INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Desarrollo de Productos Bióticos
ELABORACIÓN DE PELÍCULAS DE ALMIDÓN
OXIDADO DE PLÁTANO (Musa paradisiaca L) POR
EXTRUSIÓN Y SU CARACTERIZACIÓN PARCIAL
T E S I S
Que para obtener el grado de Maestría en Ciencias
en Desarrollo de Productos Bióticos
P R E S E N T A:
IBQ. Yunia Verónica García Tejeda
Directores:
Dr. Javier Solorza Feria
M. en C. Claudia Romero Bastida
El presente trabajo se realizó en el laboratorio de
Desarrollo Tecnológico del Centro de Desarrollo de
Productos Bióticos del Instituto Politécnico Nacional
(CEPROBI/IPN) bajo la dirección del Dr. Javier Solorza
Feria y la M. en C. Claudia Romero Bastida.
El trabajo de investigación se realizó gracias a la
beca otorgada por CONACYT y el Programa
Institucional de Formación de Investigadores (PIFI).
Además se contó con el apoyo de los proyectos
CONACYT 60565-Z, SIP-IPN 20070437 y SIP-IPN
20080655.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARIA DE INVESTIGACIÓN Y
POSGRADO
CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS
En la ciudad de Yautepec, Mor. el día 18 del mes de noviembre del año 2008, la que suscribe IBQ. Yunia Verónica García Tejeda alumna del Programa de Maestría en Ciencias en Desarrollo de Productos Bióticos con número de registro B061652 adscrita al Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, manifiesta que es autora intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección del Dr. Javier Solorza Feria y la M. en C. Claudia Romero Bastida; y cede los derechos del trabajo titulado "ELABORACIÓN DE PELÍCULAS DE ALMIDÓN OXIDADO DE PLÁTANO (Musa paradisiaca L) POR EXTRUSIÓN Y SU CARACTERIZACIÓN PARCIAL", al Instituto Politécnico Nacional, para su difusión, con fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, carretera Yautepec-Jojutla, Km 8.5, Col. San Isidro, C. P. 62731 Yautepec, Morelos, Fax. 01 (55) 57296000, ext. 82513. si el Permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
________________________ Yunia Verónica García Tejeda
AGRADECIMIENTOS
A mis directores de tesis; el Dr. Javier Solorza Feria y M. en C. Claudia A. Romero Bastida, a los miembros que integran el comité tutorial; Dr. Luis Arturo Bello Pérez, M. en C. Mirna M. Sánchez Rivera, Dra. Silvia Bautista Baños, Dra. Gabriela Trejo Tapia; y a la Dra. Rosalía A. González Soto, por sus sugerencias y colaboración.
Al personal, alumnos y tesistas del Departamento de Desarrollo Tecnológico, que estuvieron apoyándome durante el aislamiento del almidón, elaboración de películas y análisis químicos.
Al Dr. Paul B. Zamudio Flores por su gran ayuda durante todo el desarrollo del trabajo.
Al Dr. Marco Antonio Leyva Ramírez y a la C. Marcela Guerrero del Departamento de Química del centro de Investigación y Estudios Avanzados (CINVESTAV-TICOMAN) por los estudios de Difracción de Rayos X de las películas.
Al ing. Alejandro Degollado de la empresa Beultespacher por su valiosa ayuda en la elaboración de las películas por extrusión.
A la Bióloga María Esther Sánchez Espíndola de sección de microscopía de la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas por la obtención de las fotomicrografías.
CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS ... I LISTA DE CUADROS ... II ABREVIATURAS ... III RESUMEN... IV ABSTRACT ... VI I INTRODUCCIÓN ... 1 II ANTECEDENTES ... 2 II.1 ALMIDÓN ... 2II.1.1 Estructura y composición del almidón ... 3
II.1.2 Polimorfismo del almidón ... 6
II.2 ALMIDÓNDEPLÁTANOMACHO(Musa paradisiacaL.) ... 7
II.2.1 Almidones modificados ... 8
II.2.1.1 Almidón termoplástico (ATP) ... 9
II.2.1.2 Oxidación del almidón ... 10
II.2.2 Cambios estructurales del almidón durante tratamientos térmicos ...13
II.2.2.1 Gelatinización y retrogradación ... 13
II.2.2.2 Empastado ... 14
II.2.2.3 Temperatura de transición vítrea (Tg) ... 16
II.3 ELABORACIÓNDEPELÍCULASAPARTIRDEPOLÍMEROSBIODEGRADABLES ...17
II.4 PROPIEDADESDELASPELÍCULASDEALMIDÓN ...21
II.4.1 Propiedades mecánicas ...21
II.4.2 Propiedades de barrera ...22
II.4.3 Propiedades térmicas ...24
II.5 FACTORESQUEAFECTANLASPROPIEDADESDELASPELÍCULAS ...25
II.5.1 Método de elaboración...25
II.5.2 Tipo y concentración de plastificante ...26
II.5.3 Tipo de almidón y proporción amilosa/amilopectina ...28
II.5.4 Efecto del almacenamiento ...29
III JUSTIFICACIÓN...35
IV OBJETIVOS ...36
IV.1 GENERAL ...36
IV.2 ESPECÍFICOS ...36
V MATERIALES Y MÉTODOS ...37
V.1 OBTENCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE ALMIDONES ...38
V.1.1 Aislamiento de almidón ...38
V.1.2 Oxidación de almidón ...39
V.1.3 Análisis químico proximal de almidón ...39
V.1.4 Determinación de almidón total ...40
V.1.5 Determinación de amilosa aparente ...40
V.1.6 Determinación de color ...41
V.1.7 Morfología de almidones ...42
V.1.8 Determinación de grupos carbonilo ...43
V.1.9 Determinación de grupos carboxilo ...44
V.1.10 Microviscoamilografía ...45
V.1.11 Calorimetría diferencial de barrido (CDB) ...46
V.2 ELABORACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS ...47
V.2.1 Producción de películas a partir de almidón ...47
V.2.2 Determinación de color en películas ...49
V.2.3 Análisis morfológico de películas ...49
V.2.4 Elaboración de isotermas de adsorción ...49
V.2.5 Determinación de la permeabilidad al vapor de agua (PVA) ...51
V.2.6 Medición del porcentaje de solubilidad de las películas...52
V.2.7 Difracción de rayos X ...53
V.2.8 Medición de las propiedades mecánicas ...53
V.2.9 Calorimetría diferencial de barrido (CDB) ...55
VI RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...56
VI.1 CARACTERIZACIÓN DE ALMIDONES ...56
VI.1.1 Composición química proximal, almidón total y amilosa aparente ...56
VI.1.2 Medición de color en los almidones ...59
VI.1.3 Análisis morfológico de los almidones ...60
VI.1.4 Contenido de grupos carbonilo y carboxilo ...62
VI.1.5 Perfiles amilográficos de las pastas ...63
VI.1.6 Análisis térmico de almidón nativo y oxidado ...65
VI.2 CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS DE ALMIDÓN NATIVO (PAN) Y OXIDADO (PAO). ...66
VI.2.1 Parámetros de procesamiento para la obtención de las películas ...66
VI.2.2 Color de las películas ...70
VI.2.3 Análisis morfológico de películas ...71
VI.2.4 Isotermas de adsorción ...73
VI.2.5 Permeabilidad al vapor de agua ...74
VI.2.6 Solubilidad...76
VI.2.7 Difracción de rayos X ...80
VI.2.8 Propiedades mecánicas de las películas ...83
VI.2.9 Propiedades térmicas de las películas ...88
VII CONCLUSIONES ...90
VIII PERSPECTIVAS ...91
I
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Estructura química de la amilosa y de la amilopectina. ... 4
Figura 2. Representación esquemática de la estructura granular del almidón.. ... 5
Figura 3. Cristales polimórficos A- y B- del almidón ... 6
Figura 4. Distribución del cultivo de plátano alrededor del mundo. ... 7
Figura 5. Reacción de oxidación del almidón ... 12
Figura 6. Curva amilográfica de almidón de maíz ... 15
Figura 7. Aplicaciones de los polímeros biodegradables que se comercializan en el mercado . 17 Figura 8. Clasificación de los polímeros biodegradables ... 20
Figura 9. Curva típica de esfuerzo contra deformación de películas de almidón de plátano evaluadas a los 15 días de almacenamiento. ... 21
Figura 10. Tipos de isotermas de adsorción. ... 23
Figura 11. Difractogramas de transición de estructuras EH a VH . ... 30
Figura 12. Diagrama general de un extrusor ... 33
