Quimica de los alimentos

Introducción

Un pigmento es un material que
cambia el color de
la luz que refleja como resultado de la
absorción selectiva del color. Este proceso físico
es diferente a la fluorescencia,
la fosforescencia y otras formas de luminiscencia,
en las cuales el propio material emite luz. Muchos materiales
selectivamente absorben ciertas ondas de luz, dependiendo de
su longitud de onda. Los materiales que los seres humanos
han elegido y producido para ser utilizados como pigmentos por lo
general tienen propiedades especiales que los vuelven ideales
para colorear otros materiales. Un pigmento debe tener una alta
fuerza teñidora relativa a los materiales que colorea.
Además debe ser estable en forma sólida
a temperatura ambiente. Los pigmentos son utilizados para
teñir pintura, tinta, plástico, textiles, cosméticos, alimentos y
otros productos. La mayoría de los pigmentos utilizados en
la manufactura y en las artes
visuales son colorantes secos, usualmente en forma
de polvo fino. Este polvo es añadido a un
vehículo o matriz, un material relativamente neutro o
incoloro que actúa como adhesivo. Para aplicaciones
industriales, así como artísticas, la permanencia y
la estabilidad son propiedades deseadas. Los pigmentos que no son
permanentes son llamados fugitivos. Los pigmentos fugitivos
se desvanecen con el tiempo, o con la exposición a la luz,
mientras que otros terminan por ennegrecer.

Generalmente se hace distinción
entre un pigmento, el cual es insoluble en el
vehículo (formando una suspensión), y
un tinte, el cual o es un líquido o es soluble
en el vehículo (resultando en una solución).
Un colorante puede ser un pigmento o un tinte dependiendo del
vehículo en el que se usa. En algunos casos, un pigmento
puede ser fabricado a partir de un
tinte precipitando un tinte soluble con una sal
metálica. Los pigmentos han sido utilizados desde tiempos
prehistóricos, y han sido fundamentales en las artes
visuales a lo largo de la Historia. Los principales pigmentos
naturales utilizados son de origen mineral o biológico. La
necesidad de conseguir pigmentos menos costosos dada la escasez
de algunos colores, como el azul, propició la
aparición de los pigmentos sintéticos. Los
pigmentos producen sus colores debido a que selectivamente
reflejan y absorben ciertas ondas luminosas. La luz
blanca es aproximadamente igual a una mezcla de todo
el espectro visible de luz. Cuando esta luz se
encuentra con un pigmento, algunas ondas son absorbidas por
los enlaces
químicos y sustituyentes del pigmento,
mientras otras son reflejadas. Este nuevo espectro de luz
reflejado crea la apariencia del color. Por ejemplo, un pigmento
azul marino refleja la luz azul, y absorbe los demás
colores. Los pigmentos, a diferencia de las sustancias
fluorescentes o fosforescentes, solo pueden sustraer ondas de la
luz que recibe, nunca añadir nuevas. La apariencia de los
pigmentos está íntimamente ligada al color de la
luz que reciben. La luz solar tiene
una temperatura de color alta y un espectro
relativamente uniforme, y es considerada un estándar para
la luz blanca. La luz artificial, por su parte, tiende a tener
grandes variaciones en algunas partes de su espectro. Vistos bajo
estas condiciones, los pigmentos lucen de diferentes
colores.

Los espacios de colores usados
para representar colores numéricamente deben especificar
su fuente de luz. Los espacios de color Lab, a menos que se
indique lo contrario, asumen que la medida fue tomada bajo una
fuente luminosa de tipo D65 (Daylight 6500 K),
la cual tiene aproximadamente la misma temperatura de color que
la luz solar. Otras propiedades de un color, tales como
su saturación o su luminosidad, pueden ser
determinadas a partir de las otras sustancias que
acompañan a los pigmentos. Los adhesivos y rellenos
añadidos a químicos pigmentadores puros
también tienen sus propios patrones de inflexión y
absorción, los cuales pueden afectar el espectro final. De
la misma forma, en mezclas de pigmento y adhesivo, algunos rayos
de luz pueden no encontrarse con moléculas pigmentadoras,
y pueden ser reflejados tal cual. Este tipo de rayos contribuyen
a la saturación del color. Un pigmento puro permite que
muy poca luz blanca escape, produciendo un color altamente
saturado. Una pequeña cantidad de pigmento mezclado con
mucho adhesivo, no obstante, tiene un
aspecto insaturado y opaco, debido a la gran
cantidad de luz blanca que escapa.

Pigmentos
sintéticos y naturales

La industria de pigmentos es una de las de
mayor volumen de ventas a nivel mundial; se productos 700
toneladas/año de pigmentos naturales y sintéticos.
El mercado mundial de pigmentos sintético representa un
volumen de ventas-de 400 millones de dólares/año,
de los cuales el 50% se dirige a la industria textil y 25% a la
industria alimentaria.

