La solubilidad de un pigmento en agua destilada depende de su estructura química, su carácter hidrofílico o hidrofóbico, el tamaño de sus partículas y las condiciones del medio. Muchos pigmentos orgánicos son insolubles o sólo ligeramente solubles en agua, mientras que algunos colorantes y formas modificadas de pigmentos pueden disolverse en medios acuosos.
Un pigmento, por el contrario, es una sustancia coloreada e insoluble que se dispersa en un medio adecuado para su uso. Los colorantes en general son solubles en el medio en el que se aplican o en el producto final.
Diferencia entre pigmentos y colorantes
Un colorante es un compuesto orgánico que al aplicarlo a un sustrato (generalmente una fibra textil pero también a cuero, papel, plástico o alimento) le confiere un color más o menos permanente. Un colorante se aplica en disolución o emulsión y el sustrato debe tener cierta afinidad para absorberlo.
Un pigmento, por el contrario, es una sustancia coloreada e insoluble que se dispersa en un medio adecuado para su uso. Se emplean principalmente para colorear plásticos y para pinturas y tintas de imprenta.
Las sustancias coloreadas son las que absorben luz en la región visible del espectro (380 a 750 nm). Una sustancia presenta el color complementario del que absorbe ya que este se resta de la luz reflejada o transmitida.
Qué significa que un pigmento sea soluble en agua destilada
La solubilidad indica la capacidad de una sustancia para incorporarse al agua formando una disolución molecular o iónica homogénea. En cambio, la dispersión consiste en distribuir partículas sólidas de pigmento dentro del agua sin que estas se disuelvan necesariamente.
Muchos pigmentos orgánicos son insolubles o sólo ligeramente solubles en agua. Sin embargo, se han desarrollado algunas formas modificadas o solubles en agua de pigmentos orgánicos.
Por ejemplo, a ciertos tintes ácidos que son un tipo de pigmento orgánico se les pueden agregar grupos funcionales para hacerlos solubles en agua. Esta solubilidad en agua les permite usarse en aplicaciones como el teñido de textiles en un medio acuoso.
Por el contrario, si un pigmento no está diseñado para ser soluble en agua y entra en contacto con agua (por ejemplo, en una pintura que se moja), es posible que no se disuelva, pero podría verse afectado por la absorción de agua o la hinchazón del aglutinante o medio que contiene.
Pigmentos naturales y comportamiento frente al agua
Los pigmentos naturales aceptables farmacéuticamente o de calidad alimentaria pueden ser solubles en agua o pueden ser esencialmente insolubles en agua o difícilmente solubles en agua, incluyendo los pigmentos hidrofóbicos.
Un pigmento natural soluble en agua como tal sólo puede ser usado para la coloración de un producto con una fase acuosa durante y/o después de la producción. De forma similar, el uso de un pigmento natural hidrofóbico como tal requiere que el producto que va a ser coloreado tenga una fase lipídica en la que el pigmento sea soluble.
Algunos pigmentos de origen natural, tales como los quelatos metálicos de ácido carmínico y cúrcuma, norbixina y clorofilina son insolubles en agua con un pH neutro o inferior, pero son solubles en soluciones alcalinas.
En este contexto, el término “pigmento natural hidrofílico insoluble en agua” se refiere a los pigmentos de origen natural que, en general, son insolubles en medios acuosos con un pH alrededor del neutro o inferior, pero que son solubles en medios acuosos con valores del pH en una gama alcalina.
En consecuencia, los pigmentos naturales hidrofílicos insolubles en agua que se disuelven en medios alcalinos precipitan con un pH inferior a 7.
Ejemplos de pigmentos naturales
El pigmento natural puede ser cualquier sustancia colorante hidrofílica insoluble en agua, de calidad alimentaria o farmacéuticamente aceptable, derivada de una fuente natural.
Por lo tanto, el pigmento puede tener una forma sustancialmente pura o puede estar contenido en el material en el que se produce de forma natural, como una planta o una materia animal, opcionalmente en combinación con un soporte de calidad alimentaria y/o farmacéuticamente aceptable.