Figura 13. Diagrama con los procedimientos experimentales realizados. ... 37
Figura 14. Elaboración de pellets de mezclas de almidón-agua-glicerol ... 47
Figura 15. Fotografía del dado laminador ensamblado al extrusor. ... 48
Figura 16. Texturómetro TA-XT2i. ... 54
Figura 17. Fotomicrografía de almidón nativo y oxidado de plátano. ... 61
Figura 18. Efecto de la modificación con NaOCl (3 % de Cl-) en los perfiles de consistencia de pastas de los almidones nativo y oxidado. ... 64
Figura 19. Película de almidón nativo extrudida a 80 ºC y a 95 ºC ... 67
Figura 20. Películas utilizadas en pruebas de permeabilidad al vapor de agua. ... 69
Figura 21. Fotomicrografías tomadas a películas de almidón nativo y oxidado ... 72
Figura 22. Isotermas de adsorción de películas de los almidones nativo y oxidado de plátano, elaboradas a 25 ºC. ... 73
Figura 23. Permeabilidad al vapor de agua de las películas de almidón nativo y oxidado durante 45 días de almacenamiento. ... 75
Figura 24. Solubilidad de películas de almidón nativo y oxidado a 80 ºC. ... 77
Figura 25. Solubilidad de películas de almidón nativo y oxidado a 25 ºC. ... 78
Figura 26. Difractogramas de películas de almidón nativo a los 15 y 45 días de almacenamiento. ... 81
Figura 27. Difractogramas de películas de almidón oxidado a los 15 y 45 días de almacenamiento. ... 82
II
Figura 28. Tensión a la fractura en función del tiempo de almacenamiento. ... 84
Figura 29. Porcentaje de elongación en función del tiempo de almacenamiento. ... 85
Figura 30. Módulo de elasticidad y porcentaje de elongación en función del tiempo de almacenamiento.. ... 86
Figura 31. Termograma de una película de almidón oxidado al 3 % de Cl-. ... 88
LISTA DE CUADROS
Cuadro 1. Preparación de soluciones saturadas ...50Cuadro 2. Composición química de los almidones de plátano: nativo y oxidado...57
Cuadro 3. Parámetros de color de almidones: nativo y oxidado...59
Cuadro 4. Propiedades térmicas de los almidones de plátano, nativo y oxidado. ...65
Cuadro 5. Ensayos de temperaturas para el procesamiento de películas de almidón nativo ...66
Cuadro 6. Parámetros de color de películas de almidones nativo y oxidado. ...70
III
ABREVIATURAS
%E Porcentaje de elongación
2θ Ángulo dos theta
a* Coordenada cromática (rojo-verde, en CIELAB)
AN Almidón nativo
ANOVA Análisis de varianza
AO Almidón oxidado
ATP Almidón termoplástico
Aw Actividad de agua
b* Coordenada cromática (amarillo-azul, en CIELAB)
C* Cromaticidad (CIELAB)
CDB Calorimetría diferencial de barrido Cu Kα Radiación de cobre
h* Ángulo hue (CIELAB)
HR Humedad relativa
L* Luminosidad (CIELAB)
L/D Relación largo/diámetro
ME Módulo de elasticidad
MEB Microscopía electrónica de barrido Ø Diámetro
PAN Película de almidón nativo
PAO Película de almidón oxidado
PVA Permeabilidad al vapor de agua
Tf Temperatura final
TF Tensión a la fractura
Tg Temperatura de transición vítrea
Ti Temperatura de inicio
Tp Temperatura de pico
UB Unidades brabender
IV
RESUMEN
El almidón de plátano (Musa paradisíaca L.) es un polímero natural, muy interesante para la producción de materiales plásticos biodegradables. Se han estudiado películas elaboradas de almidón oxidado, para mejorar las propiedades de las películas mediante la técnica de vertido en placa, pero la extrusión es la técnica convencional utilizada en la producción de plásticos obtenidos de derivados del petróleo. El objetivo del presente trabajo fue caracterizar las propiedades fisicoquímicas y mecánicas de películas de almidón oxidado de plátano obtenidas por extrusión, así como de algunas de propiedades funcionales durante el almacenamiento.
Las películas de almidón nativo y de almidón oxidado (al 3 % de cloro activo) fueron preparadas por extrusión de mezclas que contenían el 65 % (w/w) el almidón, agua del 18 % y glicerol 17 %. Las películas fueron almacenadas en un desecador a 57 % de humedad relativa y a una temperatura de 25 ºC, durante 45 días.
El uso del hipoclorito de sodio (NaOCl) al 3 % de cloro activo, provocó la oxidación parcial del almidón hasta grupos de carbonilo y también su despolimerización. Se observó una disminución de la temperatura de gelatinización y en las propiedades de empastado.
Las películas de almidón oxidado presentaron más blancura, homogeneidad, mejores propiedades mecánicas y mayor solubilidad que las de almidón nativo, pero la oxidación no afectó la permeabilidad del vapor de agua (PVA), ni a la absorción de agua a 25 °C.
La extrusión de almidón de plátano con glicerol produjo un material termoplástico mayormente amorfo al comienzo del análisis, que con el almacenamiento, manifestó un rearreglo molecular que provocó el aumento de la cristalinidad y en la entalpía, lo cual también se vio reflejado en sus
V propiedades mecánicas y fisicoquímicas, como el aumento de la tensión a la fractura (TF) y módulo de elasticidad (ME), y la disminución del porcentaje de elongación (%E), solubilidad y PVA durante los 45 días de evaluación.
VI
ABSTRACT
Banana starch (Musa paradisiaca L.) is an interesting natural polymer for the production of biodegradable plastic materials. Starch oxidation in order to improve film properties has been investigated by casting process, but extrusion is the conventional technique used in petroleum-based plastics production. From here, the aim of this work was to characterize the physicochemical and mechanical properties of oxidized banana starch films obtained by extrusion, along with some functional properties during storage.
Films from native and oxidized (3 % active chloride) banana starch were prepared by extrusion processing of mixtures containing 65 % (w/w) starch, 18 % water and 17 % glycerol. The films were kept at 57 % relative humidity (RH) and 25 ºC, during 45 days.
The use of sodium hypochlorite (NaOCl) with 3 % active chlorine, caused the banana starch partial oxidation until carbonyl groups and its depolymerization. It was observed a decrease in the gelatinization temperature and pasting properties.
Films made from oxidized starch improved white color, homogeneity, mechanical properties and solubility of the films, but it did not affect neither the water vapor permeability (PVA), nor the water absorption at 25°C. The extrusion process of banana starch with glycerol, produced a mainly amorphous, thermoplastic material, that manifested a molecular re-arrangement during storage. This caused an increase in crystallinity and enthalpy, which was also reflected in its mechanical and physicochemical properties, seen as an increase in fracture tension (TF), elasticity modulus (ME), and a decrease in percent of elongation (%E), solubility and PVA at the 45th day of storage.
1
I
INTRODUCCIÓN
Los grandes volúmenes de plásticos generados son un gran problema para el medio ambiente y ha surgido un gran interés por la búsqueda y elaboración de materiales obtenidos de fuentes renovables y biodegradables (Averous y Boquillon, 2004). La producción global de polímeros biodegradables ha ido ganando terreno desde 1990, ya que por ejemplo, en el año de 1995 se generaron 20 000 ton y en el 2006 se obtuvieron 360 000 ton. La producción avanzó a pasos agigantados y se estima que en el 2008 haya aumentado a 600 000 toneladas (Pira, 2008). Cabe señalar que en algunos países europeos, como Italia y Australia, ya esta prohibida la comercialización de empaques elaborados con plástico no biodegradable.