Según la FDA (Administración
de Alimentos y Fármacos de Estados Unidos), un aditivo es
un material que se añade de manera intencionada, por lo
general en cantidades pequeñas, a otra sustancia para
mejorar su apariencia, sabor, color o estabilidad. De acuerdo con
la misma agencia, pigmento es cualquier material que imparte
color a otra sustancia obtenida por síntesis artificio
similar, extraída o derivada, con o sin intermediarios del
cambio final de identidad, a partir de un vegetal, animal,
mineral u otra fuente y que cuando es añadida o aplicada a
alimentos, medicamentos o cosméticos, es capaz de impartir
color por sí misma.120 Desde este punto de vista, en
algunos casos, un pigmento es también un aditivo
(capítulo 9). Los pigmentos se pueden dividir en
sintéticos y naturales. Los sintéticos requieren de
una certificación; incluyen sustancias químicas
sintetizadas con alto grado de pureza. Los principales son:
118

Azoicos (31.5% de ventas mundiales): su
estructura es de mono, di o triazo. Producen casi todos los
colores, se caracterizan por tener un grupo cromóforo
—N=N—. Los de más venta son los amarillos 5 y
6, los rojos 2, 4 y 40, y el naranja B. ¡ •
Antraquinonas (21.6% de ventas mundiales): su estructura es uno o
más grupos carboxilo en un sistema de anillos conjugados,
tienen al menos tres anillos condensados. Debido a la
preocupación por la seguridad en el uso de pigmentos
sintéticos, éstos se han estudiando exhaustivamente
con respecto a su efecto sobre la salud. Aunque a la
mayoría se les han atribuido daños en el
comportamiento conductual de los niños, este hecho no se
ha comprobado, pero aún queda duda sobre su posible
participación en otras alteraciones en la salud. Por esto
se ha reducido cada vez más su uso en alimentos, aunque
los aspectos de legislación varían ampliamente
entre bloques comerciales y países dentro de cada bloque.
En Europa y Japón, la demanda de pigmentos
sintéticos ha disminuido, aunque en el resto del mundo ha
aumentado (2 a 3% al año). En general, en alimentos
aceptan nueve pigmentos sintéticos, con severas
restricciones en su uso. Éstos son:14, 33, 80,
121

• Tartracina: Autorizado para
utilizarlo en más de sesenta países, incluidos
Estados Unidos y la Unión Europea. Es ampliamente
utilizado en repostería, galletas, productos
cárnicos, sopas instantáneas vegetales en conserva,
helados, caramelos y bebidas no alcohólicas, y como
adulterante en platillos como la paella, en lugar de
azafrán. Puede producir alergia en el 10% de los
consumidores.

• Amarillo anaranjado S: Se utiliza
para bebidas no alcohólicas, helados, caramelos, botanas y
postres, entre otros. En Europa no se autoriza en
conservas.

• Azorrubina: No autorizado en Estados
Unidos, pero sí en Europa; se emplea principalmente en
caramelos.

• Rojo Ponceau: Se emplea para
producir el color fresa de caramelos y productos de
repostería, así como en productos cárnicos
en lugar de pimentón.

• Negro brillante: No se autoriza su
uso en Estados Unidos, Canadá ni Japón, pero
sí en Europa, en donde se emplea para productos de
imitación de caviar.

• Amarillo de quinoleína: No se
autoriza en Estados Unidos, Canadá y Japón, pero si
en la Unión Europea para su uso en bebidas de naranja,
bebidas alcohólicas, repostería, conservas
vegetales, helados y productos cárnicos, entre
otros.

• Eritrosina: Muy usado en productos
lácteos con sabor a fresa, en mermeladas, caramelos y
productos cárnicos. Debido a su alto contenido de yodo,
puede ser nocivo por su acción sobre la tiroides, por lo
que en Europa no está autorizado para alimentos dirigidos
a niños.

• Indigotina: Autorizado en todo el
mundo, se emplea en bebidas no alcohólicas, caramelos,
confitería y helados.

• Azul V: Se utiliza en conservas
vegetales, mermeladas, repostería, caramelos y bebidas
paralograr tonos verdes al combinarlo con colorantes
amarillos

Los pigmentos sintéticos tienen las
siguientes ventajas: firmeza de color; amplio intervalo de tinte;
bajo costo; alta efectividad; homogeneidad entre lotes, y no
presentan aromas o sabores.

Según la Secretaría de Salud
de México, las especificaciones para el uso de pigmentos
sintéticos son las siguientes mostradas en el cuadro
7.1.

