflejado como una
degradación (Cai y col., 2020).
Con los antecedentes presentados, el estudio realizado
evaluó el comportamiento solvatocrómico de estándar
primario de Malvidina -3- glucósido clorhidrato CAS N° 7228-78.6, producido por el acoplamiento soluto-solvente,
al variar la fracción molar del solvente. Este análisis determinó la longitud de
onda máxima para cada fracción molar de solvente. El comportamiento solvatocrómico también fue evaluado por la diversificación
de la longitud de onda máxima de Malvidina -3-
glucósido en colorante natural y estabilizado, al modificar el pH del solvente
(agua) a 4 y 6, con HCl y NaOH respectivamente. El análisis evaluó si los
comportamientos solvatocrómicos en estos pigmentos
son estadísticamente significativos, al variar el pH del solvente.
2 Materiales
y Métodos
2.1
Estudio
solvatocrómico:
estándar primario
El comportamiento solvatocrómico
fue evaluado en estándar primario de Malvidina -3-
glucósido clorhidrato CAS N° 7228-78.6, con
variación en la proporción del solvente (etanol-agua: 40,55, y 70% v/v. Durante
la determinación experimental de los barridos espectrales con estándar primario
el pH se mantuvo en el valor de 2, con la adición de una solución de HCl 1M para
preservar la estructura del ion flavilio, lo que
concuerda con la bibliografía (Iosub, Meghea y Geana, 2014).
El cambio de longitud de onda máxima de Malvidina 3-O-Glucósido, fue analizado por duplicado
durante tres días en un espectrofotómetro VARIAN 50Bio. La variación de los
datos fue analizada por desviación estándar a cada concentración de solvente.
2.2 Estudio solvatocrómico:
colorante natural
2.2.1
Extracción
El método de extracción
fue una modificación de la investigación (Almachi, 2018). La obtención de colorante
natural de Vaccinium floribundum
Kunth inició con el desengrasado del fruto de mortiño previamente seco y
molido, mediante Söxleth con nhexano
durante 8 horas, seguido de maceración en capuchones de papel filtro con etanol
al 96% durante 24 horas. Se percolaron individualmente cada capuchón a una
velocidad de 20 gotas por minuto hasta que fuese negativa la prueba de
compuestos fenólicos con cloruro férrico 5%. Cada extracto etanólico
fue concentrado en el equipo RapidVap: Calor de
evaporación 205 Kcal/Kg, Velocidad 45% y Vacío 175 Mbar. Los extractos secos se
almacenaron dentro de un desecador protegidos de la luz.
2.2.2
Estabilización
El colorante natural proveniente de extracto seco de Vaccinium floribundum
Kunth fue estabilizado en una matriz de pectina comercial (Ceampectin RS 4710), por el método de absorción con las
siguientes condiciones: concentración de etanol 60% v/v, concentración de
extracto 5% p/v y tiempo de contacto 25 horas.
2.2.3
Solvatocromismo
El comportamiento solvatocrómico
fue evaluado por la variación de la longitud de onda máxima de Malvidina -3- glucósido en colorante natural y
estabilizado, al modificar el pH del solvente (agua) a 4 y 6, con HCl y NaOH,
respectivamente. El estudio se basó en un análisis de covarianza múltiple
ANCOVA de dos factores, cada uno con 2 niveles sobre 1 variable respuesta, es
decir, K= 2 y n= 1. Para esto se desarrollaron 4 corridas experimentales, con una
réplica completa del diseño para determinar la reproducibilidad del modelo,
dando un total de 8 corridas experimentales.
3 Resultados
y Discusión
3.1
Evaluación
del comportamiento solvatocrómico
de Malvidina -3- glucósido clorhidrato
En la Tabla 2 se observan
los máximos de absorción de Malvidina con su
respectiva desviación estándar, evidenciando un efecto solvatocrómico
a diferentes concentraciones de solvente.
Tabla
2.
Resultados obtenidos por solvatocromismo de Malvidina.
El efecto del solvente producido por estos sistemas ternarios
(agua: etanol: antocianina) está determinado por los parámetros de polaridad de
la proporción etanol: agua. El solvatocromismo fue
evaluado por la capacidad del solvente para producir cambios dipolares en la
molécula de malvidina causados por el cambio de la
fracción molar del solvente. Mayerhöfer y Popp (2020) describen que los cambios polares producidos
por el solvente presentan modificaciones espectrales de las bandas de
absorción. Las variaciones polares producidas por el solvente se evidencian con
las alteraciones de la longitud de onda máxima de la Tabla 2. Por lo tanto, al
desarrollar un método de cuantificación con moléculas que presenten una
estructura similar a Malvidina-3-glucósido clorhidrato, es recomendable mantener
la fracción molar del solvente, para de esta manera evitar comportamientos solvatocrómicos del analito.