Los pigmentos naturales, tal y como se definen aquí, utilizados más extensamente incluyen carotenoides hidrofílicos insolubles en agua como, p.ej, norbixina, curcumina, pigmentos de porfirina incluyendo la clorofila, y carmín.
Los carotenoides que tienen un color amarillo, naranja o rojo se producen ampliamente en la naturaleza y algunas de las fuentes principales son las plantas, entre las que destacan los pastos, el árbol annatto, las especies cítricas, el Capsicum annum, las flores Crocus sativus y las flores de maravilla, las algas marinas, la levadura y algunos animales.
Los carotenoides o derivados de los mismos que son hidrofílicos e insolubles en agua son útiles en la presente invención.
Otra clase importante de pigmentos naturales son los pigmentos quininoides de los cuales el más extensamente usado es el carmín de la cochinilla que se obtiene por extracción acuosa de los insectos Coccus cacti.
Normalmente, el extracto es precipitado en forma de la laca de aluminio insoluble conocida como carmín de la cochinilla, la cual es soluble en medios acuosos alcalinos pero difícilmente soluble en medios acuosos con pH inferior a aproximadamente 9.
Otros pigmentos naturales hidrofílicos insolubles en agua útiles en la presente invención son la curcumina, que es el pigmento más importante de la cúrcuma, el extracto coloreado de oleorresina de la planta de Curcuma, y pigmentos de porfirina hidrofílicos insolubles en agua, como la clorofilina, basada sustancialmente en sales hidrosolubles de derivados de feoforbida a o b.
Pigmentos vegetales en agua destilada
Los cloroplastos poseen una mezcla de pigmentos con diferentes colores: clorofila-a (verde intenso), clorofila-b (verde), carotenos (rojo-anaranjado) y xantofilas (amarillo anaranjado) en diferentes proporciones.
Todas estas sustancias presentan un grado diferente de solubilidad en disolventes apolares, lo que permite su separación cuando una solución de las mismas asciende por capilaridad a través de una tira de papel poroso (papel de cromatografía o de filtro) dispuesta verticalmente sobre una película de un disolvente orgánico (etanol), ya que las más solubles se desplazarán a mayor velocidad, pues acompañarán fácilmente al disolvente a medida que éste asciende.
Las menos solubles avanzarán menos en la tira de papel de filtro. Aparecerán, por tanto, varias bandas de diferentes colores (hasta siete o más, dependiendo del material utilizado) que estarán más o menos alejados de la disolución alcohólica según la mayor o menor solubilidad de los pigmentos.
Estas bandas poseerán diferente grosor, dependiendo de la abundancia del pigmento en la disolución.
En este procedimiento, el agua destilada no actúa como el disolvente principal de los pigmentos vegetales extraídos, porque el protocolo emplea éter etílico y metanol absoluto. Por ello, la aparición de bandas no demuestra que la clorofila, los carotenos o las xantofilas sean solubles en agua destilada.
Relación entre pigmentos vegetales y disolventes
| Pigmento o grupo | Color indicado | Comportamiento descrito |
|---|---|---|
| Clorofila-a | Verde intenso | Se separa según su diferente solubilidad en disolventes apolares |
| Clorofila-b | Verde | Se desplaza a distinta velocidad durante la cromatografía |
| Carotenos | Rojo-anaranjado | Presentan un grado diferente de solubilidad en disolventes apolares |
| Xantofilas | Amarillo anaranjado | Avanzan más o menos en el papel según su solubilidad |
Ensayo de cromatografía de pigmentos vegetales
Materiales
- Mortero
- Tijeras
- Espinacas u hojas verdes
- Embudo con papel de filtro
- Tubo de ensayo en gradilla
- Éter etílico
- Alcohol metílico puro (cuidado, sus vapores son muy tóxicos)
- Cápsula de Petri o vaso de precipitados
- Capilar o micropipeta (cuentagotas en su defecto)
- Tira de papel cromatográfico Wathman (con un buen papel de filtro se obtienen, incluso, mejores resultados)
Procedimiento
- Colocar en un mortero trozos de hojas lavadas, quitando las nerviaciones más gruesas, junto con 10 o 15 cc. de éter etílico.
