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CE

: 207

/09/

2020

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ÍNDICE

Antecedentes

Misión, visión y objetivo

Feria de Ciencias e Ingenierías del Estado de México (FECIEM)

Proyectos ganadores nivel medio superior

Proyectos ganadores nivel superior

REPORTE FINAL DE INVESTIGACIÓN NIVEL MEDIO SUPERIOR

Ciencias Exactas

Extracción de antocianinas, carotenoides, taninos y clorofila a partir de bioresiduos del exocarpo de Cocus nucifera, Capsicum annuum y Medi-cago sativa, para aprovechar el potencial tintóreo con una función peda-gógica, didáctica y artística.

Manejo Ambiental y Análisis Ambiental

El Tenebrio molitor un degradante natural del poliestireno en placa.

Elaboración de un termoplástico a partir de esquilmos queseros.

REPORTE FINAL DE INVESTIGACIÓN NIVEL SUPERIOR

Ingenierías

Diseño y manufactura de un horno para un reactor pirolítico.

Sistema de clasificación colorimétrica para la selección de aguacate Hass.

Ciencias de la Computación

Recorrido Interactivo para el aprendizaje sobre culturas antiguas de México.

ASISMED SERVICE Servicio de prácticas en las comunidades de escasos recursos en el área de salud.

Prototipo para la actividad física de infantes autistas de grado moderado.

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Ciencias Exactas

Síntesis de catalizadores heterogéneos de cobalto molecularmente de-finidos y su evaluación en la reacción de deshidrogenación.

Modelado matemático de la liberación de proteína en matrices de qui-tosano-tripolifosfato.

Estrategias para la preservación de insectos benéficos en un sistema de producción agrícola, en el Estado de México.

Ciencia y Tecnología de los Alimentos

Uso de la actividad antimicrobiana del extracto de capulín en una pelí-cula comestible a base de xoconostle.

Elaboración de botana funcional a base de chapulines (Sphenarium pur-purascens) y charales (Chirostoma).

Desarrollo de producción e innovación de alimento para trucha arcoíris a base de gusano Tenebrio molitor.

Manejo Ambiental y Análisis Ambiental

Biosorbente sustentable para el tratamiento de agua contaminada con colorantes.

Medicina y Salud

Caracterización de nanopartículas de quitosán-tripolifosfato y su compor-tamiento en cultivos celulares de macrófagos.

Reconocimiento y purificación de bacteriocinas producidas por microorga-nismos aislados a partir de aguamiel.

Actividad antimicrobiana de la biopelícula con base en polisacáridos del xoconostle de la región mazahua.

Galería

Programas

Dirección de Investigación Científica y Formación de Recursos Humanos.

Dirección de Desarrollo Tecnológico y Vinculación.

Dirección de Financiamiento, Divulgación y Difusión.

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Antecedentes

El Consejo Mexiquense de Ciencia y Tecnología (Comecyt) se fundó el 6 de abril del año 2000 con el objetivo de promover en el Estado de México la for-mación de capital humano, la investigación científica, el desarrollo tecnológi-co, la innovación, la divulgación y la apropiación social de la ciencia.

Para cumplir con este objetivo, el Consejo lleva a cabo las siguientes funcio-nes primordiales:

Becas

Otorgar becas y recursos financieros a estudiantes y/o profesionistas para su formación en áreas científicas y tecnológicas.

Aportaciones

Financiar parcialmente la realización de proyectos de ciencia y tecnología que incluya la colaboración entre instituciones educativas, centros de investiga-ción y organizaciones públicas y/o privadas.

Difusión

Difundir y divulgar el conocimiento científico entre la población mexiquense a través de publicaciones, talleres, concursos y eventos.

Reconocimientos

Otorgar reconocimientos y estímulos a los ciudadanos con logros y méritos en áreas de ciencia y tecnología.

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Misión, visión y objetivo

Difundir y apoyar los avances de la ciencia, así como propi-ciar el desarrollo y aprovechamiento de nuevas tecnologías para satisfacer las necesidades de la sociedad mexiquen-se, contando con procesos transparentes que nos permi-tan el óptimo aprovechamiento de los recursos asignados.

Ser un organismo que cuente con un sistema integrado de ciencia y tecnología, en el cual todos los sectores de la sociedad se vinculen de manera efectiva para lograr un crecimiento en la competitividad y desarrollo del Estado de México.

Promover el avance científico y tecnológico del Estado de México a través de la vinculación entre los sectores pro-ductivo y social, conjuntamente con los centros de investi-gación e instituciones de educación superior.

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Feria de Ciencias e Ingenierías del Estado de México (FECIEM)

Es un concurso de proyectos de carácter científico y/o tecnológico, que tiene la finalidad de promover, impulsar el desarrollo de la ciencia y tecnología en la entidad de estudiantes de nivel medio superior y superior, inscritos en ins-tituciones educativas públicas o privadas asentadas en el Estado de México.