En México, esta surgiendo el interés por la comercialización y producción de productos biodegradables, para contrarrestar la problemática ambiental. Además, es considerado un país megadiverso y por lo tanto, se tiene el potencial para sustituir el plástico que se obtiene a partir de derivados del petróleo, por polímeros biodegradables que se encuentran en los recursos naturales presentes como el almidón. El almidón es el componente principal de los frutos en estado inmaduro y mediante su procesamiento, se convierte en una material termoplástico que posee buenas propiedades mecánicas y de barrera, por lo que se puede utilizar en la elaboración de empaques y películas comestibles ya que es inocuo, abundante, barato, no alergénico y es un recurso renovable (Mehyar y Han, 2004). De acuerdo a la fuente botánica de la que provenga difiere en su composición, medida, forma y funcionalidad. Se han estudiado almidones de fuentes no convencionales para diversificar los usos y de éstas aprovechar los recursos naturales regionales, como por ejemplo, de camote dulce (Discorea alata), yuca (Manihot esculenta C.) y plátano macho (Musa paradisiaca L.), de éste último, en su estado inmaduro se han elaborado películas biodegradables con almidón de plátano oxidado (Zamudio-Flores y col., 2006, 2007) usando la técnica de vertido en placa (VP) a nivel laboratorio. Sin embargo, los plásticos comunes se producen por extrusión y es importante adecuar tecnologías convencionales, al procesamiento de polímeros
2 como el almidón.
II
ANTECEDENTES
II.1
ALMIDÓNEn la naturaleza, el almidón ocupa el segundo lugar en abundancia después de la celulosa. Es el producto de la fotosíntesis, se almacena en los amiloplastos de las células vegetales (Martin y Smith, 1995; Yurvey y col., 1995) y se extrae de diferentes fuentes, lo cual genera diversas propiedades según el uso de éste, ya que para la elaboración de algunos productos se requieren tipos específicos de almidón. Las fuentes industriales más importantes de almidón son el maíz, trigo, papa, tapioca y arroz (Bastioli, 2005).
El almidón es versátil por su variedad de usos, también es uno de los ingredientes más importantes a nivel industrial. Su uso se remonta a la época de los egipcios en la cual, éste fue utilizado para la elaboración de papiro y adhesivos, los romanos lo utilizaron para blanquear y dar firmeza a textiles (Dziedzic y Kearsley, 2003). Casi todas las grandes industrias han encontrado algún uso para el almidón. En la industria alimentaria, el almidón se usa para impartir una amplia gama de propiedades funcionales y es probablemente el hidrocoloide más utilizado (Rudrapatnam, 2005). Puede servir como espesante, encapsulador de sabor, agente de relleno, en productos de panadería, etc. El almidón también se utiliza en la producción de jarabes. Los usos del almidón en la industria no alimentaria son numerosos: los mayores usos incluyen a la industria de textiles, papel, cosméticos, plásticos, farmacéutica y la industria de adhesivos. En la manufactura de utensilios de comida rápida y como empaque ha ido ganando atención (Rahul y col., 2005).
3
II.1.1
Estructura y composición del almidónEl almidón consiste de gránulos, parcialmente cristalinos e insolubles en agua a temperatura ambiente y son la principal forma de almacenamiento de energía de las plantas. De acuerdo a su fuente botánica pueden ser de diversa forma y tamaño, la forma puede ser redonda, elíptica, ovalada, lenticular o poligonal. El tamaño de los gránulos de almidón de arroz y amaranto son los más pequeños, con aproximadamente 1-3 µm y los más grandes son los de papa y tapioca con un diámetro aproximado de 50-100 µm (Hoover, 2001).
El gránulo de almidón consiste de dos estructuras poliméricas de glucosa denominadas amilosa y amilopectina, además lípidos, proteínas, agua y iones minerales que pueden encontrarse en la matriz del gránulo ó formar complejos específicos con el polímero de almidón. (Dziedzic y Kearsley, 2003). La proporción de amilosa y amilopectina en los almidones, determina las propiedades del mismo.
La amilosa es un polímero lineal de moléculas de glucosa unidas por enlaces glucosídicos α-D-(1→4), como se aprecia en la Figura 1. Las unidades de glucosa se encuentran en la forma de alfa-D-glucopiranosa y tienen la facilidad de adquirir una conformación helicoidal en la que cada vuelta se compone de seis a ocho unidades. También presenta entre un 0.3-0.5 % de enlaces α-D-(1→6) formando ramificaciones (Greenwood 1964, French 1973, Banks y Greenwood, 1975, Takeda y col., 1990). El interior de la hélice contiene sólo átomos de hidrógeno y en el exterior los grupos hidroxilo.
La amilopectina es una molécula larga y altamente ramificada (Figura 1), en la cual, las moléculas lineales de D-glucosa están unidas mediante enlaces α-(1→4) que se encuentran interligadas entre un 5-6 % de enlaces glucosídicos α-D-(1→6), formando una estructura muy ramificada.
4 Figura 1. Estructura química de la amilosa (A) y de la amilopectina (B). Modificado de Jayasecara y col. (2005).
5 El almidón nativo es parcialmente cristalino (semicristalino), con un porcentaje de cristalinidad del 20 al 45 % dependiendo de la fuente botánica (Soest y Vliegenthart, 1997). En los gránulos de almidón, la amilosa y los puntos de ramificación de la amilopectina, forman las regiones amorfas, mientras que las cadenas de la amilopectina constituyen las zonas cristalinas. Ambas regiones, se encuentran arregladas en dominios laminares intercalados. Además de la cristalinidad, puede haber una co-cristalización con la amilosa en estructuras de una sola hélice, que puede formar complejos con ácidos grasos ó lípidos (Soest y Vliegenthart, 1997). En la Figura 2, se muestra la representación esquemática de la estructura del gránulo de almidón.
Figura 2. Representación esquemática de la estructura granular del almidón: (a) un gránulo con capas amorfas y semicristalinas, (b) vista expandida de la capa semicristalina de un anillo creciente, (c) estructura de la amilopectina dentro de la capa semicristalina (imagen modificada de Ritzl y Yerushalmi-Rozen, 1998).
6
II.1.2
Polimorfismo del almidón
Diversos estudios han analizado la estructura cristalina del gránulo de almidón. Las dobles hélices, formadas por las cadenas de amilopectina, se pueden ordenar en tres arreglos, lo cual da lugar a tres patrones de difracción de rayos X: almidón tipo A, B y C. Los almidones de cereales presentan un patrón tipo A, las dobles hélices de la amilopectina están empaquetadas en forma monoclínica y contienen de 4-8 moléculas de agua; los de tubérculos presentan un patrón tipo B, el cual presenta dobles hélices de amilopectina, empaquetadas en forma hexagonal y con 36 moléculas de agua y en almidones de ciertas raíces y semillas un patrón tipo C; que es una mezcla intermedia del patrón tipo A y B. Otro tipo de patrón es el V, y que es característico cuando se forma un complejo de inclusión con lípidos ó alcoholes en el interior de la hélice de la amilosa (Buleón y col., 1998).
Durante el procesamiento termomecánico de almidones nativos, la estructura semicristalina presente en los gránulos, es parcial ó completamente destruida. Esto puede observarse por difracción de rayos X, dependiendo de las condiciones de procesamiento y de almacenamiento (como la temperatura y la humedad relativa). Con el tiempo la amilosa y amilopectina recristalizan en estructuras como: A, B y C, además se han reportado patrones tipo V (Figura 3) (Tester y col., 2004).
7
II.2
ALMIDÓN DE PLÁTANO MACHO (Musa paradisiaca
L.)El cultivo de plátano, se distribuye en regiones tropicales, como puede observarse en la Figura 4, en las zonas anaranjadas. La producción mundial de plátano en el 2003 fue de 102 millones de toneladas, en nuestro país el cultivo de plátano, se ubica en 18 entidades, sin embargo, su producción solo en cinco se concentra: Chiapas, Veracruz, Tabasco, Michoacán y Colima (FAO, 2007.)
Figura 4. Distribución del cultivo de plátano alrededor del mundo.
El plátano en estado inmaduro contiene 70-74 % de humedad, 1 % de proteína, 0.3-0.5 % de grasa, 20-30 % de carbohidratos totales, 0.5 % de fibra bruta, 3.5 % de fibra dietaria y el 1 % de cenizas (Tobin y Muller, 1998; Chávez y col. 1992) De la pulpa del plátano puede obtenerse el almidón con una pureza del 93 % en base humeda (Flores-Gorosquera y col., 2004).