Los pigmentos naturales son generados por
microorganismos, vegetales, animales o minerales. El mercado
mundial de pigmentos naturales representa 940 millones de
dólares al año en ventas y, debido a la
preocupación del consumidor por el consumo de productos
que no alteren o ayuden a su salud, crece alrededor de 4% al
año.19 Sin embargo, la palabra "natural" no tiene
connotación legal, no significa que el color del que se
trate sea propio del producto farmacéutico, alimentario o
cosmético. Así, casi todos los colores en alimentos
son añadidos y por tanto no son naturales. Los pigmentos
naturales son aquellos obtenidos de fuentes presentes en la
naturaleza, usados para impartir color a algunos productos. Son
sujetos a las mismas pruebas de calidad y seguridad
toxicológica que los sintéticos, pero la FDA y
otras agencias gubernamentales no requieren que se certifique su
pureza química, y por tanto se refiere a ellos como
aditivos de color no certificados; sin embargo, algunos de estos
pigmentos sí están sujetos a restricciones en su
uso, como el nivel máximo permitido o el uso en animales
y/o humanos. En el cuadro 7.2 se listan algunos de los pigmentos
exentos de certificación por la FDA: 80 por su parte la
unión Europea autoriza el uso de los pigmentos listados en
el cuadro 7.3 entre se encuentran los que se encuentran algunos
sinteticos,33, 119

La Secretaría de Salud de
México reporta que, aunque no requieren
certificación, deben cumplir con las siguientes
especificaciones químicas y
lexicológicas:

• No deben tener más de 3 mg de
arsénico/kg.

• No deben tener más de 10 mg
de plomo/kg.

• Máximo contenido de mercurio:
1 mg/kg.

• En su desecación debe de
haber menos de 0.2% de pérdidas.

• Sea analizable por
espectrofotometría de absorción.

• Sea analizable por
cromatografías.

Los pigmentos naturales difieren
ampliamente en su estructura química y en su origen.
Aunque hay colorantes poco comunes, como el ácido
carmínico, los más distribuidos en los alimentos
pueden agruparse en ocho categorías:

1. Carotenoides.

2. Clorofilas.

3. Pigmentos fenólicos: flavonoides,
antocianinas y taninos. :

4. Betalaínas.

5. Hemopigmentos.

6. Otros pigmentos naturales. '

Los cuatro primeros son de fuentes
vegetales, aun cuando llegan a estar presentes en alimentos de
origen animal, a los que ingresan a través de la dieta. La
mayoría de los pigmentos vegetales se localiza en el
protoplasma de las células, dentro de los organelos
especializados llamados plástidos,

que se observan al microscopio formando
pequeñas plecas o agujas de estructura cristalina; en
algunos casos, cuando son solubles en agua, se encuentran
disueltos en las vacuolas de las células.

El quinto grupo sólo se encuentra en
productos de origen animal. En el sexto grupo se incluyen
pigmentos que imparten color tanto a los tejidos vegetales como
animales. Son poco abundantes en la naturaleza, pero no por eso
menos importantes, debido a las características
específicas de da uno.

Por último, es necesario indicar que
la estructura química determina propiedades de los
pigmentos que van más allá del color, aunque
ésta sea su característica evidente. La estabilidad
durante procesamiento y almacenamiento; su reactividad con otros
compuestos químicos para determinar tanto el color como la
durabilidad o cambio de éste; su posible toxicidad, por lo
que es necesario algunos casos certificarlos para que cumplan las
normas oficiales; y su posible capacidad como micronutrientes,
son algunas de las características de los
pigmentos.

El cuidado de la salud humana a
través de la dieta es una preocupación constante
del mundo actual; los procesos oxidativos, mediados por la
presencia de radicales libres, están asociados con
enfermedades degenerativas en humanos, incluyendo el
cáncer y enfermedades coronarias. Tres tipos de pigmentos
con características antioxidantes, flavonoides,
antocianinas y carotenoides, han ten: particular interés
para la reducción de la incidencia de estas enfermedades;
por otro lado, algunos: vonoides se han reportado como
antivirales, antihepatotoxicos y antiinflamatorios, mientras
otros, como algunos isómeros de naringinina, un flavonoide
encontrado en la naranja, tienen poder edulcorante 1,500 veces
más que la sacarosa.

Los
carotenoides

Los carotenoides son pigmentos orgánicos del
grupo de los isoprenoides que se encuentran de forma
natural en plantas y
otrosorganismos fotosintéticos como algas,
algunas clases de hongos y bacterias. Se conoce la
existencia de más de 700 compuestos pertenecientes a este
grupo.

Los de carbono, aunque no todos los
carotenoides se ajustan estrictamente a esta regla. Estos
átomos de carbono se encuentran ordenados formando
cadenas poliénicas conjugadas en ocasiones
terminadas en anillos de carbono. A los carotenoides que
contienen átomos de oxígeno se les conoce
más específicamente como xantofilas. Los
restantes constituyen el grupo de los
llamados carotenos.