- Triturar sin golpear hasta que el líquido adquiera una coloración verde intensa (utilizar campana de gases a lo largo de toda la práctica).
- Filtrar en un embudo con papel de filtro y recoger en un tubo de ensayo (es suficiente con 2 o 3 cc. de solución de pigmentos).
- Colocar en la tapadera de una caja de Petri, metanol absoluto hasta una altura de 0,5 a 1 cm.
- Cortar una tira de papel de filtro de unos 8 cms.de anchura y unos 10 a 15 cms. de altura.
- Poner con el capilar en el papel de cromatografía entre 5 y 10 gotas de solución de pigmentos, espaciadas en el tiempo con el fin de que vaya secándose el éter etílico y aumente la cantidad de pigmentos.
- Las gotas se pondrán siempre en el mismo punto (se puede marcar con un lápiz), situado a 2 cms. por encima del borde inferior del papel.
- Doblar el papel cromatográfico a lo largo y colocarlo en la placa de petri con la mancha de pigmento a 1 cm. de la superficie del eluyente.
- Podemos sustituir la placa de petri por un vaso de precipitados y fijar el papel cromatográfico con una pinza a un soporte horizontal colocado en el borde del vaso (por ejemplo, una varilla de vidrio).
- Esperar unos 30 minutos.
La distancia recorrida por cada banda permite comparar el desplazamiento relativo de los pigmentos en el sistema de cromatografía. La separación se debe a las diferencias de solubilidad en el disolvente y de interacción con el papel, no a una disolución general de todos los pigmentos en agua destilada.
Dispersión de pigmentos en agua destilada
El agua puede actuar como medio para dispersar pigmentos. En industrias como la fabricación de pinturas, las pinturas a base de agua utilizan agua para distribuir uniformemente las partículas de pigmento en toda la formulación de la pintura.
A menudo se añaden al agua agentes dispersantes especiales para ayudar a romper los aglomerados de pigmentos y mantener las partículas de pigmento individuales suspendidas en la fase acuosa.
Esto asegura un color uniforme cuando se aplica la pintura. Por ejemplo, en las pinturas acrílicas a base de agua, la dispersión adecuada de los pigmentos en agua es crucial para lograr una coloración suave y consistente en la superficie pintada.
Una suspensión o dispersión coloreada puede parecer homogénea a simple vista, aunque sus partículas no estén disueltas a escala molecular. Con el tiempo, las partículas pueden sedimentar, aglomerarse o separarse, especialmente si no hay un coloide protector o un agente dispersante.
Composiciones acuosas con pigmentos insolubles
Las composiciones listas para el uso usadas según la invención comprenden una dispersión de un pigmento natural hidrofílico insoluble en agua.
Tal y como se utiliza en este caso, el término “hidrofílico insoluble en agua” indica que el pigmento en las cantidades usadas aquí es insoluble en agua en medios acuosos a un pH alrededor del neutro o inferior, pero solubles en medios acuosos alcalinos de tal manera que el pigmento aparecerá en una fase separada en medios acuosos con un pH neutro o inferior.
Los cuerpos que contienen pigmentos naturales están dispersos en una fase acuosa que comprende un hidrocoloide y la dispersión se produce sin la adición de sustancias activas en la superficie, como agentes emulsionantes o agentes tensoactivos.
El hidrocoloide actúa como un coloide protector, que impide la aglomeración de los cuerpos del pigmento y que proporciona actividad humectante y de dispersión.