8
II.2.1
Almidones modificadosEl almidón puede ser sometido a modificaciones químicas, físicas, mecánicas y enzimáticas, que pueden causar cambios en su estructura, para obtener así las características deseadas en el producto final. Dichos cambios son de utilidad tecnológica, por lo que el almidón es modificado de diferentes maneras. Para caracterizar el nivel de modificación, se utiliza el grado de sustitución, que es el número promedio de grupos que sustituyen a los grupos hidroxilos de cada unidad de D-glucopiranosil, en la cual se tienen 3 grupos disponibles (Miladinov y Hanna, 1999).
Se utilizan métodos físicos para la transformación del almidón, como es el proceso de extrusión, el cuál durante la obtención de películas, lo convierte en almidón termoplástico, pero que sin embargo, es muy hidrofílico, y por ello se ha visto que las modificaciones químicas lo pueden mejorar. Por ejemplo: la hidroxipropilación (Vorwerg y col., 2004; De Graaf, 2003), acetilación (Guan y col., 2005; López y col., 2008), acidificación (Xiaofei y col., 2009), del almidón, antes de su procesamiento en el extrusor. También se pueden elaborar las películas y posteriormente modificar su superficie (Carvalho y col., 2005). Otra forma es realizar la modificación química dentro del extrusor (extrusión reactiva), como es el caso de la esterificación (Miladinov y Hanna, 1999). En los trabajos mencionados se reduce el carácter hidrofílico del almidón; sin embargo, la modificación por oxidación, aunque aumenta la blancura de los almidones, también aumenta su carácter hidrofílico (Sánchez-Rivera y col., 2005).
9 II.2.1.1 Almidón termoplástico (ATP)
El almidón se puede convertir en un material termoplástico por la desintegración granular en presencia de plastificantes (agua, glicerol, sorbitol, xilitol, entre otros) mediante su procesamiento con equipos usualmente empleados en la obtención de plásticos sintéticos, como extrusores (Acosta y col., 2006). El almidón termoplástico (ATP) presenta varios atributos, además de su biodegradabilidad, es un material renovable y de bajo costo.
Existe mucho interés en la utilización de ATP para el desarrollo de plásticos biodegradables, como bolsas desechables, platos, vasos, cucharas, tenedores, cuchillos y bolsas para basura (Acosta y col., 2006). Sin embargo, existen problemas en su estabilidad estructural, ya que los materiales termoplásticos son susceptibles a la retrogradación del almidón y a la cristalización, algunos materiales son expuestos a la humedad durante su almacenamiento y su uso, lo que ocasiona variaciones en su contenido de humedad y también en las propiedades del material causadas por la cristalización del almidón (Soest y col., 1996).
El comportamiento térmico de los almidones es mucho más complejo que el de los materiales termoplásticos convencionales (como el polietileno), debido a los cambios fisicoquímicos que ocurren durante el calentamiento del almidón ó de productos derivados del mismo, como gelatinización, fusión, temperatura de transición vítrea, cristalización, cambios en la estructura cristalina, volumen de expansión, degradación molecular y fenómenos de transferencia de masa ( Yu y Christie, 2001).
10 II.2.1.2 Oxidación del almidón
Aunque particularmente se realiza en las industrias textiles y papelera, su aplicación en la industria de alimentos está creciendo debido a que el almidón oxidado presenta baja viscosidad, alta estabilidad, claridad y capacidad para formar películas, en comparación con los almidones nativos. El bromuro de sodio (NaBr), cloro gaseoso (Cl2), hipoclorito de calcio (Ca(OCl)2), permanganato de potasio
(KMnO4), persulfato de amonio (NH4)S2O8 e hipoclorito de sodio (NaOCl), son los
agentes más frecuentemente utilizados para la oxidación de almidón (Wing, 1994).
El almidón oxidado se produce al reaccionar el almidón nativo con un agente oxidante específico bajo condiciones controladas de pH y temperatura. El hipoclorito de sodio es uno de los más antiguos en ser utilizados y el más popular como agente oxidante. Durante la oxidación, los grupos hidroxilos presentes en los carbonos: C2, C3, y C6 en las moléculas de almidón, son atacados por el agente oxidante al azar, oxidándose primeramente a grupos carbonilo (-C=O) y posteriormente a grupos carboxilo (-COOH), como se muestra en la Figura 5, esto es lo que determina la eficiencia de la reacción. La oxidación provoca la hidrólisis de los enlaces glucosídicos y como consecuencia se pierden algunas de las propiedades del polímero, como por ejemplo, disminuye la viscosidad del almidón (Wang y Wang, 2003).
Los factores que influyen en el nivel de oxidación, además de la concentración del NaOCl, son la fuente de almidón y las características propias de los gránulos, como tamaño, forma, estrías, fisuras, el espesor de las láminas, el grado de polimerización, el peso molecular y la proporción de amilosa y amilopectina (Kuakpetoon y Wang, 2007; Heibesh y col., 1989).
11 La velocidad de reacción del NaOCl con el almidón es altamente afectada por el pH, siendo más rápida a pH 7 y muy lenta a pH 10 (Rutenberg y Solarek, 1984). Bajo condiciones ácidas, el cloro, reacciona con los grupos hidroxilo de cada molécula de almidón y se forma un éster de hipoclorito y HCl. Posteriormente, se descompone en un grupo ceto y una molécula de HCl. En ambos pasos, los átomos de hidrogeno son removidos como protones de los átomos de oxigeno y carbono. Por lo tanto, en un medio ácido con exceso de protones, la liberación de más protones podría ser obstaculizada y la velocidad de reacción disminuiría al mismo tiempo que se incrementa la acidez.
Durante la oxidación, se solubilizan del 70 al 80 % de las impurezas que contienen nitrógeno, también se decolora y/o elimina el material pigmentado debido al efecto de blanqueado que produce el agente oxidante; por lo tanto, los almidones oxidados son más blancos que el almidón nativo y la blancura se incrementa al aumentar la cantidad de agente oxidante. Por otra parte, los ácidos grasos libres se reducen del 15 al 20 % en la etapa temprana de la oxidación (Morton y Solarek, 1984; Thomas y Atwell, 1999).
12 Figura 5. Reacción de oxidación del almidón, que muestra los grupos de la glucosa susceptibles al ataque por el hipoclorito de sodio (Rudrapatman y col., 2005).
13
II.2.2
Cambios estructurales del almidón durante tratamientos térmicos II.2.2.1 Gelatinización y retrogradaciónDentro de los cambios estructurales inducidos por tratamientos térmicos en el almidón, se encuentra el proceso de gelatinización; que es la pérdida del orden molecular (colapso molecular) que se manifiesta dentro del gránulo de almidón. Esta transformación va acompañada de cambios irreversibles en sus propiedades como absorción de agua, hinchamiento del gránulo, fusión de la parte cristalina, pérdida de la birrefringencia, aumento en la viscosidad y la solubilidad del gránulo (Sandoval-Aldana y col., 2001).
En la solución acuosa gelatinizada del almidón, las moléculas de amilosa y amilopectina están dispersas. Después del enfriamiento, las porciones lineales de varias moléculas se colocan paralelamente debido a la formación de enlaces de hidrógeno, éste fenómeno se denomina retrogradación y obliga a las moléculas de agua a apartarse y a permitir que las moléculas cristalicen juntas. Cuando se disuelve el almidón en agua caliente, la estructura cristalina de las moléculas de amilosa y amilopectina se pierde y éstas se hidratan formando un gel, es decir, se gelatiniza. Si se enfría este gel, e inclusive si se deja a temperatura ambiente por suficiente tiempo, las moléculas se reordenan, colocándose las cadenas lineales de forma paralela y formando puentes de hidrógeno. Cuando ocurre este reordenamiento, el agua retenida es expulsada fuera de la red (proceso conocido como sinéresis), es decir, se separan la fase sólida (cristales de amilosa y de amilopectina) y la fase acuosa (agua líquida) (Rodríguez y col. 2001).