Su color, que varía desde amarillo
pálido, pasando por anaranjado, hasta rojo oscuro, se
encuentra directamente relacionado con su estructura: los enlaces
dobles carbono-carbono interactúan entre sí en un
proceso llamado conjugación. Mientras el
número de enlaces dobles conjugados aumenta, la longitud
de onda de la luz absorbida también lo hace, dando al
compuesto una apariencia más rojiza. Por ejemplo,
el fitoeno que posee únicamente tres enlaces
dobles conjugados absorbe luz en el
rango ultravioleta y apareciendo por tanto incoloro a
la vista, el licopeno, compuesto que confiere su color rojo
al tomate contiene 11 enlaces dobles conjugados. Existen
también carotenoides de color verde (?-Caroteno), amarillo
(ß-caroteno), y anaranjado (neurosporaxantina).

En organismos fotosintéticos los
carotenoides desempeñan un papel vital en los centros de
reacción, ya sea participando en el proceso de
transferencia de energía, o protegiendo el centro de
reacción contra la autooxidación. En
los organismos no fotosintéticos, los carotenoides
han sido vinculados a los mecanismos de prevención de
la oxidación.

Los animales son incapaces de
sintetizar carotenoides y deben obtenerlos a través de
su dieta, siendo estos compuestos importantes por su
función biológica como pro-vitamina
A.

Como ejemplo de estos compuestos en la
naturaleza, podemos citar al carotenoide mejor conocido, el que
da al grupo su nombre, el caroteno, encontrado
en zanahorias y responsable de su color anaranjado
brillante. El color rosado del flamenco y el
del salmón, y la coloración roja de
las langostas, también son producidos por
carotenoides.

Entre las aplicaciones más
importantes de los carotenoides podemos mencionar su uso
como pigmentos naturales, así como su papel
como complemento alimenticio.

La estructura patrón de 40 carbonos
se denomina "caroteno". La numeración se toma en cuenta
como un dímero, por lo que la mitad izquierda se numera
comenzando por el carbono que se enlaza a dos metilos y se
prosigue de manera lineal hasta el carbono 15 (El extremo opuesto
del primer monómero); se prosigue a numerar los metilos de
izquierda a derecha hasta el número 20. La mitad derecha
se numera de manera homóloga de derecha a izquierda con
numeración primada. Dependiendo la estructura de cada uno
de los extremos, se nombra el tipo de extremo de la izquierda con
las letras griegas de acuerdo a la convención de la IUPAC.
Posteriormente se hace lo mismo con la mitad derecha.1

Numeración y clave con letras
griegas de acuerdo a las estructuras posibles de los extremos del
caroteno.

Estructura y característica
químicas

Químicamente las antocianinas
son glicósidos de las antocianidinas, es decir,
están constituidas por una molécula de
antocianidina, que es laaglicona, a la que se le une un
azúcar por medio de un enlace glucosídico. La
estructura química básica de estas agliconas es el
ion flavilio, también llamado
2-fenil-benzopirilio que consta de dos grupos
aromáticos: un benzopirilio y un anillo
fenólico; el flavilio normalmente funciona como
un catión.2 45

Las agliconas libres raramente existen en
los alimentos, excepto posiblemente como componentes traza de las
reacciones de degradación.6 De todas las
antocianidinas que actualmente se conocen (aproximadamente 20),
las más importantes son la pelargonidina,
la delfinidina, la cianidina, lapetunidina,
la peonidina y la malvidina, nombres que derivan
de la fuente vegetal de donde se aislaron por primera vez; la
combinación de éstas con los diferentes
azúcares genera aproximadamente 150 antocianinas. Los
hidratos de carbono que comúnmente se encuentran son
la glucosa y la ramnosa, seguidos de
la galactosa, la xilosa y
la arabinosa y, ocasionalmente, la gentiobiosa,
la rutinosa y la soforosa.4 Como se muestra
en la siguiente tabla, el grupo fenilo en la posición 2
puede llevar diferentes sustituyentes.5

