Los pigmentos del otoño – Experimento

En este experimento dedicado al otoño se puede comprobar cómo la clorofila que da el color verde a las hojas de los árboles y es clave en la fotosíntesis, se degrada cuando llega la temporada de menos luz y temperaturas más bajas. Para ello habrá que recoger hojas tanto verdes como amarillas, extraer sus pigmentos y separarlos mediante un procedimiento muy sencillo llamado cromatografía.

La presente actividad práctica de laboratorio comprende de una forma transversal numerosos conocimientos clave así como una adaptabilidad a diversos niveles educativos. Se puede enmarcar dentro de los conceptos curriculares de química: disoluciones y mezclas, separación de sustancias, polaridad, química orgánica. Así como conceptos de física o biología como el color y la reflexión/absorción de luz, las células vegetales y la fotosíntesis.

Experiencia realizada dentro del proyecto I.am.able. Este proyecto de la UCM busca una formación inclusiva mediante la preparación de experimentos prácticos para llevarlas a cabo en centros educativos no universitarios con personas con diversidad funcional.

Imagen de portada: Chris Lawton on Unsplash

Los pigmentos naturales

Los ​pigmentos son compuestos que absorben parte de la luz. Su estructura química y su cantidad determinan el tono y la intensidad del color. El pigmento de la clorofila en las hojas ayuda a que se realice la fotosíntesis, al absorber la luz del sol la energía necesaria para combinar el dióxido de carbono y el agua, para formar glucosa o el alimento.

Luz y color

La luz solar o la luz blanca es luz compuesta por la suma de luz en todos los colores. La luz es un fenómeno ondulatorio y cada color tiene una frecuencia, por lo que es usual referirnos a todos los tipos de luz visible como el espectro de la luz. La luz azul tiene más energía que la luz roja. Si un objeto absorbe todos los colores lo vemos negro y si refleja todos, blanco.

teracciona con los cuerpos físicos, algunos colores se absorben y otros se reflejan. Son los colores reflejados los que dan el color que observamos. En el ejemplo una hoja absorbe los colores morado, azul y rojo de la luz solar, reflejando los colores verdes y amarillos que observamos.
La luz del Sol es luz blanca, cuando esta luz interacciona con los cuerpos físicos, algunos colores se absorben y otros se reflejan. Son los colores reflejados los que dan el color que observamos.

La clorofila

La ​clorofila da a las plantas su color verde. La clorofila absorbe parte de los colores, dejando el verde que se refleja.

Existen dos moléculas de clorofila, similares pero distintas.

  • La clorofila A da un color verde intenso o verde azulado, similar al de los abetos.
  • La clorofila B es el color verde pardo, el color usual de la mayoría de vegetales.

Las clorofilas son los pigmentos más abundantes en el reino vegetal. Son moléculas muy complejas que se diferencian en tener un grupo metilo (-CH3) o formilo (-CHO).

Los pigmentos principales en los colores típicos del otoño: clorofilas, en hojas verdes; xantófilas en hojas amarillas; carotenos en hojas rojas.
Los pigmentos principales en los colores típicos del otoño.

En otoño, el ciclo de las plantas caducas produce que las hojas comiencen a almacenar residuos para finalmente desprenderse. En este proceso la clorofila desaparece paulatinamente a medida que se también se descompone.

Entonces las hojas pierden la coloración verde característica y aparecen otros colores como los amarillos y naranjas dados por las ​xantófilas y los rojos dados por los carotenos​. Las diferentes mezclas de clorofila y otros pigmentos en la hoja son los causantes de la gama de colores existentes en otoño.

Los pigmentos del otoño

Los ​carotenos y xantófilas son pigmentos secundarios que junto a la clorofila participan en la fotosíntesis. En las hojas, estos pigmentos se forman en otoño por la glucosa retenida en las hojas.

Xantófilas

Las xantófilas son moléculas conocidas de la vida diaria como la luteína, que da color a la yema del huevo o los plátanos. Sus colores son amarillos.

Apenas se degradan en las hojas, por lo que al degradarse las clorofilas observamos los colores debidos a las xantófilas.

Su estructura química es más sencilla que la de la clorofila, pero tienen grupos como el hidroxilo (-OH). Los átomos de oxígeno en estos grupos favorecen su solubilidad en agua, al dar un cierto carácter polar.

También están presentes en los exoesqueletos de los mariscos, que al calentarlos se vuelven rojos porque se convierten en carotenos. Algunos colorantes como los E-161 están basados en las xantófilas.

Carotenos

Los carotenos están presentes en la alimentación a través de los β-Carotenos en alimentos como la zanahoria o el tomate, y están relacionados con el proceso de la vitamina A. Sus colores varían entre el rojo y los naranjas.