En la treceava edición, la Plaza de los Mártires de Toluca fue sede de la FECIEM 2019, en la que se registraron 510 proyectos, de los cuales 165 parti-ciparon como finalistas en la tercera fase de evaluación. Estos proyectos fina-listas se integraron por 364 estudiantes y 120 asesores, provenientes de ocho instituciones de educación media superior y 31 de nivel superior, provenientes de 32 municipios de la entidad.

Estos proyectos finalistas se presentaron en las seis áreas del conocimiento indicadas en la base primera de la convocatoria; distribuyéndose de la siguiente manera: 12 en ciencia y tecnología de los alimentos; 36 en ciencias de la com-putación; 42 en manejo ambiental y análisis ambiental; 13 en medicina y salud; 17 en ciencias exactas y 45 en ingenierías.

En el marco de las actividades dirigidas a los participantes (estudiantes y ase-sores), se impartieron conferencias con temáticas vinculadas a cada una de las áreas del conocimiento, así como la presentación de diversos casos de éxito de jóvenes emprendedores, estudiantes y egresados destacados de Ins-tituciones educativas de la entidad.

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Se contó también con la participación de la Dra. Mara Daltabuit Test, Jefa de Educación de Advancing Research Worldwide (ARW), quien impartió cuatro seminarios, titulados: La publicación en el siglo XXI Volumen I y II, La revista ideal, ¿Cómo publicar una revista científica? y ¿Cómo manejar el rechazo? Además, se tuvo la participación del Instituto Mexicano de la Propiedad In-dustrial (IMPI), con el taller “Forjando Innovadores Protegidos” dirigido a los asesores de los proyectos participantes.

Durante la ceremonia de clausura y premiación de la FECIEM, se otorgaron cuatro acreditaciones a proyectos destacados en la categoría del nivel medio superior, a fin de que participaran representando al Estado de México en la Fe-ria Nacional de Ciencias e Ingenierías (FENACI) 2019, organizada y coordinada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), la cual se llevó a cabo del 18 al 22 de noviembre, en Oaxaca, Oaxaca. También se otorgaron dos acreditaciones a proyectos ganadores de nivel medio superior para repre-sentar al Estado de México en los siguientes eventos: “IX Encuentro Nacional Ondas 4.0 – 2019” realizado en la ciudad de Bogotá, Colombia y la “XXIX Feria Escolar Nacional de Ciencia y Tecnología – EUREKA 2019” llevado a cabo en la ciudad de Trujillo, Perú.

El presente documento forma parte de las memorias del evento Feria de Cien-cias e Ingenierías del Estado de México (FECIME 2019), cuyo contenido son los reportes finales de investigación de los proyectos ganadores. Reconocien-do como autores únicamente a los participantes registrados en el sistema en línea, quienes con antelación; autorizaron la publicación de su reporte en di-chas memorias.

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Ciencias Exactas:

Título Lugar Institución Municipio

Extracción de antocianinas, ca-rotenoides, taninos y clorofila a

partir de bioresiduos del exocar-po de Cocus nucifera, Capsicum annuum y Medicago sativa, para aprovechar el potencial tintóreo con una función pedagógica,

didáctica y artística

Primer lugar Escuela Preparatoria Oficial Núm. 53 Zumpango

Manejo Ambiental y Análisis Ambiental:


El Tenebrio molitor un degradante natural del poliestireno en placa

Primer lugar

Colegio de Estudios Cien-tíficos y Tecnológicos del

Estado de México Plantel Aculco

Aculco

Usos del mucílago de diferentes especies para

elaborar bioplástico, recubrimiento y pega-

mento natural

Segundo lugar

Colegio Nacional de Edu-cación Profesional Técnica

del Estado de México Plantel Coacalco

Coacalco de Berriozábal

Elaboración de un ter-moplástico a partir de esquilmos queseros

Tercer lugar

Colegio de Estudios Cien-tíficos y Tecnológicos del

Estado de México Plantel Aculco

Aculco

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Ingenierías:


Fraccionamiento de lignocelulosa vía

líquido iónicoPrimer lugar

Tecnológico de Estudios

Superiores de JocotitlánJocotitlán

Diseño y manufactu-ra de un horno para un reactor pirolítico

Segundo lugarTecnológico de Estudios

Superiores de CoacalcoCoacalco

Sistema de clasifi-cación colorimétrica para la selección de

aguacate Hass

Tercer lugar Tecnológico de Estudios Superiores de Valle de Bravo

Valle de Bravo

Ciencias de la Computación:


Recorrido interactivo para el aprendizaje sobre culturas

antiguas de México

Primer lugar

Universidad Mexiquense

del Bicentenario Unidad de Estudios Superiores

La Paz

La Paz

ASISMED SERVICE: Ser-vicio de prácticas en las

comunidades de escasos recursos en el área de salud

Segundo lugar

Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán Jocotitlán

Prototipo para la actividad física de infantes autistas de

grado moderado

Tercer lugar

Tecnológico de Estudios Superiores de San Felipe

del Progreso

San Felipe del Progreso

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Ciencias Exactas:


Síntesis de catalizadores heterogéneos de cobalto

molecularmente definidos y su evaluación en la reacción

de deshidrogenación

Primer lugar


del Progreso


Modelado matemático de la liberación de proteína

en matrices de

quitosano-tripolifosfato

Segundo lugar

Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de

Monterrey Campus Esta-do de México

Atizapán de Zaragoza

Estrategias para la preser-vaciónde insectos benéficos en un sistema de producción

agrícola en el Estado

de México

Tercer lugar

Universidad Nacional

Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Cuautitlán Izcalli

Ciencia y Tecnología de los Alimentos:


Uso de la actividad antimi-crobiana del extracto de ca-pulín en una película comes-tible a base de xoconostle

Primer lugar

Universidad Mexiquense del Bicentenario

Unidad de Estudios Superiores Acambay

Acambay

Elaboración de botana fun-cional a base de chapulines (Sphenarium purpurascens)

y charales (Chirostoma)

Segundo lugar


del Progreso


Desarrollo de producción e innovación de alimento para trucha arcoíris a base de gu-

sano Tenebrio molitor

Tercer lugar

Tecnológico de Es-tudios Superiores de

Valle de Bravo

Valle de Bravo

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Manejo Ambiental y Análisis Ambiental:


Biopelícula y promotor de

crecimiento obtenidos de la de-gradación de plumas de pollo

Primer lugar

Universidad Tecnológica de Tecámac Tecámac

Identificación de

protozoarios por medio de una tinción novedosa y confirmada

con biología molecular

Segundo lugar

Universidad Tecnológica de Tecámac Tecámac

Biosorbente sustentable para el tratamiento de agua contaminada

con colorantes

Tercer lugar

Instituto Tecnológico de Toluca Toluca

Medicina y Salud:


Caracterización de nano-partículas de quitosán-tri-

polifosfato y su com-portamiento en cultivos celulares de macrófagos

Primer lugar

Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de

Monterrey Campus Estado de México

Atizapán de Zaragoza

Reconocimiento y purifi-cación de bacteriocinas producidas por microor-

ganismos aislados a partir de aguamiel

Segundo lugar

Tecnológico de Estudios Superiores de Villa Guerrero Villa Guerrero

Actividad antimicrobia-na de la biopelícula con

base en polisacáridos del xoconostle de la región

mazahua

Tercer lugar


del Progreso


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Extracción de antocianinas, carotenoides, taninos y clorofila a partir de bioresiduos del exocarpo de Cocus nucifera, Capsicum annuum y Medicago sativa, para aprovechar el potencial tintóreo

con una función pedagógica, didáctica y artística.

E. F. Prudencio-Alanís, P. J. Acevedo-Ramírez, A. Rodríguez-López, J. M. Robledo-Espejel

RESUMEN

Este trabajo se centró en la propuesta de establecer mecanismos de labora-torio, para la obtención físico-química de extractos tintóreos, derivados de vegetales con potencial de pigmentación y en particular del bio-residuo del exocarpo del coco Cocus nucifera, también de al menos tres variedades de chile Capsicum annuum y de la alfalfa Medicago sativa. Los pigmentos ca-racterísticos de estos vegetales son las antocianinas, los carotenoides y la clorofila a y b.

El bio-residuo del exocarpo del coco, carece de valor comercial y en conse-cuencia se vierte en tiraderos a cielo abierto. Se utilizó alfalfa porque la zona donde se encuentra el plantel educativo, es agrícola y domina este cultivo, por lo que se aprovecharon las perdidas post cosecha (frescas y deshidra-tadas), para extraer pigmentos de clorofila a, b y xantofilas. En el caso de las variedades de chile (se acopió el material residual en donación roto, triturado o pulverizado) de la central de abastos y el mercado cercano a la población, para su procesamiento.

Palabras clave: Antocianinas, Carotenoides, Taninos, Clorofila, tinta natural, pigmento, colorante.

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1. INTRODUCCIÓN

Según Fuentes (2009), las materias primas reciclables poseen en su ciclo, un desgaste y diferente aprovecha-miento a medida que se incrementa el número de ocasiones en que éstas se vuelven a utilizar. Los materiales degradados, cuyo aprovechamiento es limitado en la industria de la recu-peración, pueden ser susceptibles de uso en la fabricación de un número amplio de materiales, con usos fun-cionalmente alternativos.

Por esta razón, la investigación enfo-có la atención, en la urgente necesi-dad de establecer rutas para la trans-ferencia de tecnología, a través de acciones sustentables que permitan la obtención y el aprovechamiento in-tegral de los bio-residuos de diferen-tes vegetales, como el exocarpo de coco Cocus nucifera, con los desper-dicios de al menos tres variedades de chile seco, Capsicum annuum y la al-falfa Medicago sativa, con bajo o nulo valor comercial, para obtener los ex-tractos con potencial de tinta natural, en el municipio de Zumpango, Estado de México.