14 II.2.2.2 Empastado
La formación de un gel o pasta es determinante en la textura de los alimentos, ésta depende no solo de la concentración de almidón sino también de la estructura del gránulo hinchado, de la proporción de amilosa y amilopectina lixiviada del gránulo y de las condiciones de calentamiento como temperatura, tiempo, velocidad de calentamiento y esfuerzo de corte (Iturriaga y col., 2006). El término “pasta de almidón” engloba varios procesos: hinchamiento del gránulo, lixiviación de componentes a partir del gránulo (principalmente amilosa), y eventualmente la desintegración del gránulo (Atwell, 1988). En general, una pasta de almidón puede ser descrita como un sistema de dos fases, compuesto de una fase dispersa de gránulos hinchados y una fase continua de amilosa lixiviada a partir del gránulo (Ring, 1985).
La Figura 6 muestra el perfil típico de una curva amilográfica para almidón. Durante la fase de calentamiento (50 a 95 °C), se presenta un aumento en la viscosidad, la cual es registrada como el inicio del hinchamiento de los gránulos. Al continuar el calentamiento, los polímeros de bajo peso molecular, particularmente las moléculas de amilosa, comienzan a solubilizarse desde el gránulo y se obtiene un valor máximo de viscosidad; en esta etapa la mayoría de los gránulos se hinchan completamente. Durante la etapa de cocción (95 °C; se deja estabilizar a esta temperatura por algunos minutos), se presenta una disociación molecular y continúa la solubilización de los polímeros; en este punto se presenta una disminución en los valores de viscosidad. Durante la fase de enfriamiento (95 a 50 °C), los polímeros de amilosa y amilopectina solubilizados comienzan a reasociarse y se registra un ligero aumento en los valores de viscosidad. Este segundo incremento en la viscosidad es referido como la etapa de gelificación (Thomas y Atwell, 1999)
1 5 F ig u ra 6 . C u rv a a m ilo g rá fi c a d e a lm id ó n d e m a íz q u e p re s e n ta la s tr e s e ta p a s u s u a le s : c a le n ta m ie n to , c o c c ió n y e n fr ia m ie n to ( T h o m a s y A tw e ll, 1 9 9 9 ).
16 II.2.2.3 Temperatura de transición vítrea (Tg)
La transición vítrea se induce por el cambio de temperatura de un polímero semicristalino1 a un estado progresivamente gomoso cuando se calienta. En CDB, la evidencia directa de la transición vítrea se caracteriza por un incremento en la capacidad calorífica (∆Cp) de la muestra, la cual al ser reversible puede ser medida durante el calentamiento o enfriamiento. La temperatura de transición vítrea (Tg) se puede determinar como el punto medio del cambio en la capacidad calorífica de la muestra. La Tg depende de las propiedades térmicas del material, del peso molecular de las cadenas poliméricas, de la presencia de plastificantes, del grado de cristalinidad y de la composición de la muestra (Thieves y Steeneken, 1996).
1
17
II.3
ELABORACIÓN DE PELÍCULAS A PARTIR DE POLÍMEROSBIODEGRADABLES
Los polímeros biodegradables son un nuevo campo emergente en América latina y sus aplicaciones son amplias (Figura 7), principalmente en el área biomédica en aplicaciones tales como implantes quirúrgicos y en empaques de fármacos. También tienen aplicaciones agrícolas tales como; maceteros para las semillas y/o cobertura, empacado de alimentos, productos de papelería etc. (Huang y col.,1995; Averous y Boquillon, 2004).
APLICACIONES
Figura 7. Aplicaciones de los polímeros biodegradables que se comercializan en el mercado (Berkesh, 2005).
18
En la Figura 8, se clasifican a los biopolímeros naturales de acuerdo a su
fuente: origen agrícola, microbiano y sintético (también biodegradable). Entre los
polímeros más utilizados se encuentran los polisacáridos, tales como la celulosa, el almidón y el quitosán. Este último tiene actividad antimicrobiana (Shahidi y col., 1999) y su entrelazamiento con aldehídos hace la película más dura e insoluble en agua (Srinivasa y col., 2004). Estos materiales le proporcionan a algunas películas
dureza, flexibilidad, transparencia y pueden utilizarse en la elaboración de panales
de huevo, en películas que absorben aceites, coberturas ó materiales de empaque
para frutas y verduras. (Lin y Zhao, 2007; Albertsson y Karlsson, 1995; Matsui y col., 2004).
La pectina puede usarse en la elaboración de películas por proceso de extrusión, compresión y/o otras operaciones térmicas (Marshall y Coffin, 1998); es soluble en agua e igualmente es usada en la fabricación de bolsas y en diversos sistemas médicos. Las películas que resultan de las mezclas de pectina y quitosán junto con cualquier plastificante y ácido poliláctico, generan buenas propiedades mecánicas y de barrera según el porcentaje de los componentes y la relación con el material alimenticio en estudio (Fishman y col., 2004).
Las películas comestibles, son hechas de materiales comestibles como: proteínas de origen animal (caseína de la leche, miofibrilares de pescados) y a partir de plantas (zeína, soya y trigo), exhiben excelentes propiedades de barrera, pero también son quebradizas por lo que la adición de plastificantes mejora su extensibilidad y viscoelasticidad. Los materiales tienden a absorber agua debido a que las proteínas y los plastificantes son hidrofílicos (Lin y Zhao, 2007). La zeína es una fracción proteica del maíz, puede formar películas con gran resistencia (Ryu y col., 2002; Wang y col., 2003), y con la adición de un polialcohol se mejora el esfuerzo de tensión. La proteína del suero de leche, cuando se procesa apropiadamente, produce una película flexible, pero frágil (Tharanathan, 2003).
19
La fermentación bacteriana de la glucosa y el suministro del sustrato ácido acético, durante el almacenamiento da un novedoso poliéster termoplástico llamado polihidroxibutirato el cual, sólo o en combinación con plásticos sintéticos o con almidón, produce excelentes películas para empaques. El polihidroxibutirato es
un biopoliéster termoplástico que posibilita la acumulación de CO2, de tal manera
que permite el control de atmósferas y el crecimiento de bacterias. El polihidroxialcanoato, es otro biopolímero producido por Pseudomonas aeruginosa
que producen excelentes películas para empaques y permite controlar el CO2
durante el almacenamiento de frutas y verduras (Fernández y col., 2005).
De la fermentación de la glucosa o de plantas modificadas genéticamente, se obtienen polímeros del grupo sintético (también biodegradables), que incluyen al ácido láctico, a la policaprolactona, polivinil alcohol y poliésteres (Averous y Boquillon, 2004). Los poliésteres alifáticos son conocidos por ser susceptibles a ataques biológicos (Eldsater y col., 2000); entre éstos se encuentran: el Poli(etilén adipato) y la poli(ε-caprolactona) poliuretanos y copoliésteres, compuestos de poliésteres alifáticos y aromáticos). El poli(ácido láctico), los polihidroxialcanoatos, y la policaprolactona aparecen como los más atractivos debido a sus buenas propiedades mecánicas y de biodegradabilidad en la elaboración de películas (Huang, 1996; Fang y col., 2005).
2 0 F ig u ra 8 . C la s if ic a c ió n d e l o s p o lí m e ro s b io d e g ra d a b le s ( m o d if ic a d o d e A v e ro u s y B o q u ill o n , 2 0 0 4 ).
21
II.4
PROPIEDADES DE LAS PELÍCULAS DE ALMIDÓNII.4.1
Propiedades mecánicasLas pruebas de esfuerzo y deformación, son utilizadas para determinar las propiedades mecánicas de los materiales. Los parámetros comunes que se caracterizan son: la tensión a la fractura (TF), el porcentaje de elongación ( %E) y el módulo de elasticidad ( ME ó modulo de Young). En la Figura 9 se definen las variables utilizadas para la determinación de los parámetros, el módulo de Young se calcula como la pendiente de la elongación de cedencia entre el esfuerzo de cedencia.
Figura 9. Curva típica de esfuerzo contra deformación de películas de almidón de plátano evaluadas a los 15 días de almacenamiento.
22
II.4.2
Propiedades de barreraLas películas de almidón, pueden ser utilizadas como material de empaque, en el cual una de sus funciones es la de proteger al producto del medio que lo rodea.