Carotinoides en los alimentos

Los carotenoides son los responsables de la
gran mayoría de los colores amarillos, anaranjados o rojos
presentes en los alimentos vegetales, y también de los
colores anaranjados de varios alimentos animales. Desde el punto
de vista químico, pertenecen a la familia de los terpenos,
es decir están formados por unidades de isopreno (ocho
unidades, es decir, cuarenta átomos de carbono), y su
biosíntesis se produce a partir de isopentenil
pirofosfato. Esto produce sus rasgos estructurales más
evidentes, la presencia de un muchos dobles enlaces conjugados y
de un buen número de ramificaciones de grupos metilo,
situados en posiciones constantes. Se conocen alrededor de 600
compuestos de esta familia, que se dividen en dos tipos
básicos : los carotenos, que son hidrocarburos, y las
xantofilas, sus derivados oxigenados. A estos tipos hay que unir
los apocarotenoides, de tamaño menor, formados por ruptura
de los carotenoides típicos. En los vegetales verdes
se encuentran en los cloroplastos, formando parte del sistema de
biosíntesis a partir de la energía de la luz, pero
son mucho más abundantes, y visibles, coloreando algunas
raíces, frutas y flores. Dada su ubicuidad en el reino
vegetal, la biosíntesis total anual de carotenoides se ha
estimado en unos 100 millones de toneladas. Los animales no
pueden sintetizar sustancias de este tipo, pero si pueden
transformar una en otra, aunque con bastantes limitaciones. De
los carotenoides conocidos, solamente alrededor del 10% tienen
valor como vitamina A. Además del b caroteno,
los más importantes entre ellos son
el a caroteno y la b criptoxantina. La
condición fundamental para que tengan actividad
vitamínica es que tengan cerrado y sin oxidar al menos uno
de los anillos de los extremos de la estructura.
Consecuentemente, varios de los carotenoides más comunes,
como el licopeno, zeaxantina y luteína no tienen valor
como vitamina A, aunque son muy importantes como pigmentos, y
pueden tener también actividad como antioxidantes. En
general, las xantofilas producen color amarillo, mientras que los
carotenoides son anaranjados o rojizos. Los carotenoides
pueden desempeñar un papel como antioxidantes en la
protección del organismo frente a los radicales libres,
aunque esta cuestión está todavía en
discusión. Sí parece claro que la presencia en la
dieta de alimentos con contenidos elevados de carotenoides tiene
efectos preventivos frente a ciertas enfermedades, aunque los
experimentos en los que se han utilizado suplementos han dado
resultados contradictorios, en algunos casos incluso evidenciando
efectos perjudiciales. La presencia de gran número de
dobles enlaces hace a a los carotenoides muy sensibles a la
oxidación, especialmente en reacciones de
fotooxidación con el oxígeno singlete.
También se oxidan en presencia de lipoxigenasas, pero no
de forma directa, sino por reacción con los
hidroperóxidos. Las reacciones de oxidación dan
lugar en todos los casos a la perdida de color. Generalmente,
existe una gran dependencia entre la velocidad de
oxidación y el ambiente en el que se encuentran. Dentro de
los alimentos, los carotenoides son mucho más resistentes
a la oxidación que en materiales pulverizados y secos, o
en extractos. También pueden alterarse por
isomerización. Salvo excepciones, como en algunas algas,
los carotenoides naturales se encuentran siempre con todos los
dobles enlaces en forma trans. Aunque en principio
la configuración trans de los dobles
sería la más estable, las repulsiones que inducen
los grupos metilos laterales hace que algunos de los dobles
enlaces puedan pasar a la configuración cis.
Esta isomerización puede producirse por calentamiento,
exposición a la luz o de forma espontánea en
ciertos disolventes o en presencia de superficies
activas. 

Los carotenoides son los pigmentos
responsables de la mayoría de los colores amarillos,
anaranjados y rojos de frutos y verduras, debido a la presencia
en su molécula de un cromóforo consistente total o
principalmente en una cadena de dobles enlaces conjugados.
Están presentes en todos los tejidos
fotosintéticos, junto con las clorofilas, así como
en tejidos vegetales no fotosintéticos, como componentes
de cromoplastos, que pueden ser considerados como cloroplastos
degenerados.

Químicamente los carotenoides son
terpenoides, formados básicamente por ocho unidades de
isopreno, de tal forma que la unión de cada unidad se
invierte en el centro de la molécula. En los carotenoides
naturales sólo se encuentran tres elementos: C, H y O. El
oxígeno puede estar presente como grupo hidroxilo,
metoxilo, epoxi, carboxilo o carbonilo. Dentro de los
carotenoides podemos distinguir dos grupos: los carotenos, que
son hidrocarburos, y las xantofilas, que poseen oxígeno en
su molécula.

Los dobles enlaces conjugados presentes en
los carotenoides son los responsables de la intensa
coloración de los alimentos que contienen estos pigmentos.
Así, por ejemplo, los colores naranja de la zanahoria y
rojo del tomate, se deben a la presencia de ß-caroteno y
licopeno, respectivamente (Figura 1). Otros compuestos más
saturados y de estructura similar son incoloros, como les sucede
al fitoeno y al fitoflueno (Figura 2) que también se
presentan en algunas plantas comestibles.

FIGURA 1Estructuras químicas
de b -caroteno y licopeno

Debido a su estructura, los carotenoides
están sujetos a muchos cambios químicos inducidos
por las distintas condiciones de procesamiento que se emplean en
la industria alimentaria. Por ello, desde un punto de vista
nutricional, es de gran importancia conocer qué factores
intervienen en la degradación de estos compuestos, ya que
su pérdida, además de producir cambios en el color
del alimento, conlleva una disminución de su valor
nutritivo.