Los hidrocoloides apropiados pueden ser: una proteína animal o vegetal como la gelatina, que puede derivar de mamíferos o peces, proteínas de leche o proteínas de soja, un exudado como la goma arábiga, tragacanto y otras gomas, como la goma guar, la goma de algarroba o la goma de xantano, agar, alginato, carragenina, furcelerano, pectina, harinas de cereales y almidones, derivados del almidón, celulosa microcristalina, derivados de la celulosa como la carboximetilcelulosa, la dextrana, e hidrocoloides sintéticos que incluyen por ejemplo la polivinilpirrolidona.
Actualmente los hidrocoloides preferidos son la gelatina y la goma arábiga. El hidrocoloide también puede ser una mezcla de hidrocoloides.
Influencia del tamaño de partícula
Según la invención, los pigmentos naturales de las composiciones anteriores se presentan en forma de cuerpos con un tamaño medio de como mucho 10 μm.
Preferiblemente, el pigmento está en forma de cuerpos con un tamaño medio de como mucho 5 μm, preferiblemente de como mucho 2 μm y más preferiblemente de como mucho 1 μm, p. ej. como mucho 0,1!m o como mucho 0,01!m.
Puede observarse que la capacidad del pigmento para proporcionar un tono de color atractivo y para proporcionar una coloración eficaz p. ej. cuando la composición se usa en composiciones de revestimiento, es mayor cuanto menor sea el tamaño de los cuerpos del pigmento.
La intensidad del color y la transparencia pueden ser controladas seleccionando de manera apropiada el tamaño de los cuerpos.
Según la invención, los cuerpos del pigmento son preferiblemente partículas sólidas como p. ej. partículas sólidas de curcumina, carmín, norbixina y clorofilina.
Factores que modifican el comportamiento en agua
pH
Algunos pigmentos naturales son insolubles en agua con un pH neutro o inferior, pero son solubles en soluciones alcalinas.
Los problemas que surgen con las composiciones conocidas dispersables en agua conteniendo pigmentos naturales hidrofílicos insolubles en agua, al usar dichas composiciones en medios ácidos, son que los pigmentos precipitan, se separan y se acumulan en las superficies y/o cambian el tono de color.
El pH puede modificar tanto la solubilidad como el color observado, porque altera la ionización de los grupos funcionales del pigmento y puede favorecer la disolución o la precipitación.
Temperatura
El aumento de la temperatura puede acelerar la disolución de algunas sustancias y favorecer la movilidad de las moléculas en el agua. Sin embargo, también puede acelerar reacciones de degradación química o modificar la estabilidad de la dispersión.
En los colorantes reactivos, el agua caliente puede acelerar la disolución y la urea tiene un efecto solubilizante.
La solubilidad y la concentración de la solución de tinte preparada están relacionadas con la proporción de licor seleccionada, la cantidad de electrolito agregado, la temperatura de teñido y la cantidad de urea.
Electrolitos
Los electrolitos como la sal y el polvo de yuanming reducirán la solubilidad de los tintes.
En el caso de los colorantes reactivos, los electrolitos como la sal y el hidróxido de sodio pueden reducir la solubilidad de los colorantes.
Cuando se disuelve el tinte reactivo, no se debe agregar un agente alcalino al mismo tiempo para evitar que el tinte se hidrolice.
Oxígeno y luz
El agua también puede influir en el estado de oxidación de los elementos dentro de las moléculas de pigmento. En un ambiente acuoso, el oxígeno disuelto puede reaccionar con el pigmento, especialmente si el pigmento contiene enlaces insaturados o centros metálicos propensos a la oxidación.
Este proceso de oxidación puede provocar la decoloración del color del pigmento. Por ejemplo, algunos pigmentos orgánicos a base de antraquinona pueden sufrir oxidación en presencia de agua y oxígeno, lo que lleva a una pérdida gradual de su color vivo con el tiempo.
La resistencia a la luz es un requisito importante para los colorantes que se utilizan en cortinas, alfombras y tejidos.
Los fotones de luz visible y el O2 pueden romper el enlace N=N por un mecanismo de radicales libres y decolorar los tejidos teñidos.