La permeabilidad al vapor de agua (PVA), es una propiedad importante que indica la habilidad de la película, de controlar el transporte de agua a través de la misma. Se ha buscado producir películas, en donde se minimice la transferencia de vapor de agua, es decir la reducción de la PVA (Parra y col., 2004). Otra propiedad que presentan las películas en base a almidón, es la adsorción de agua; lo cual quiere decir que las moléculas de agua se ligan en sitios hidrofílicos específicos, como pueden ser en residuos carboxilo e hidroxilo, a bajas humedades relativas ó Aw. A altas Aw la adsorción va acompañada de hinchamiento y cambios conformacionales en la estructura macromolecular (Bertuzzi y col., 2003). Parte del vapor de agua queda retenido en la película y este puede medirse mediante la elaboración de una isoterma de adsorción.
La isoterma de un producto relaciona gráficamente, a una temperatura constante, el contenido en humedad de equilibrio de un producto con la actividad termodinámica del agua del mismo (Aw), ya que en el equilibrio, este último parámetro es igual a la humedad relativa del aire que rodea al producto (Vega-Galvéz y col., 2006). Existen diferentes tipos de isotermas propuestas por Van der Waals, la de tipo I corresponde a fenómenos de quimiosorción que ocurren en los puntos activos de la superficie. Los tipos II y III son los más frecuentes en alimentos no porosos, los tipos IV y V corresponden a isotermas de productos porosos, en los que la meseta de las curvas está asociada a la saturación capilar (Martínez y col., 1999), en la Figura 10 se muestra una ilustración de las isotermas.
23 Figura 10. Tipos de isotermas de adsorción (Martínez y col., 1999).
24
II.4.3
Propiedades térmicasLa extrusión de almidón con glicerol produce un material termoplástico amorfo (Soest y col., 1996), debido a que el almidón se somete a altas temperaturas, presiones y altos esfuerzos mecánicos. Estas condiciones generan varias transformaciones que incluyen: la gelatinización del almidón, fusión y reacciones degradativas (Blanche y Sun, 2004). La caracterización térmica de éstos materiales es de gran interés, debido a que no presentan un arreglo molecular (amorfos), el cual le confiere flexibilidad a las películas de almidón. Las películas sometidas a condiciones ambientales, presentan un comportamiento gomoso, debido a que su temperatura de transición vítrea (Tg) se encuentra por debajo de la temperatura ambiente. Un intervalo amplio de temperatura entre la Tg y la temperatura de fusión de la película (Tf), permitirá un mayor margen de aplicaciones, es por ello que se han realizado muchas investigaciones en la utilización de plastificantes que disminuyen la Tg (Slade y Levine, 1993).
La Tg en una película, depende de la temperatura, tiempo, composición y la adición de plastificantes, los cuales han sido ampliamente estudiados para la optimización de las películas. Teóricamente se puede predecir la Tg de una mezcla homogénea mediante la siguiente ecuación:
2 2 1 1 1 g g g T W T W T = + ...Ecuación 1 En donde Tg es la temperatura de transición vítrea de la mezcla, Tg1 del
polímero 1 y Tg2 del polímero 2, respectivamente, W es la fracción en peso (de
25
II.5
FACTORES QUE AFECTAN LAS PROPIEDADES DE LAS PELÍCULASII.5.1
Método de elaboraciónEl almidón termoplástico puede producirse mediante diferentes tecnologías, tales como; compresión, soplado por extrusión, extrusión con un solo tornillo ó doble y por vertido en placa (VP). El VP consiste en hacer una dispersión de almidón a concentraciones bajas (2-4 %) y posteriormente el almidón es gelatinizado por diferentes técnicas, como la gelatinización térmica (Zamudio y col., 2006; Dias-Alves y col., 2006) en donde la dispersión es transferida a la copa de un microviscoamilógrafo y calentada hasta 95 ºC ó gelatinización fría con hidróxido de sodio (NaOH) como lo describe Romero-Bastida y col. (2005). Finalmente, la solución filmogénica se vierte en una placa y se seca. La extrusión es un proceso térmico-mecánico por medio del cual, el almidón a humedades bajas, es plastificado y cocido por la acción combinada de presión, calor, acción mecánica y son forzados a pasar por una boquilla. Las diferencias en ambos procesos son el alto contenido de humedad en la técnica de VP y la alta viscosidad generada en el extrusor.
Existe un estudio (Fishman y col., 2006) en donde se comparan los métodos de formación de películas utilizando: moldeo por compresión, soplado por extrusión y extrusión, para el procesamiento de una mezcla de pectina, almidón, poli (vinil alcohol) y glicerol. Se observó que la formación de películas mediante los diferentes métodos, depende de la composición de las mezclas, ya que en el soplado es necesario una mayor proporción de poli (vinil alcohol). Las películas elaboradas por VP, presentaron el mayor esfuerzo de tensión en comparación con los demás métodos y las elaboradas por extrusión presentaron mayor esfuerzo de tensión y porcentaje de elongación, que las elaboradas por moldeo. En cuanto a la permeabilidad al vapor de agua, se ha visto que las elaboradas por extrusión, es mayor que las elaboradas por VP (Galdeano y col., 2008)
26
II.5.2
Tipo y concentración de plastificante
Un plastificante se define como una sustancia no volátil de alto punto de ebullición la cual, al ser agregada a otro material, cambia las propiedades físicas y/o mecánicas de la misma (Banker, 1966). En la elaboración de películas, un plastificante conduce a una disminución de las fuerzas intermoleculares a lo largo de las cadenas poliméricas, aumentando su flexibilidad y disminuyendo la fragilidad de la misma (Guilbert, 1986). Moléculas como los poli glicoles, amidas y aminas sirven como plastificantes no volátiles para el almidón. Se han utilizado plastificantes como glicerol, sorbitol, fructosa, glucosa, sacarosa, xilosa, urea etilenglicol, cera de abeja etc., los cuales son inocuos para el ser humano y podrían aplicarse para fines alimenticios. Los polioles más utilizados son el sorbitol y el glicerol que plastifican efectivamente, debido a su habilidad para reducir los enlaces de hidrógeno internos, mientras se incrementa el espacio intermolecular (Liberman y Gilbert, 1973).
Los plastificantes disminuyen la transición vítrea (Tg) de los polímeros, la cual es importante en las propiedades mecánicas de las películas (Kalichevsky y Bianshard, 1993), ya que, por debajo de ella se tiene una estructura rígida y quebradiza. Pero si se logra disminuir la Tg, los enlaces intermoleculares no se rompen. A una mayor proporción de glicerol/almidón, la movilidad de las cadenas de almidón aumenta y las moléculas de glicerol debilitan los puentes de hidrógeno. Si la temperatura de transición vítrea se baja a temperatura ambiente, al ser aplicado un esfuerzo en las películas, la elongación de las películas puede aumentar. Si la Tg se disminuye por de bajo de 20 ºC no se observará un incremento en el esfuerzo de tensión, pero si de elongación (Mali y col., 2006). En estudios previos se halló que el incremento de glicerol en películas elaboradas por extrusión de almidón de papa, trigo, maíz ceroso y chíncharo, mostraron un aumento en el porcentaje de elongación y una disminución en el esfuerzo de tensión (de Graaf y col., 2003). En almidón de maíz al aumentar la humedad relativa de 35 a 65 %, se reduce el esfuerzo de tensión cerca de un 43 %, ya que ésta humedad sirve como un plastificante adicional en la formulación de la película
27 (Lloyd y kirst, 1962).
Otra propiedad de los plastificantes es que tienden a atraer moléculas de agua, porque se ha visto que las películas plastificadas con glicerol tienen un mayor contenido de humedad en comparación con películas no plastificadas (Mehyar y Han, 2004). También en un estudio realizado por Mali y col. (2002), se demostró que el glicerol favorece la absorción y desorción de agua en películas de almidón de camote dulce, además favorece el aumento en la PVA. La adsorción de agua en películas de almidón ha sido muy estudiada, ésta es diferente dependiendo de si la Tg esta por arriba ó por debajo de la temperatura a la que se analizan (Standing y col., 2001).
El agua también afecta la cristalinidad de las películas de almidón, desarrollan un patrón de difracción cristalino con el tiempo y este depende del contenido de humedad de las películas y de las condiciones de almacenamiento.