Obtención

En la actualidad, una alta
proporción de carotenoides se obtiene
sintéticamente, ya que resul económico; sin
embargo, debido a las restricciones legislativas, cada vez se
emplean más los , gen natural. Debido a que los
carotenoides son solubles en lípidos o en solventes como
el hexaa; éter de petróleo se obtienen por
métodos de extracción; casi todos son estables a
los álcalis, por» pueden purificarse por
saponificación, para liberar la fracción
pigmentante de otras fracciones t proteínas o
carbohidratos.75

Se han aislado y purificado cerca de 600
carotenoides; entre los principales están fucoxa (algas),
luteína (cempasúchil), violaxantina y neoxantina
(hojas verdes), )3-caroteno (zanahc zeaxantina (maíz),
licopeno (tomate), capsantina (pimiento), criptoxantina (naranja
y maíz), (achiote), astaxantina (crustáceos). En la
actualidad, entre los carotenoides de uso comercial se 1
principalmente los a y j3 caroteno, licopeno, luteína,
zeaxantina, astaxantina, cantaxantina, cap na y bixina.88 La
astaxantina se obtiene de residuos de crustáceos; primero
se estabilizan al pr ver un ambiente reductor, y posteriormente
se extrae con solventes,10 mientras que varios caroteno se
extraen por medio de solventes, a partir del Terminalia
catappa, un árbol ampliamente distril en el
trópico húmedo.77, 82

La producción de pigmentos por
vía microbiana es una tecnología promisoria. Se ha
ensaj la producción a través de una gran diversidad
de cepas de hongos, levaduras, bacterias y microa El contenido de
carotenos en algunos géneros de microalgas ha llegado
hasta 800 jag/g de peso'. con Euglena gracilis, de 0.18
mg de xantofilas/g con Chlorella vulgaris, y de hasta 9%
del seco de Dunaliella salina, cantidades muy
competitivas con otras formas de producción industria
carotenoides. Algunas levaduras y hongos se reportan como
productores de carotenoides, entre i Rhodotorula flava, R.
gracilis y R. sannieli producen j3-caroteno, pero
con bajos rendimientos, bacterias son más prometedoras
como fuentes de carotenoides, como es el caso de algunas cepas c
Flavobacterium. Los carotenoides metoxilados son
particulares de ciertas bacterias fotosintéticas c mo
Athiorhodaceae y Thiorhodaceae spp. Por medio de
flavobacterias marinas se ha producido . pigmento similar a
zeaxantina hasta en concentraciones de 190 /xg/mL.

El campo de la biotecnología
también ofrece la posibilidad de aumentar el rendimiento
en la producción de pigmentos por vía microbiana, a
través de técnicas de ADN recombinante. Sin
embargo, existen problemas técnicos por resolver para
aplicar esta tecnología, tales como la separación
de los pigmentos de las membranas celulares y su cosecha de forma
eficiente en el medio de cultivo.

Los procesos de producción
industrial de carotenoides por síntesis química se
basan en la obtención de /3-ionona por síntesis
total de acetona y acetileno vía dehidrolinalol o por
síntesis parcial de /3-pineno vía citrato. En 1954,
RocheMR introdujo comercialmente el ¿6-caroteno
sintético como colorante y fortificante de margarina; esa
misma empresa introdujo en 1960 el /3-apo-8'-carotenal, y en
1964, la cantaxantina.85

Es probable que Hoffman-LaRocheMR produzcan
los carotenoides sintéticos de mayor venta; estos son
Carophyl rojoMR con 10,000 ppm de cantaxantina sintética,
y Carophyl rosadoMR con 8,000 ppm de astaxantina
sintética. Estos pigmentos se utilizan ampliamente en
acuacultura para pigmen-tar salmones, truchas, langostas y
camarones, entre otros organismos.

La estabilidad

La estabilidad de las antocianinas
está determinada por el grado de oxidación, la
temperatura, la fuerza iónica, la acidez y la
interacción con otros radicales y moléculas
complejas.7

El científico
alemán Richard Willstätter (1872-1942) fue
el primero en describir el cambio de color de las antocianinas,
moléculas en las que se produce el efecto
batocrómico, que consiste en que al cambiar la acidez, es
decir el pH, se pasa del rojo anaranjado en condiciones
ácidas, como el de la pelargonidina, al rojo
intenso-violeta de la cianidina en condiciones neutras,
y al rojo púrpura-azul de la delfinidina, en
condiciones alcalinas. El pH tiene efecto en la estructura y la
estabilidad de las antocianinas. La acidez tiene un efecto
protector sobre la molécula. En soluciones acuosas a
valores de pH inferiores a 2, básicamente la totalidad del
pigmento se encuentra en su forma más estable de ion
oxonio o catión flavilio de color rojo intenso. A valores
de pH más altos ocurre una pérdida del
protón y adición de agua en la posición 2,
dando lugar a un equilibrio entre la pseudobase carbinol o
hemicetal y la forma chalcona, o de cadena abierta. Tanto el
hemicetal como la chalcona, son formas incoloras y bastante
inestables. A valores de pH superiores a 7 se presentan las
formas quinoidales de color púrpura que se degradan
rápidamente por oxidación con el
aire.8 7

Los incrementos de la temperatura dan como
resultado la pérdida del azúcar glicosilante en la
posición 3 de la molécula y la apertura de anillo
con la consecuente producción
dechalconas incoloras.9