El enfoque se centró en definir y de-sarrollar los procesos de extracción de una serie de tintas de tres espe-cies vegetales como antocianinas, carotenoides, taninos y clorofila a y b, que se usaron como fuentes de co-lor natural, mismos que tuvieron una función inicial, en las actividades pe-dagógicas y académicas dentro del plantel educativo, a manera de ma-terial didáctico, que facilita colorear,

estructuras, tales como: carteles, mapas, retratos, paisajes, maquetas, estructuras anatómicas, periódico mural, entre otros objetos.

Por lo que el impacto de esta investi-gación abarca rubros ambientales, sa-nitarios, económicos, sociales, cientí-ficos y educativos, que marcan una serie de propuestas reales y efectivas a una problemática del contexto, que compete a cualquier ciudadano que habita en el municipio de Zumpango.

Dicha investigación beneficia directa-mente a toda la comunidad escolar, municipal y regional, por el hecho de que promueve el adecuado aprove-chamiento de los recursos naturales biológicos, con beneficios para la or-ganización de las actividades escola-res de enseñanza y aprendizaje y el bienestar ambiental. Además de que establece la posibilidad de comerciali-zación de los productos obtenidos.

De acuerdo con Quiñones (2010). Las antocianinas son pigmentos vege-tales con gran potencial para el re-emplazo competitivo de colorantes sintéticos y es de gran importancia conocer los aspectos bioquímicos que enmarcan estos pigmentos.

De acuerdo Aguilera et al. (2011), re-conocen, que las antocianinas son compuestos solubles en solventes polares, por lo que, se utiliza el me-tanol o etanol con pequeñas cantida-des de ácidos, reconociendo que la técnica más apropiada para la extrac-ción de estos pigmentos es la croma-tografía liquida de alta resolución en

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fase reversa, ya que permite la sepa-ración simultánea, la identificación y la cuantificación de los compuestos de antocianinas.

Los carotenos son una familia de compuestos químicos que se carac-teriza por su coloración que oscila entre rojo, naranja y amarillo. El com-puesto más conocido dentro de esta familia es el betacaroteno (β-carote-no), el cual puede ser encontrado en numerosas frutas y vegetales como la zanahoria, pimiento rojo y camo-te. Estos últimos contienen mayor cantidad de β-caroteno respecto a otros como el brócoli, pimiento ver-de y mango (Burns, 2003). Citado por Báez (2007).

Morales (2012), aisló taninos conden-sados, mismos que describe que (a veces también llamados proantocia-nidinas) y que son polímeros de un flavonoide llamado antocianidina. Es común encontrarlos en la madera de las plantas leñosas fibras de la palma y del coco. Sus colores van desde el amarillo oscuro hasta tonos cafés.

Morales (2012) realiza una descrip-ción de las fórmulas de la clorofila, las cuales son: a: C55H72O5N4Mg y b: C55H70O6N4Mg, quién ratifica los procesos para la obtención de cloro-fila de las planteas verdes para usar-lo como pigmento y otros usos en la alimentación humana y medicinales.

Ya que de esta investigación se extra-jeron pigmentos tintóreos, se estable-ce que un pigmento es una sustancia que no se adhiere al sustrato directa-mente, sino a través de un vehículo

adherente, normalmente un polímero, que lo soporta y es el que se adhiere al sustrato (Marín y Mejía, 2012).

Los pigmentos son compuestos que se aplican utilizando suspensiones, en las que se encuentran como finas partículas (tintas y pinturas). Los pig-mentos suelen tener mayor opacidad, poder cubriente y resistencia al calor que los colorantes. Los pigmentos pueden ser compuestos inorgánicos u orgánicos. (Stintzing y Carle, 2004).

Mientras que una tinta es el fluido compuesto por un vehículo que trans-porta pigmentos y aditivos, capaz de mantenerse como tal en un cuerpo impresor y que cambia a estado só-lido en contacto con el sustrato final.

También se puede denominar a la tinta como aquella que constituye un pigmento o colorante químico, di-suelto en un vehículo (agua, alcohol, o aceites), empleado para colorear vi-drio, papel, tejidos o maderas. (Marín y Mejía, 2012).

La diferencia esencial entre pigmento y colorante radica en que los pigmen-tos son insolubles o con alto grado de insolubilidad en el vehículo (parte líquida de un preparado pigmentario o pigmentado). Los colorantes sí son solubles en los vehículos en los que se utilizan o con los que se aplican. Así, para colorear productos alimen-ticios exclusivamente se emplean los colorantes. (Marín y Mejía, 2012).

1.1 Objetivo general.

Extraer antocianinas, carotenoides,

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taninos y clorofila, a partir de bio-re-síduos del exocarpo de Cocus nuci-fera, Capsicum annuum y Medicago sativa, para aprovechar el potencial tintóreo, con una función pedagógi-ca, didáctica y artística.

1.2 Objetivos particulares.

1.2.1 Determinar los procesos físi-co-químicos a nivel de laboratorio que se deben utilizar, para obtener los extractos tintóreos a partir de los bio-residuos vegetales.

1.2.2 Establecer los procedimientos de laboratorio y campo para la manu-factura de los subproductos, a partir de la obtención las tintas vegetales.