Hidrólisis
Algunos pigmentos orgánicos contienen enlaces químicos que son susceptibles de hidrólisis en presencia de agua, especialmente si el agua tiene un pH extremo o en presencia de ciertos catalizadores.
Por ejemplo, los pigmentos con grupos funcionales éster o amida pueden sufrir reacciones de hidrólisis cuando se exponen al agua con el tiempo.
Esto puede provocar la descomposición de las moléculas de pigmento, cambiando su estructura química y provocando una pérdida de intensidad del color o un cambio en el tono del color.
En el caso de algunos pigmentos orgánicos naturales derivados de plantas, la hidrólisis puede ocurrir más fácilmente en comparación con los sintéticos con estructuras químicas más estables.
Agregación, hinchazón y contracción
En algunos casos, cuando hay agua presente o se elimina (como durante el secado después de estar húmedo), las partículas de pigmento pueden agregarse.
Si el agua se seca demasiado rápido o no hay una estabilización adecuada, las partículas de pigmento pueden agruparse en lugar de permanecer uniformemente dispersas.
Esto puede provocar una distribución desigual del color en revestimientos o impresiones.
Si el pigmento se incorpora a una matriz absorbente de agua, como una película de polímero o una capa pintada sobre un sustrato que puede absorber agua, la absorción de agua puede provocar hinchazón.
Cuando se elimina el agua, se produce una contracción. Estos ciclos repetidos de hinchamiento y contracción pueden causar agrietamiento o delaminación en la capa que contiene pigmento, lo que afecta la apariencia y durabilidad del material coloreado.
Crecimiento microbiológico
El agua proporciona un medio para el crecimiento de microorganismos como bacterias, hongos y algas.
Si los pigmentos orgánicos se encuentran en un ambiente con agua estancada o alta humedad donde hay agua sobre o dentro del material pigmentado, estos microorganismos pueden crecer.
Algunos microorganismos pueden metabolizar ciertos componentes del pigmento o los materiales asociados a él (como aglutinantes o aditivos).
Esto puede provocar decoloración, manchas o deterioro de la superficie pigmentada.
Solubilidad de los colorantes reactivos en agua
Los colorantes reactivos, también conocidos como colorantes reactivos. Una clase de tintes que reaccionan químicamente con las fibras durante el teñido.
Este tipo de molécula de tinte contiene grupos que pueden reaccionar químicamente con las fibras. Durante el teñido, el tinte reacciona con las fibras y se forma un enlace covalente entre los dos para formar un todo, lo que mejora la solidez al lavado y al frote.
Las moléculas de colorantes reactivos incluyen dos componentes principales, colorantes originales y grupos reactivos, y los grupos que pueden reaccionar con las fibras se denominan grupos reactivos.
Los colorantes reactivos de buena calidad deben usarse comercialmente con buena solubilidad en agua.
La solubilidad y la concentración de la solución de tinte preparada están relacionadas con la proporción de licor seleccionada, la cantidad de electrolito agregado, la temperatura de teñido y la cantidad de urea.
La solubilidad de los colorantes reactivos varía mucho, consulte la monografía y la solubilidad enumerada se refiere al rango permitido para la aplicación del colorante.
Los colorantes reactivos que se utilizan en la estampación o el tampón deben seleccionarse con una solubilidad de unos 100 gramos por litro.
El agua caliente puede acelerar la disolución, la urea tiene un efecto solubilizante y los electrolitos como la sal y el polvo de yuanming reducirán la solubilidad de los tintes.
Cuando se disuelve el tinte reactivo, no se debe agregar un agente alcalino al mismo tiempo para evitar que el tinte se hidrolice.
Determinación experimental de la solubilidad
Los métodos de determinación de la solubilidad de los colorantes reactivos incluyen la filtración al vacío, la espectrofotometría y el método de mancha de papel de filtro.
El método de mancha de papel de filtro es fácil de operar y adecuado para uso práctico en fábricas.
- Primero prepare una serie de soluciones de tinte con diferentes concentraciones y agite a temperatura ambiente (20°C) durante 10 minutos para disolver completamente el tinte.