Son más simples que las xantófilas, únicamente formadas por C e H. Sin átomos de oxígeno, apenas se disuelven en agua.

Gráfico que muestra el porcentaje de luz que absorben varios pigmentos. Las clorofilas absorben luz roja y azul, por lo que las vemos verde. Las xantófilas y los carotenos únicamente absorben colores en la zona azul, por lo que los observamos con tonos amarillos y rojizos.
Gráfico que muestra el porcentaje de luz que absorben varios pigmentos. Las clorofilas absorben luz roja y azul, por lo que las vemos verde. Las xantófilas y los carotenos únicamente absorben colores en la zona azul, por lo que los observamos con tonos amarillos y rojizos.

Otros pigmentos

Existen también las ​antocianinas​, de color púrpura, presente en algunas hojas de plantas como la cebrina, la remolacha o la col lombarda. El color marrón oscuro de las hojas secas proviene de los ​taninos, un producto de sabor amargo, da ese sabor al té o café- Son en realidad productos desecho de la degradación de las hojas.

Foto de col lombarda cortada
Lombarda – Photo by cottonbro on Pexels.com
Hojas secas de té
Hojas de té negro – Photo by Eva Elijas on Pexels.com

La fotosíntesis

En lo referente a la ​fotosíntesis, el pigmento más importante es la clorofila. La clorofila es el pigmento que recoge más eficientemente la ​energía ​de la luz solar para transformarla en ​energía química, ​rompiendo las moléculas de agua y dióxido de carbono para formar nutrientes. Estos pigmentos se encuentran en los ​cloroplastos​, orgánulos propios de las células vegetales.

Reacción de la fotosíntesis: 6H20+6CO2 -energía luz-> C6H1O6 + O2. Agua + dióxido de carbono - a través de la luz solar -> glucosa + oxígeno.
Esquema simplificado de la reacción química de la fotosíntesis

Cromatografía

Para hacer una separación de los distintos pigmentos usamos la técnica conocida como cromatografía​. Es uno de los procedimientos más comunes que se utilizan para separar e identificar sustancias que componen una mezcla.

Cromatografía ejemplo con nuestros pigmentos, los más polares son los menos arrastrados y suben menos por la tira de papel de filtro. Los más apolares recorren más la tira. Finalmente quedan separados. El ejemplo representa un vaso de precipitados con varios polígonos de colores representando los distintos pigmentos, estos suben más o menos por una tira de papel.
Cromatografía ejemplo con nuestros pigmentos, los más polares son los menos arrastrados y suben menos por la tira de papel de filtro. Los más apolares recorren más la tira. Finalmente quedan separados.

La cromatografía es una técnica desarrollada por MIjaíl Tsvet y precisamente usada separar pigmentos como las clorofilas o las xantófilas. El nombre cromatografía proviene de croma (color) + grafía (escritura), por lo que viene a indicar precisamente que se trata de «escribir» los distintos pigmentos.

En una cromatografía tenemos una mezcla de moléculas que queremos separar en una fase móvil (generalmente líquida, un disolvente) sobre una fase estacionaria (usualmente un papel de filtro). El disolvente se desplaza absorbido mediante capilaridad por esta fase, arrastrando las sustancias disueltas en la mezcla.

Cada molécula es arrastrada con distinta fuerza dependiendo de las sustancias de las fases y la propia naturaleza de las sustancias a separar.

En resumen, diferentes pigmentos aparecerán a cierta distancia de su punto inicial porque las moléculas de estos colores tienen diferentes tamaños, formas y solubilidades. Las moléculas que se disuelven mejor se desplazan rápidamente y más lejos.

Aplicación a nuestros pigmentos

El etanol que usamos en este caso es un disolvente menos polar que el agua y, por tanto, arrastrará mejor las sustancias que sean más apolares. Además, el soporte es papel —celulosa— con grupos hidroxilo (-OH) y en consecuencia, con un carácter polar que refuerza el arrastre.

1 - Carotenos

Los carotenos no están formados por grupos que contengan oxígeno y son apolares.

2 - Antocianinas

Las antocianinas tienen grupos hidroxilo (-OH) que le dan leve polaridad y grupos metoxilo (-O-CH3) que reducen la polaridad, por lo que quedan en un balance intermedio.

3 - Xantófilas

Las xantófilas tienen grupos hidroxilo (-OH) que le dan leve polaridad.

4 - Clorofila A

La clorofila A tiene grupos metilo (-CH3), teniendo bastante polaridad.

5 - Clorifila B

La clorofila B tiene grupos formilo (-CHO), muy polares.