1.2.3 Acondicionar el laboratorio es-colar con los materiales, equipo y reactivos necesarios para poner en marcha los procedimientos.

1.2.4 Hacer las pruebas de pigmenta-ción con las tintas obtenidas.

1.2.5 Evaluar entre los estudiantes, el impacto pedagógico de los extractos de las tintas, en las actividades es-colares de enseñanza y aprendizaje.

1.2.6 Evaluar el impacto de la produc-ción y manufactura de las tintas.

2. METODOLOGÍA

2.1 Acondicionamiento del laboratorio escolar, con los materiales y reactivos necesarios o pertinentes, para obtener los extractos tintóreos, e inicio del pro-ceso para la transferencia tecnológica.

Para esta fase se determinaron con precisión los procesos experimentales de laboratorio, para tener los materia-les y reactivos necesarios, al momen-to de transformar la materia prima.

2.2 Recuperación de los bio-residuos del exocarpo de coco y del chile seco y de los desperdicios post cosecha de alfalfa, en el mercado municipal, la central de abastos, el tianguis y las múltiples parcelas de la población de Zitlaltepec, Zumpango.

Es importante considerar que el mate-rial seleccionado se obtiene de forma gratuita, por lo que se establecieron algunos convenios, con los comer-ciantes de verdura y de aguas de coco del municipio de Zumpango, suminis-trando periódicamente los sobrantes.

En el caso de los bio-residuos de las variedades de chile, se acudió con al-gunos locatarios de la central de bas-tos y del mercado municipal para que nos dejaran recoger el producto tritu-rado y pulverizado por efectos del em-barque y desembarque o mal manejo y que han perdido su valor comercial.

Para obtener la alfalfa fresca y seca; se acudió a las parcelas para recoger los residuos postcosecha de alfalfa y llevarlos al laboratorio de la institu-ción. Al respecto, comprobamos la facilidad para obtener la materia pri-ma, puesto que es un material del que los comerciantes se deshacen rápi-damente, la única implicación es que se deberán tener los contenedores necesarios, para trasladar el material hasta el laboratorio de la escuela.

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2.3 Determinación de los métodos físico-químicos adecuados, para la obtención de antocianinas, carote-noides, taninos y clorofila, a partir de bio-residuos del exocarpo de Cocus nucifera, Capsicum annuum y Medica-go sativa, para aprovechar el poten-cial tintóreo, con una función peda-gógica, didáctica y artística.

2.3.1 Preparación del extracto de Co-cus nucifera (Labín, 2012).

2.3.1.1 Para la muestra en seco se desprendió de manera manual, cada filamento del exocarpo del coco y fue sometido a trituración en la licuadora.

2.3.1.2 El procedimiento fue el mismo para la muestra en fresco.

2.3.1.3 Se determinaron los pesos y volúmenes, para establecer las con-centraciones del sustrato vegetal y de los solventes orgánicos e inorgá-nicos, con la relacion de 1:50 (m/v).

2.3.1.4 Para el proceso extractivo:

En el exocarpo de Cocus nucifera, se procedió a determinar la relación óp-tima entre masa y solvente, para ini-ciar el procedimiento en el separador soxhlet, con la relación de 1:50 (m/v) para muestra seca y húmeda, en don-de se incorporó el solvente selectivo, para extraer y caracterizar el exocar-po del coco (Cocus nucifera L.).

Se utilizaron 4 solventes (agua des-mineralizada, sulfito de sodio al 2% (m/m), etanol al 95%(v/v) al 70%(v/v) y 35%(v/v)), se realizaron 3 repeticiones

para cada una, resultando 15 extrac-ciones experimentalmente.

2.3.1.5 La muestra fría se depositó en un embudo de separación para dife-renciar la fase orgánica de la acuosa, se agitó y se dejó en reposo durante 2 horas, luego se vertió en dos vasos de precipitados por separado.

2.3.1.6 La fase orgánica se destiló por arrastre de vapor, para recuperar el solvente y separarlo por completo de los pigmentos.

2.3.1.7 Se realizó una cromatografía en capa fina para visualizar los pig-mentos obtenidos.

2.3.1.8 Se realizaron pruebas de la calidad de tinción en papel bond, con pincel y esponja, determinando su potencial pedagógico, para el uso en el aula de clases.

2.3.2 Preparación del extracto de Capsicum annuum. (Quíñones, 2010)

2.3.2.1 Se desvenaron todos los chiles, posteriormente se dejaron envueltos en papel estraza por se-parado, en un lugar a temperatura ambiente y sin contacto con luz solar, durante 5 días.

2.3.2.2 Posteriormente se cortaron en trozos pequeños, para triturarlo en la licuadora hasta obtener un polvo fino.

2.3.2.3 Para la obtención del extracto se maceraron 6g de chile, 6g de car-bonato de magnesio y se adicionan 100 ml de etanol. La maceración se

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realizó para cada uno de los chiles y se mantuvieron en agitación de 3 a 5 horas.