- Inserte una pipeta con una escala de 1 ml en el centro de la solución de prueba y aspire tres veces mientras revuelve.
- Luego extraiga 0,5 ml de la solución de prueba, déjela caer verticalmente sobre el papel de filtro en la boca del vaso de precipitados y repita una vez.
- Después del secado al sol, probar visualmente el círculo de permeabilidad del líquido.
- La concentración anterior sin manchas evidentes en el papel de filtro se usa como la solubilidad del colorante, expresada en gramos por litro.
Algunas soluciones de colorantes reactivos son soluciones coloidales turbias después del enfriamiento, que pueden infiltrarse uniformemente en el papel de filtro sin precipitación puntual, lo que no impide el uso normal.
Cómo interpretar un ensayo con agua destilada
La ausencia de sedimento visible no demuestra necesariamente que un pigmento se haya disuelto por completo. Puede tratarse de una dispersión fina o de una suspensión coloidal.
La presencia de sedimento, separación de fases o partículas visibles indica que el pigmento no permanece uniformemente distribuido en el agua destilada bajo esas condiciones.
Una solución verdaderamente disuelta debe presentar una fase homogénea, mientras que una dispersión puede mantener partículas sólidas distribuidas en el agua y mostrar turbidez.
La observación debe realizarse teniendo en cuenta el tiempo, la temperatura, el pH, la concentración, el tamaño de partícula y la presencia de estabilizantes o dispersantes.
Relación con la estabilidad del color
En resumen, el agua puede tener una amplia gama de efectos sobre los pigmentos orgánicos, influyendo en su solubilidad, estabilidad química, propiedades físicas y susceptibilidad al daño microbiológico, todo lo cual, en última instancia, afecta su rendimiento y apariencia en diversas aplicaciones.
Un problema muy conocido relacionado con el uso de las composiciones de agentes colorantes solubles o dispersables en agua es la tendencia de tales agentes a pasar de un compartimento de un producto alimenticio o un producto farmacéutico a otro en el que el colorante no es deseado.
Este fenómeno se denomina también como “migración”.
En consecuencia, es particularmente deseable obtener preparaciones de pigmentos naturales dispersables o solubles en agua que no migren durante la producción o en el producto acabado durante el almacenamiento y manipulación, o que no manchen cuando se manejan.
Otros problemas o inconvenientes relacionados con los agentes colorantes naturales miscibles en agua o dispersables en agua conocidos son la baja estabilidad frente a cambios en el tono del color generados por la luz, el calor, el catalizador y el oxígeno, y la capacidad poco satisfactoria de protección cuando se usan con el propósito de revestimiento.
Los problemas que surgen con las composiciones conocidas dispersables en agua conteniendo pigmentos naturales hidrofílicos insolubles en agua, al usar dichas composiciones en medios ácidos, son que los pigmentos precipitan, se separan y se acumulan en las superficies y/o cambian el tono de color.
Extracción
Descripción resumida del comportamiento
| Situación en agua destilada | Interpretación |
|---|---|
| Disolución transparente y homogénea | El compuesto presenta solubilidad apreciable en las condiciones del ensayo |
| Agua coloreada con turbidez | Puede existir una dispersión, suspensión o solución coloidal |
| Sedimento en el fondo | Parte del pigmento permanece insoluble o se ha agregado |
| Separación de fases | El pigmento no se mantiene uniformemente distribuido |
| Cambio de tono | Puede relacionarse con pH, oxidación, hidrólisis, temperatura o degradación |
| Precipitación al acidificar | Es compatible con pigmentos hidrofílicos insolubles en agua que son solubles en medios alcalinos |
Por lo tanto, la solubilidad de los pigmentos en agua destilada no es una propiedad única para todos los pigmentos: algunos se disuelven, otros permanecen insolubles y pueden dispersarse, y otros modifican su comportamiento según el pH, la temperatura, la concentración, el tamaño de partícula y la composición del medio.
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