28
II.5.3
Tipo de almidón y proporción amilosa/amilopectina
Se ha reportado que las películas elaboradas de almidón de diferente fuente, tienen diferentes propiedades y esas diferencias se han atribuido a la proporción de amilosa presente en el almidón (Lawton, 1996) y a la medida y forma del gránulo (Lim y col., 1992; Montaño-Leyva y col., 2008).
Las películas elaboradas con amilosa, tienen mejores propiedades mecánicas que las de amilopectina, y en las elaboradas con ambos componentes (Lourdin y col., 2005); a mayor relación amilosa/amilopectina mayor el incremento lineal en el esfuerzo de tensión (ET) y porcentaje de elongación ( %E), pero en presencia de plastificantes como el glicerol, al aumentar el contenido de amilosa, el ET aumenta y el %E disminuye (Dias-Alves y col., 2006). La tendencia lineal en ambos parámetros alcanza una platea, ya que Lourdin y col. (1995) encontraron que a incrementos mayores al 40 % de amilosa y a una concentración del 20 % de glicerol no observaron cambio en las propiedades mecánicas. La fuente de almidón también tiene una repercusión, ya que al comparar las propiedades mecánicas de películas elaboradas con almidón de chícharo con las de otros almidones (papa, trigo, maíz ceroso), éstas presentaron menor esfuerzo de tensión y mayor porcentaje de elongación, lo cual se cree que se debió a la alta concentración de amilosa presente en el almidón de chícharo, lo cual provocó un realineamiento moderado de las moléculas (de Graaf y col., 2003). Además de la proporción de amilosa, se observó en un estudio reciente (Montaño-Leyva y col., 2008), que en películas de almidón de trigo, el tipo de gránulo (fracción A ó B) tuvo un efecto significativo en las propiedades mecánicas, ya que con gránulos de la fracción B y con 40 % de glicerol se obtuvieron películas dúctiles, resistentes a la deformación pero no extensibles y las elaboradas con la fracción A (40 % de glicerol), fueron extensibles y con baja resistencia a la deformación.
29 En cuanto a la permeabilidad al vapor de agua (PVA), el aumento en el contenido de amilosa en películas sin plastificante (García y col., 1999), se ve reflejado en la disminución de la PVA; lo contrario se observa en películas plastificadas con glicerol (Dias-Alves y col., 2006). El comportamiento de la PVA es diferente entre las películas de amilopectina y amilosa; en las primeras ésta aumenta al incrementar el contenido de glicerol por arriba del 10 %, en películas de amilosa la PVA es independiente del aumento (Forssell y col., 2002). La fuente de almidón también influye en la PVA, ya que se reporta en películas elaboradas a partir de almidón de maíz, yuca y camote dulce, que al incrementarse el contenido de glicerol, hubo un mayor aumento en la PVA de las películas elaboradas de camote dulce en comparación con las demás fuentes (Mali y col., 2006).
II.5.4
Efecto del almacenamientoLos cambios que ocurren durante el almacenamiento han sido explicados por el contenido de agua, la temperatura de transición vítrea y la cristalinidad (Shogren, 1992). La cristalinidad es inducida por la rápida recristalización de las estructuras de hélice sencilla de la amilosa después de su elaboración. Se ha observado la formación de tres tipos de cristales identificados como VH, VA y EH mediante
difracción de rayos X. La formación de las hélices sencillas esta determinada por los parámetros de procesamiento, el contenido de amilosa y aditivos como el glicerol. El contenido de amilosa es proporcional a la amilosa cristalizada y en materiales elaborados con almidón ceroso, que contienen poco o ningún contenido de amilosa, no se observa cristalización de hélices sencillas de amilosa. La velocidad de formación de los cristales está influenciada por la temperatura y la humedad. En la Figura 11 se muestra un ejemplo de la transición de estructuras EH
en VH, debido al almacenamiento e incremento de agua (Soest y Vliegenthart,
30 Figura 11. Difractogramas de transición de estructuras EH a VH (Soest y
Vliegenthart, 1997).
Muchos estudios han reportado los cambios en las propiedades mecánicas de las películas de almidón a diferentes tiempos de almacenamiento (Soest y Knooren, 1997; Forsell y col., 1999). Soest y Vliegenthart (1997) estudiaron las propiedades de películas de almidón extrudídas, combinando diferentes proporciones de amilosa y amilopectina, las cuales fueron almacenadas hasta 8 meses. Ellos encontraron que a pocos días de su elaboración, hubo un incremento en la hélice sencilla de amilosa y en la cristalinidad de tipo B, lo cual causó un rápido incremento en el módulo de Young junto con una reducción en el porcentaje de elongación.
La elongación de las películas disminuye mientras que el esfuerzo de tensión aumenta, esto se debe a los cambios en el contenido de agua y temperatura de transición vítrea (Tg) (Shogren, 1992) y cristalinidad (Soest y Knooren, 1997). Forssell y col. (1999) concluyen que los cambios en las propiedades mecánicas se deben a la reorientación y/o cristalización de las moléculas de amilosa y amilopectina. Las películas elaboradas con amilopectina y glicerol, desarrollan un
31 mayor grado de cristalinidad cuando se almacenan a mayor humedad relativa (Standing y col., 2001) Las películas plastificadas con 0, 10 ó 30 % de glicerol mostraron un patrón de difracción de tipo B y no se observaron cambios en la cristalinidad durante dos meses de almacenamiento (a una humedad relativa de 54 y 91 % a temperatura ambiente). En moléculas de amilopectina no ocurrieron cambios; sin embargo, en películas con 30 % de glicerol almacenadas a una humedad relativa del 91 % la cristalinidad aumentó de 10 a 19 % en un mes.
32
II.6
EXTRUSIÓNLa tecnología de extrusión ha sido exitosamente empleada en la manufactura de alimentos y en la extrusión de plásticos convencionales sin embargo, existe poca información en cuanto al procesamiento de películas biodegradables.
La extrusión, se considera un proceso de alta temperatura y corto tiempo. Un extrusor (Figura 12) contiene los siguientes elementos básicos:
1. Tolva de alimentación
2. Un barril liso o acanalado que puede ir provisto de chaquetas de calentamiento o enfriamiento.
3. Uno o dos tornillos que giran ajustadamente dentro del barril. Pueden ser de una sola pieza o compuestos de secciones intercambiables.
4. Una boquilla de descarga
5. Un motor que hace girar los tornillos
En la boquilla de descarga, puede colocarse un dado, que es el aditamento de metal que se encarga de formar el material termoplástico. Se divide en tres partes: la sección de adaptación, en donde se ensambla a la boquilla de salida del extrusor; la sección de distribución, que se encarga de moldear el material; y la zona del dado, que mantiene constante la sección transversal del canal de flujo antes de salir de los labios del dado (Wai-Bun y Jinchyau, 2003).
El extrusor, puede dividirse en tres ó más zonas de procesamiento: zona de alimentación, zona de formación y la zona de salida. La zona de alimentación generalmente tiene canales profundos que reciben la materia prima. Los preacondicionados o materiales secos entran a esta zona y son arrastrados a la zona de formación. En este punto se puede adicionar agua para ayudar a la formación de una masa y mejorar la transferencia de calor en el barreno del extrusor. En la zona de mezclado el material incrementa su densidad debido al agua y al vapor generado (Díaz, 2001).
33 Figura 12. Diagrama general de un extrusor (empaques plásticos de México S. A. de C. V. 2007).
34 Las condiciones de operación utilizadas durante el proceso de extrusión, tales como la temperatura, la velocidad y geometría del tornillo, la proporción de amilosa/amilopectina presente en el almidón y el contenido de humedad de la mezcla, repercuten directamente en la fragmentación de los gránulos de almidón. El parámetro más importante en la extrusión, es la viscosidad del material fundido en la zona de formación, ya que éste controla las propiedades del extrudido, influye en el transporte del material y en la presión generada en ésta zona. Se ha reportado que a mayor temperatura del dado en la zona de formación, existe un aumento en la gelatinización del almidón, que provoca también un incremento en la viscosidad (Li y col., 2004).