2.3.2.4 Cada muestra se filtró al vacío y con ayuda del embudo de separa-ción se extrajo 3 veces la fase orgá-nica con 20 ml de hexano y 30 ml de agua destilada.

2.3.2.5 Las fases orgánicas se con-centraron en el destilador por arras-tre de vapor, para separar el solvente presente en la disolución.

2.3.2.6 El concentrado final se some-tió a una cromatografía de capa fina y se visualizó la gama de tonos, de acuerdo con las sustancias obtenidas.

2.3.2.7 Se realizaron pruebas con pincel y esponja para determinar vi-sualmente su potencial tintóreo en papel bond y el uso didáctico en las aulas, para colorear objetos seleccio-nados por los estudiantes.

2.3.3 Preparación del extracto de Medicago sativa (Paredes, 2002).

2.3.3.1 Se colocaron en un matraz aforado, 50 g de planta seca molida.

2.3.3.2 Se realizó el mismo proceso para las muestras en fresco.

2.3.3.3 Se le añadieron 350 ml de etanol.

2.3.3.4 La muestra se agitó con una varilla de vidrio y luego se sometió al vortex (agitador orbital) por 30 min. para que el alcohol penetrara en todo el material.

2.3.3.5 El macerado se dejó en repo-so y bien tapado por 48 horas.

2.3.3.6 La muestra se agitó esporá-dicamente.

2.3.3.7 La filtración se realizó por el método al vacío, utilizando un papel filtro sobre un embudo, y éste en un matraz, al cual se le añadió una bom-ba de vacío para acelerar el proceso y se obtuvo un residuo completamente seco.

Se obtuvo 49.8g de residuo, y 250 ml de extracto total ya que los 100 ml fueron absorbidos por la planta.

2.3.3.8 Se concentró el material hasta un 50% de su volumen en un destila-dor por arrastre de vapor, con tempe-ratura de 40 °C y presión atmosféri-ca, para evitar la degradación de los colorantes y de los principios activos presentes en Medicago sativa.

2.3.3.9 De la filtración se obtuvieron 250 ml de extracto total, después se procedió a concentrar al 50%, y se obtuvieron 125 ml, se recuperan 125 ml de etanol, el mismo que fue reuti-lizado.

2.3.3.10 Se purificó el colorante obte-nido, mediante la extracción por agi-tación por la polaridad.

2.3.3.11 Se tomó una alícuota que correspondió a 10 g de planta: 12.5 ml de extracto total.

2.3.3.12 Se colocaron en un embudo de separación.

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2.3.3.13 Se añadió el 50% del solven-te orgánico (n-hexano).

2.3.3.14 Se agitó con una varilla de vi-drio y después en el vortex por 30 min.

2.3.3.15 Se dejó en reposo, hasta que se pudieron observar dos fases: una orgánica (la que queremos sepa-rar) y la otra que es la fase acuosa o el residuo.

2.3.3.16 Se abrió la llave del embudo y se receptaron las fases en diferente recipiente para el análisis respectivo (pruebas fitoquímicas).

2.3.3.17 Se colocaron 3 gotas sepa-radas del extracto en una placa para cromatografía fina.

2.3.3.18 Se añadió el solvente.

2.3.3.19 Se colocó esta placa en la cubeta de cromatografía.

2.3.3.20 Se dejó desarrollar el croma-tograma.

2.3.3.21 Se observó la separación de los principios activos.

2.3.3.22 El color amarillo de las man-chas cromatográficas de la muestra, denotó la presencia de flavonoles.

2.3.3.23 Se realizaron las pruebas de tintura con los extractos obtenidos con cada solvente, en papel bond.

2.4 Diseño experimental de la inves-tigación.

En esta investigación, hay tres va-riables de estudio implicadas en la obtención, de los extractos tintóreos de los bio-residuos vegetales, para la manufactura de subproductos de ma-teriales educativos y científicos, con un alto valor agregado. Estas varia-bles son:

1. El pH del sustrato triturado, previo a la incorporación del solvente.

2. La concentración de los solventes, en las disoluciones metanólicas, etanólicas, de hexano o de agua, en porcentaje.

3. La temperatura promedio durante la elución de las disoluciones.

Dichas variables interactúan para in-fluir en los resultados finales, depen-diendo de la modificación cuantitativa que se haga a cada una.

En las Tablas 1, 2 y 3, se plantea el diseño experimental con una matriz en la que se establecen ocho expe-rimentos. En consecuencia, también varían las cantidades finales de pig-mentos de los vegetales por litro de disolución inicial.

2.4.1 Cálculos para el diseño experi-mental.

Tabla 1. Cálculos para el diseño experimental.

Tratamiento pH Concentración Temperatura

1 7.2 90 50

2 7.2 90 50

3 6.9 95 60

4 7.0 95 60

5 6.5 90 50

25

Tratamiento pH Concentración Temperatura

6 6.7 90 50

7 7.3 95 60

8 7.5 95 60

La matriz San Cristóbal, implica un di-seño experimental 23, implica que se proyectan 8 experimentos, en los que interactúan a su vez las tres variables de estudio que se proyectan en esta investigación. En cada columna y en cada renglón se presentan los datos obtenidos de las mediciones hechas en los sustratos de los vegetales.