3.2 Evaluación del comportamiento solvatocrómico del colorante natural de Vaccinium
floribundum Kunth
3.2.1
Extracción
El proceso de
estandarización de extracto seco de mortiño partió de una muestra seca y molida
del fruto con las siguientes especificaciones: tamaño de partícula 595μm,
humedad 3,05 ± 0,05% y contenido de grasa total de 2,5 ± 0,2%. El método de
extracción de colorante natural y su estabilización en pectina descritos en
materiales y métodos, permitió obtener un rendimiento como extracto seco del
53,1 ± 4,4% y de colorante estabilizado del 91,8 ± 4,6%.
Tabla
3.
ANCOVA de dos factores.
La Tabla 3 presenta longitudes de onda máximas de malvidina en: colorante natural y estabilizado en pectina
cuando existe una variación de pH en agua. El análisis ANCOVA determinó que el
pH del colorante natural es significativo (Valor-p < 0;05), con un intervalo
de confianza del 95%. El pigmento al estar expuesto a una variación de pH de 4
y 6 presenta cambios en la longitud de onda máxima. Estos desplazamientos son
producidos por Malvidina -3-glucósido presente en el
extracto seco.
En un ambiente entre 2 y 4 deja la forma de
antocianina para estar presente como la especie quinoidal,
mientras que a pH 6 se encuentra como chalcona (Enaru y col., 2021). Al comparar las longitudes de onda
máxima del colorante natural con estabilizado, el análisis ANCOVA de dos
factores determinó que existe diferencia significativa (Valor-p < 0;05) con
un intervalo de confianza del 95%, lo cual se puede observar en la Figura 2. La
unión de Malvidina -3- glucósido con pectina por
puentes de hidrógeno con el oxígeno del grupo metoxilo de la antocianina
presenta un cambio reflejado en las longitudes de onda máxima (Koh, Xu y Wicker,
2020).
Figura
2.
Variación de longitud de Onda Máxima en colorante natural y colorante
estabilizado.
Los colorantes naturales al ser utilizados para fines
farmacéuticos, cosméticos o en alimentos deben ser estables frente a cambios de
pH durante los procesos de fabricación. El estudio determinó que no existe
diferencia significativa (Valor-p > 0;05), al variar el pH del solvente
cuando el colorante natural se encuentra estabilizado. La matriz estabilizante pectina
impide que Malvidina -3- glucósido interaccione con
los iones OH¯, H+ del solvente, impidiendo desplazamientos solvatocrómicos.
Los análisis se realizaron a pH específicos de 4 y 6.
Sin embargo, un estudio en alimentos determino que los alimentos
industrializados tienen valores de pH ligeramente más ácidos que los alimentos naturales.
Este hecho probablemente está relacionado con los métodos de conservación
utilizados y la adición de vitaminas. Los cereales registraron valores de pH
que oscilaron entre 7.95 y 5.4 (Casaubon y col.,
2018, p. 91). Por lo tanto, es necesario determinar cambios solvatocrómicos
en un mayor rango de pH.
4 Conclusiones
La presente investigación evaluó el
cambio de polaridad de malvidina -3- glucósido
clorhidrato al usar etanol como solvente en tres proporciones distintas. El estudió determinó que existen desplazamientos solvatocrómicos evidenciados por la variación de las
longitudes de onda máximas. Los resultados indican que los enlaces de hidrógeno
intermoleculares entre el soluto y el solvente son responsables de los cambios solvatocrómicos en las mezclas binarias analizadas. El
estudio en estándar primario no se basó en determinar significancia en los
cambios solvatocrómicos. El análisis fue la
evaluación de la reproducibilidad de cada longitud de onda en diferentes días.
El extracto seco al estar expuesto a
una variación de pH de 4 y 6, presenta cambios en la longitud de onda máxima.
Estos desplazamientos son producidos por Malvidina
-3- glucósido presente en el pigmento. El análisis ANCOVA determinó que la variación
de pH en el colorante natural produce variaciones significativas (Valor ˗p
<
0,05), con un intervalo de confianza del 95%.
La estabilización del pigmento en una
matriz natural determinó que no existe diferencia significativa (Valor ˗p
> 0,05), al variar el pH del solvente. Los desplazamientos
solvatocromicos que se producen por la presencia de
iones hidrogeno e hidroxilo a pH 4 y 6 fueron eliminados por la unión polisacáridopolifenol.
Agradecimientos
Los
más sinceros agradecimientos al Quim. Carlos Brito por su gran aporte en la
estadística de esta investigación, a la Doctora Martha Suárez Heredia, simplemente
porque sin su aporte no sería posible esta investigación, a la Agencia
Española de Cooperación para el desarrollo (AECID). Finalmente, al
Ministerio del Ambiente.
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