Los efectos degradativos
del oxígeno y de la presencia
de ácido ascórbico sobre la estabilidad
de las antocianinas están relacionados entre sí.
Las condiciones que favorecen la oxidación aeróbica
del ácido ascórbico en el jugo de fresa y en
sistemas modelo que contenían pelargonidina
3-glucósido proveniente de la fresa causaban grandes
pérdidas de antocianinas, pero cuando el oxígeno
era excluido del sistema no se observaba deterioro del
color.10 De igual manera, se ha informado que existe
un efecto sinérgico entre el ácido
ascórbico y el oxígeno sobre la degradación
de la pelargonidina 3-glucósido en
solución.7 11 12

Los carotenoides son los pigmentos
responsables de la mayoría de los colores amarillos,
anaranjados y rojos de frutos y verduras, debido a la presencia
en su molécula de un cromóforo consistente total o
principalmente en una cadena de dobles enlaces conjugados.
Están presentes en todos los tejidos
fotosintéticos, junto con las clorofilas, así como
en tejidos vegetales no fotosintéticos, como componentes
de cromoplastos, que pueden ser considerados como cloroplastos
degenerados.

Químicamente los carotenoides son
terpenoides, formados básicamente por ocho unidades de
isopreno, de tal forma que la unión de cada unidad se
invierte en el centro de la molécula. En los carotenoides
naturales sólo se encuentran tres elementos: C, H y O. El
oxígeno puede estar presente como grupo hidroxilo,
metoxilo, epoxi, carboxilo o carbonilo. Dentro de los
carotenoides podemos distinguir dos grupos: los carotenos, que
son hidrocarburos, y las xantofilas, que poseen oxígeno en
su molécula.

Los dobles enlaces conjugados presentes en
los carotenoides son los responsables de la intensa
coloración de los alimentos que contienen estos pigmentos.
Así, por ejemplo, los colores naranja de la zanahoria y
rojo del tomate, se deben a la presencia de ß-caroteno y
licopeno, respectivamente (Figura 1). Otros compuestos más
saturados y de estructura similar son incoloros, como les sucede
al fitoeno y al fitoflueno (Figura 2) que también se
presentan en algunas plantas comestibles.

FIGURA 1

Estructuras químicas
de b -caroteno y licopeno.

FIGURA 2

Estructuras químicas de fitoeno y
fitoflueno

Debido a su estructura, los carotenoides
están sujetos a muchos cambios químicos inducidos
por las distintas condiciones de procesamiento que se emplean en
la industria alimentaria. Por ello, desde un punto de vista
nutricional, es de gran importancia conocer qué factores
intervienen en la degradación de estos compuestos, ya que
su pérdida, además de producir cambios en el color
del alimento, conlleva una disminución de su valor
nutritivo.

Estabilidad de
carotenoides

Los carotenoides son pigmentos estables en
su ambiente natural, pero cuando los alimentos se calientan, o
cuando son extraídos en disolución en aceites o en
disolventes orgánicos, se vuelven mucho más
lábiles. Así, se ha comprobado que los procesos de
oxidación son más acusados cuando se pierde la
integridad celular, de forma que en alimentos vegetales
triturados, la pérdida de compartimentación celular
pone en contacto sustancias que pueden modificar
estructuralmente, e incluso destruir los pigmentos. No todos los
tipos de cocinado afectan en la misma medida a los carotenoides,
de forma que la pérdida de estos pigmentos aumenta en el
siguiente orden: cocinado con microondas < cocinado al vapor
< hervido < salteado (1) .

Los carotenoides, excepto algunas
excepciones, son insolubles en agua y por lo tanto las
pérdidas por lixiviación durante el lavado y
procesamiento de frutos son mínimas. Otros tratamientos
empleados en las industrias alimentarias, como por ejemplo el
tratamiento a alta presión, parecen no afectar
significativamente a los niveles de carotenoides en diversos
productos vegetales . El escaldado industrial de los alimentos
puede producir pérdidas de carotenoides, si bien la
inactivación enzimática que produce previene
pérdidas posteriores durante el procesado y
almacenamiento. En cambio, la congelación, la
adición de antioxidantes y la exclusión del
oxígeno (vacío, envases impermeables al
oxígeno, atmósfera inerte) disminuyen las
pérdidas durante el procesado y almacenamiento de los
alimentos (1) .

La destrucción de estos pigmentos
reduce el valor nutritivo de los alimentos e induce una
decoloración y una pérdida de sus
características organolépticas. El grado de
decoloración va a depender fundamentalmente de la
presencia de agentes oxidantes en el medio (sobre todo
oxígeno molecular) y de que se comunique energía
suficiente para que la reacción de degradación
tenga lugar. La energía se aporta en forma de luz o calor.
La reacción de decoloración supone la
pérdida de conjugación de la molécula y, en
principio, no tiene por qué implicar la rotura del
esqueleto hidrocarbonado, por lo que cualquier factor capaz de
interrumpir la deslocalización electrónica
existente, podría producir pérdida de color. Si las
condiciones oxidantes son débiles y la energía
suministrada no es suficiente, se vuelve a restaurar el orbital
molecular con la posibilidad de que la estructura adopte la
configuración cis o trans,
en función de que haya habido rotación en el
enlace. Si las condiciones son muy severas, el grado de
degradación progresa, fragmentándose entonces el
pigmento .