2.4.2 Factores y dominio experimental.

Tabla 2. Variables de estudio, factores y do-minio experimental.

Factores

Dominio

Experimental

N i v e l (-)

N i v e l (+)

x1 A: El pH del sustrato triturado,

previo a la

incorporación

del solvente.

pH 6 pH 8

x2 B: La concentra-ción de los

solventes, en

las disoluciones metanólicas,

etanólicas, de hexano, de acetato de etilo o de agua,

en porcentaje.

90% (vol.)

95% (vol.)

Factores

Dominio

Experimental

N i v e l (-)

N i v e l (+)

x3 C: La temperatu-ra promedio duran-te la elución de las

disoluciones.

50°C 60°C

2.4.3 Matriz de experimentos del di-seño factorial completo 23, plan de experimentación y respuestas me-didas.

En los datos que se presentan en la Tabla 3, están los valores extraídos de las muestras procesadas, deter-minando que las variables que más influyeron, en la obtención de la ma-yor cantidad de tinta final, por litro de disolución, fueron el pH y la concen-tración de los solventes. Los experi-mentos que mayor cantidad de tinta redituaron fueron, con un pH de 7 y una concentración porcentual del solvente al 90%, con una tempe-ratura promedio durante la elusión, de 60 ºC, para obtener 50g por litro de disolución.

Tabla 3. Plan de experimentación y respuestas.

Núm. Matriz Experimentación Respuesta

x1 A

x2 B

x3 C

pH Concentración Temperatura “y”

1 - - - 7.2 90 50 30 g/L (y1)

2 + - - 7.2 90 50 36 g/L (y2)

3 - + - 6.9 95 6048 g/L

(y3)

4 + + - 7.0 95 6050 g/L

(y4)

5 - - + 6.5 90 5025 g/L

(y5)

26

En las pruebas realizadas que se im-plementaron para pintar un paisaje y dibujo libre en papel bond, se pudo evidenciar que a los 15 días de la aplicación el color rojo del chile seco se degrado a un tono anaranjado. De acuerdo con la literatura se pudo deber a una foto degradación de la tinta obtenida a consecuencia de la formación de radicales libres en las moléculas de los aceites esenciales que aún tiene dicha tinta, por lo que se programará algún procedimien-to para purificar este material final y evitar al máximo la inestabilidad del producto final.

No se registraron variaciones deriva-das de las fluctuaciones de tempera-tura ambiental en color de la tinta.

2.6 Evaluación del impacto pedagó-gico en la comunidad escolar del pro-yecto de investigación.

Los parámetros bajo los cuales se hace la evaluación, dependen de las experiencias de cada integrante del proyecto de investigación para trans-mitirlas a la comunidad escolar y a los ciudadanos en general, para garanti-zar la transferencia tecnológica.

Los productos ya se promueven entre los docentes de las materias de apre-ciación artística, para que se integren a las estrategias didácticas y sean aplicados en diferentes superficies absorbentes, principalmente papel bond; con buenos resultados a ex-cepción de los que se mencionaron en el apartado anterior, en donde la exposición de algunos materiales que

Núm. Matriz Experimentación Respuesta

x1 A

x2 B

x3 C

pH Concentración Temperatura “y”

6 + - + 6.7 90 5025 g/L

(y6)

7 - + + 7.3 95 6030 g/L

(y7)

8 + + + 7.5 95 6031 g/L

(y8)

2.5 Evaluación del producto final obtenido.

Una vez obtenidas las tintas natura-les, se evaluaron las características de los productos finales obtenidos, a través de su aplicación con, pincel, brocha y/o esponja o compresor so-bre las superficies de las estructuras anatómicas realizadas de manera previa. Asimismo, se evaluó su ca-pacidad cubriente en carteles, pintu-ra de paisaje, periódico mural, entre otros objetos por pintar.

Las tintas cubren el papel bond de manera homogénea, secan rápido y no se corren, cuidando las variables de estudio, para no presentar foto de-gradaciones, termo degradaciones o alteraciones por variación extrema del pH, que limiten el potencial tintóreo.

En las pruebas realizadas, se eviden-cia que los sustratos iniciales a los que se les agregó el solvente progra-mado y que marcaron en el potenció-metro un pH igual o superior a 7.3, coincidieron con un menor nivel de fijación en las superficies de papel, independientemente del instrumento con el que se haya aplicado (esponja o pincel).

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se expusieron a la luz solar varió el tono del color inicial.

3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En la descripción de los resultados, se demuestra que la naturaleza mis-ma de la investigación tiene una serie de ventajas con mucho valor acadé-mico y personal porque ha permitido conocer las implicaciones y diferen-cias del desarrollo del trabajo coo-perativo y colaborativo. Pero sobre todo el impacto que más huella deja este proceso; implicó que se iniciara en forma real y dinámica una investi-gación científica, que requiere de las habilidades pertinentes para la estruc-turación de cada una de sus partes; tanto en el terreno teórico conceptual y en el momento experimental.