Mediante la tira hecha con papel de filtro podremos observar los distintos pigmentos separados. El que más recorre el papel son los carotenos que son apolares y se disuelven bien en alcohol; sin embargo, la clorofila es polar y se encontrará abajo del todo.

Material necesario

Por grupo de trabajo (2 o 4 personas)

  1. Hojas de plantas, al menos 8. Al menos de color verde, como la espinaca fuera de temporada otoñal. O bien de diversos colores (rojas, amarillas y verdes) recolectadas en otoño.
  2. Tijeras
  3. Mortero
  4. Alcohol (preferentemente etílico)
  5. Embudo
  6. Dos vasos de precipitados
  7. Probeta
  8. Papel de filtro para hacer un filtro y dos trozos de 5×10 cm o filtros de café en caso de no tener disponibilidad
  9. Soporte para el embudo y opcional soporte para las tiras de papel de filtro
Fotografía del material listado anteriormente.
Material necesario.

Realización de la experiencia

  1. Cortar las hojas en trozos muy pequeños
  2. Añadir 15 ml de alcohol
  3. Machacar los trozos
  4. Eliminar el agua (si hay, producto de la humedad almacenada en las hojas)
  5. Añadir 10 ml de alcohol hasta tener 25 ml en total
  6. Machacar y remover
    Pregunta pertinente: ¿De qué color es la mezcla? ¿Qué puede causar ese color?
  7. Colar el contenido del mortero con un filtro y el embudo en un vaso de precipitados
  8. Preparar una tira de papel de filtro en un soporte
  9. Colocar el papel tocando el líquido
    Pregunta pertinente: ¿Qué ocurre con la mezcla?
  10. Esperar a que se vayan absorbiendo los pigmentos
    Pregunta pertinente: ¿Qué se observa?

    Comentarios a realizar durante la marcha:
    — ¿Qué más se podría separar de la misma manera?
    — ¿Podrías usar otro líquido en lugar de alcohol? ¿Qué piensas que ocurriría en ese caso?
    — ¿Qué otros vegetales o animales conoces que tengan pigmentos similares?

Medidas de seguridad

Siempre se mantendrá el uso de un equipo de protección individual (EPI) consistente en bata de
laboratorio, gafas y guantes. El alcohol es inflamable e irritante. Evita el contacto con los ojos y las fuentes de calor.

  • R11: Fácilmente inflamable
  • S16: Conservar alejado de toda llama o fuente de chispas – No fumar
  • S2: Manténgase fuera del alcance de los niños
  • S46: En caso de ingestión, acúdase inmediatamente al médico y muéstresele la etiqueta o el envase
  • S7: Manténgase el recipiente bien cerrado

Más información: ​ficha de seguridad del alcohol etílico

Los pigmentos del otoño

A continuación vemos el resultado de la experiencia para hojas de espinaca, hojas amarillas y hojas rojas. En las hojas verdes se observa una línea verde intensa que corresponde a la clorofila, siendo la parte superior más oscura (Clorofila A). Ligeramente, encima una franja amarilla propia de las xantófilas y algunos carotenos. Hemos conseguido separar los pigmentos del otoño.

Imagen que muestra las tres tiras de papel descritas en los párrafos.
A la izquierda la cromatografía de una hoja roja, en el centro la de una verde y a la derecha la de una hoja roja.

En la de hoja amarilla sólo se ve una franja amarilla de las xantófilas y en la parte superior del todo algunos pigmentos oscuros, carotenos.

Para las hojas rojas se observan unas franjas pequeñas de xantófilas, antocianinas y por encima los carotenos. Éstas también realizan la fotosíntesis y sigue habiendo clorofila pese a que dominen los carotenos y antocianinas por lo que puede aparecer también.

El segundo ejemplo se ha realizado durante 12 horas de cromatografía. Se observa la división entre carotenos y antocianinas (morado-púrpuras) y ¿los taninos oscuros?, en la hoja amarilla respecto a los carotenos más marrones. En la verde vemos las dos clorofilas de forma mucho más clara.

Imagen que muestra las tres tiras de papel del experimento que se ha dejado más tiempo.

Más información

Si has realizado esta experiencia o te ha servido este post de utilidad puedes dejar tus comentarios y resultados.

Publicado por Rafael

Graduado en Física y docente en Educación Secundaria. En el Máster en Formación del Profesorado comenzó en la investigación en la Didáctica de las Ciencias Experimentales. Cuenta con comunicaciones y artículos publicados sobre su trabajo predoctoral. Ha colaborado en diversas iniciativas de divulgación científica y astronomía aficionada.

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