Lengerich (1990) observó que durante la extrusión ocurre la dextrinización del almidón, es decir la producción de cadenas cortas y esto se debe a las altas temperaturas, al aumento en la velocidad del tornillo y a la baja velocidad en la alimentación. Además, el contenido de agua afecta la gelatinización del almidón y generalmente el aumento de su proporción disminuye la viscosidad
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III
JUSTIFICACIÓN
Debido al problema ecológico generado por la contaminación de residuos plásticos elaborados a partir de derivados del petróleo, se ha buscado la sustitución de éstos por materiales de origen renovable, que sean seguros para el medio ambiente, con características similares a los plásticos convencionales y que puedan ser procesados por los mismos métodos. El almidón es un material que presenta las características anteriores, además se obtiene de diversos recursos naturales que pueden ser aprovechados, como por ejemplo, el que se extrae del plátano macho (Musa paradisiaca L) en estado inmaduro; del cual se han elaborado películas a nivel laboratorio y demostrado que tiene buenas propiedades para ser utilizado como material de empaque. Se han realizado estudios de películas elaboradas con almidón de plátano oxidado por la técnica de vertido en placa, sin embargo, por este método, no es factible la producción de películas a escala industrial. Por lo tanto, el utilizar la extrusión como método de elaboración es importante para llevar a un escalamiento. Por consiguiente es necesario realizar estudios a nivel laboratorio como una etapa preliminar antes de realizar el escalamiento.
36
IV
OBJETIVOS
IV.1
General
Evaluar las propiedades físicoquímicas, mecánicas y térmicas, de películas elaboradas por extrusión, de almidón oxidado de plátano macho (Musa paradisiaca L.) durante su almacenamiento.
IV.2 Específicos
• Oxidar el almidón nativo de plátano (Musa paradisiaca L) con hipoclorito de sodio al 3 % de cloro activo y realizar su caracterización morfológica y fisicoquímica.
• Elaborar películas de almidón nativo y oxidado por medio de extrusión.
• Efectuar la caracterización funcional y térmica de las películas almacenadas, mediante calorimetría diferencial de barrido.
• Evaluar las propiedades mecánicas y de permeabilidad al vapor de agua de las películas almacenadas.
37
V
MATERIALES Y MÉTODOS
La metodología empleada en el presente trabajo se muestra en la Figura 13.
38
V.1
Obtención y caracterización de almidones
V.1.1
Aislamiento de almidón
El almidón de plátano se obtuvo por el método modificado de Flores-Gorosquera (2004), el cual consistió en eliminar la cáscara de plátano y cortar en rodajas la pulpa, para posteriormente introducirla en una solución de ácido cítrico al 0.3 % (p/v), para evitar su oxidación. La pulpa fue molida en una licuadora casera y fue pasada por una tamizadora eléctrica marca Testing Equipment, Mod. RNU y mallas No. 40, 100, 200 y 325, que corresponden a aberturas de malla: 0.425, 0.15, 0.075 y 0.045 mm respectivamente. En cada malla el residuo se lavó con suficiente agua y fue eliminada, los sólidos presentes en el agua fueron sedimentados por decantación natural en lugar de centrifugarse mecánicamente como lo dice éste método. Se realizaron cuatro decantaciones y los sólidos concentrados fueron secados en el secador por aspersión marca Niro Atomizar Tipo 230 EA 11 No. 21, con una temperatura de entrada de 130 a 150 ºC, con una concentración de sólidos en la línea de llenado de 30 a 40 % y una temperatura de salida de 65 a 70 ºC. El polvo recolectado se tamizo por la malla No. 100.
39
V.1.2
Oxidación de almidón
La oxidación del almidón con hipoclorito de sodio (NaOCl) se realizó a una concentración del 3 % de cloro activo, empleando el método propuesto por Wang y Wang (2003), que consistió en la preparación de una pasta de almidón de 35 a 45 % de sólidos, posteriormente se mantuvo la mezcla a una temperatura de 35 °C y se ajustó el pH con NaOH (0.1 M) para neutralizar las sustancias ácidas producidas. Se agregó el cloro activo lentamente durante 30 min y se dejó reaccionar durante 50 min. Para inhibir la reacción se ajustó el pH a 7. Finalmente, el almidón fue separado de la mezcla de reacción por decantación, mediante lavados sucesivos con agua destilada hasta el eliminar el olor a cloro.
V.1.3
Análisis químico proximal de almidón
La determinación del contenido de humedad, proteínas, cenizas y grasas del almidón nativo y oxidado, se basaron en las técnicas propuestas por la AOAC y la AACC.
Humedad: por el método 14.004 de la AOAC de 1980. Proteínas: por el método 14.026 de la AOAC de 1980. Cenizas: por el método 32.10 de la AACC de 1984. Grasas: por el método 7.056 de la AOAC de 1980.
40
V.1.4
Determinación de almidón total
Se determinó el almidón total por el método de Goñi y col. (1997), en el cual se pesaron 50 mg de muestra en base seca en tubos de centrifuga con una capacidad de 50 ml, posteriormente se añadieron 3 ml de agua destilada y 3 ml de hidróxido de potasio (KOH) a una concentración 4 M, los tubos se agitaron durante 30 min a temperatura ambiente para entonces agregar 5.5 ml de ácido clorhídrico (HCl) 2 M y 3 ml de regulador acetato sódico 0.4 M y el pH de la solución fue ajustada a 4.75. Se agregaron 60 µl de la enzima amiloglucosidasa y los tubos se incubaron a 60˚C con agitación constante durante 45 min para después centrifugar a 3000 g durante 15 min. El sobrenadante fue recuperado y se ajustó el volumen en un matraz aforado de 50 ml. El contenido de glucosa se determinó con el reactivo glucosa oxidasa/peroxidasa.
V.1.5
Determinación de amilosa aparente
La fracción lineal del almidón es la amilosa, y esta absorbe yodo para dar un complejo azul. Para analizar el efecto de la oxidación en esta fracción se cuantifico el contenido de amilosa aparente. La determinación se realizó mediante el método descrito por Hoover y Ratnayake (2002). Se pesaron 100 mg de almidón (en base seca) y se disolvieron en 15 mL de DMSO (dimetilsulfóxido) al 90 % en tubos para centrifuga. Posteriormente, se mezcló vigorosamente por 20 min y se calentó en un baño de agua a 85 °C por 15 min, empleando agitación constante. Los tubos fueron enfriados a temperatura ambiente y el contenido se diluyó con agua a 25 mL en un matraz volumétrico. En un matraz de 50 mL se colocaron 600 µL de la solución anterior, y se agregaron 5 mL de la solución I-KI (I2 2.5 mM y KI 6.5 mM), para posteriormente ajustar el volumen a 50 mL con agua destilada. Finalmente, las muestras se dejaron atemperizar durante 15 min antes de leer las densidades ópticas a 600 nm.
41
V.1.6
Determinación de color
Se utilizó un Colorímetro Universal Milton Roy, color mate, con un iluminante D65 y un ángulo de observación de 10º. El equipo se calibró con un estándar de color blanco. Se utilizó un portamuestras, en donde se colocaron los almidones. Las lecturas fueron tomadas de puntos aleatorios sobre la superficie de la celda. Un promedio de 5 lecturas fue registrado por muestra. Las lecturas se reportaron en el sistema CIELAB (L*; a*, b*). Los parámetros de cromaticidad (C) y ángulo hue (˚h) se calcularon aplicando las siguientes ecuaciones:
C = (a*2 + b*2)1/2...Ecuación 2
0
h = tan-1(b*/a*) cuando a* > 0 y b* ≥ 0...Ecuación 3
0
h = 180 + tan-1 (b*/a*) cuando a* < 0...Ecuación 4
En el sistema CIELAB, el parámetro de luminosidad (L*) tiene un intervalo de 0 a 100, que va de negro a blanco. Las coordenadas a* y b*, localizan el color sobre una coordenada rectangular perpendicular a L*, con las cuales se obtiene el cálculo de C* y h* que son análogos a la intensidad, saturación y tonalidad de color. El parámetro a* representa al componente que va de verde a rojo (el verde es un valor negativo y el rojo positivo) y b* que va de azul a amarillo (el azul es un valor negativo y el amarillo es positivo) (Jiménez y Gutiérrez, 2000). Las mediciones de color se realizaron por triplicado.