En resumen puede decirse que los factores
que influyen en la degradación de carotenoides en sistemas
modelo son varios, como por ejemplo estructura del carotenoide,
exposición a la luz, actividad de agua, temperatura,
presencia de oxidantes o antioxidantes, presencia de sulfitos,
etc. Estos estudios de estabilidad, sin embargo, son más
complejos en los alimentos, debido a sus diferencias
estructurales y de composición, diferentes tipos de
procesados industriales, etc .

Efecto de la
oxidación

La degradación de los carotenoides
se debe fundamentalmente a reacciones de oxidación, ya
sean no enzimáticas o debidas a enzimas como las
lipoxigenasas, y se presenta generalmente durante el secado de
frutas y vegetales. Los primeros datos que existen sobre
oxidación de carotenoides son los de Cole y Kapur ,
quienes conjugan las variables oxígeno y temperatura en la
degradación del licopeno. La interacción de los
carotenoides con algunos constituyentes de los alimentos ejerce
un efecto protector contra dichas reacciones, de tal forma que se
oxidan más rápidamente cuando se extraen del fruto
o se purifican. Es decir, la intensidad de la oxidación de
los carotenoides depende de si el pigmento se
encuentra in vivo o in
vitro y de las condiciones ambientales. Por ejemplo el
licopeno, pigmento responsable de la coloración de los
tomates, es muy estable en ese fruto, pero extraído y
purificado es muy lábil . Al igual que con los
lípidos, la oxidación de los carotenoides se
acelera por la temperatura, la presencia de metales, luz y
enzimas y se reduce por la adición de antioxidantes. Los
alimentos que contienen antioxidantes, como tocoferoles o
vitamina C, conservan mejor los carotenoides y por tanto, su
color.

En los alimentos procesados, el mecanismo
de oxidación es complejo y depende de muchos factores. Los
pigmentos pueden autooxidarse por reacción con
oxígeno atmosférico a velocidades que dependen de
la luz, el calor y la presencia de pro- y antioxidantes, como ya
se ha comentado. El mecanismo de oxidación de los
carotenoides, a diferencia del de los lípidos, no
está totalmente claro. Al parecer estos procesos
oxidativos implican reacciones de epoxidación,
formación de apocarotenoides (carotenoides de menos de 40
átomos de carbono) e hidroxilación,
obteniéndose finalmente compuestos de bajo peso molecular
similares a los que aparecen como consecuencia de la
oxidación de ácidos grasos. Debido a estos
procesos, los carotenoides, tras perder su color y sus
propiedades beneficiosas para la salud, dan lugar a compuestos
aromáticos que en algunos casos son agradables (té,
vino) y en otros no (zanahoria deshidratada) .

Hasta aquí se ha expuesto la
acción del oxígeno, sin embargo también el
ozono influye en la estabilidad de los carotenoides. En un
interesante ensayo se comprobó el efecto que una corriente
continua de agua saturada de oxígeno y ozono a 30°C
ejercía sobre una serie de carotenoides
(todo-trans-b -caroteno,
9-cis-b -caroteno, b -criptoxantina y
licopeno) adsorbidos en fase sólida (C18) . Se
comprobó que aproximadamente el 90% de
todo-trans-b -caroteno,
9-cis-b -caroteno y b -criptoxantina se
perdía después de 7 horas de exposición al
ozono. Una pérdida de licopeno cuantitativamente similar
se producía en sólo 1 hora. Cuando los citados
carotenoides fueron sometidos a la acción del
oxígeno, todos, a excepción de
la b -criptoxantina, se degradaban a menor velocidad.
En este estudio la mayor velocidad de degradación
corresponde al licopeno, y la menor al
9-cis-b -caroteno (licopeno
> b -criptoxantina >
todo-trans-b -caroteno >
9-cis-b -caroteno).

En los últimos años se han
realizado una serie de estudios que confirman que la
encapsulación de carotenoides los hacen más
manejables y estables frente a la oxidación .

Los carotenoides pueden actuar como pro- o
antioxidantes dependiendo del potencial redox de la
molécula y del entorno, entre otros factores . La propia
inestabilidad de los carotenoides en procesos oxidativos se
corresponde con una alta protección para otros compuestos
frente a agentes oxidantes. Los carotenoides que contienen 9 o
más dobles enlaces conjugados pueden inactivar ciertas
formas reactivas de oxígeno, como el oxígeno
singlete . En este sentido, el b -caroteno posee como
característica importante, que lo diferencia del resto de
antioxidantes solubles en grasas (como la vitamina E), la de ser
más efectivo a bajas presiones de
oxígeno.