Sin duda alguna es un escenario muy complejo y que indudablemente, no se utiliza por los docentes en la edu-cación media superior del Estado de México. Ni como recurso metodoló-gico o como estrategia didáctica en sus materias, solo se transcurre por ejemplos predeterminados de algún texto. Por estas razones afirmamos que es de gran valía, tener la opor-tunidad de desarrollar investigación científica desde la preparatoria, en donde se han afianzado diversos aprendizajes, al combinarse los ar-gumentos teóricos y las destrezas de orden práctico al experimentar en un escenario real. Ante esta posibilidad, es seguro que las experiencias viven-ciales, contribuirán para el desempe-ño de una carrera profesional en un futuro cercano.

En cuanto al impacto personal que propició el desarrollo de este proyec-to de investigación científica, para extraer tintas naturales a partir de los bio-residuos del exocarpo de coco, de los chiles secos y de la alfalfa, nos pone de manifiesto que las res-puestas a cualquier interrogante del contexto, biológica, física, química, social o de orden interdisciplinario, requiere una serie de procesos ten-dientes a seguir secuencialmente la metodología idónea, que lleve a los resultados para dar respuesta a la in-terrogante inicialmente planteada.

Desde esta perspectiva los resultados de esta investigación; son favorables en el sentido formativo y con la finali-dad de obtener dichos pigmentos na-turales, a partir de los extractos me-tanólicos y etanólicos principalmente, destinando una función pedagógica.

En relación con los resultados del procesamiento de los extractos tintó-reos, de los bio-residuos de los vege-tales seleccionados, se evidencia en las muestras con alfalfa, que la etapa fenológica del cultivo determina la concentración de pigmentos con clo-rofila a, b y xantofilas.

Los tallos y hojas son más ricos en clorofila a y b en las etapas interme-dias de crecimiento, mientras que en los brotes tiernos existe más presen-cia de xantofilas y en las plantas ma-duras se hace más latente la presen-cia de clorofila b. Esto fue demostrado a través de una placa cromatográfica.

Las muestras de alfalfa con pocos días de cosechadas, presentan un

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pH muy cercano a 7, lo que favore-ció la cantidad de pigmento de clo-rofila obtenido.

Se demuestra que los mejores resul-tados para la disolución de los com-ponentes de la clorofila, se obtienen con metanol y etanol a una concen-tración del 96%. Y las temperaturas idóneas para promover la elusión en-tre solvente y pigmentos, por destila-ción por arrastre de vapor, es la más cercana a los 60 °C, con el objetivo de no descomponer la clorofila.

Para el procesamiento con los chiles secos, el solvente con los mejores re-sultados para separar los pigmentos de carotenoides es el hexano. El pH del macerado de chile con los mejo-res resultados en cuanto a cantidad es el más cercano a 7 y la tempera-tura para promover la elusión es de 60 °C.

Un problema que se presentó con la tinta de los chiles secos, una vez que fue utilizada en el aula de clases para pintar algunos dibujos de los estudiantes es que, al exponerse a la luz directa del sol, el color rojo se degrado hasta un tono anaranjado y amarillo, por lo que se deduce que el pigmento de la tinta aun es inestable.

La literatura cita, que se debe a la formación de radicales libres de los aceites esenciales que aún se en-cuentran en la tinta, por lo que se de-berá diseñar y programar un proceso de purificación de estas tintas para hacerla más estable y no cambie su color con el paso de los días.

Asociamos a este hecho que las muestras que se utilizaron con los sustratos para los valores de pH en-tre 7.3 a 7.5, previo a la incorporación de los solventes, cambiaron el tono ante la exposición a la luz solar con mayor rapidez, que las tintas prove-nientes de los sustratos con pH, muy cercano o igual a 7.

En el caso de la fibra de coco seca y fresca, se están utilizando varios solventes y los mejores resultados se han obtenido con hexano y metanol, para la obtención de antocianinas y taninos. El pH del macerado con los mejores resultados está siendo el más cercano a 7 y las temperaturas para la elusión en el separador sox-hlet y el destilador por arrastre de va-por es la más cercana a los 60 °C.

La aplicación de las tintas en los ma-teriales de la investigación previa, no cumplieron con la expectativa inicial-mente propuesta, ya que los materia-les receptores son de yeso, cartón, pet, residuos de pasto y hojarasca. Por lo que no se fijaron del todo y no denotan que están pintados, sobre todo en las superficies de caucho y residuos de pasto y hojarasca. Por lo que se seguirán buscando alternati-vas naturales.

Al establecer la comparación, en los resultados obtenidos del diseño ex-perimental, se refleja que es impor-tante mantener idóneas las condicio-nes de pH de las muestras, el factor de la temperatura durante la separa-ción de los pigmentos y el solvente, para no degradar los componentes químicos de los extractos tintóreos.

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Además de que influye de manera directa la concentración del solvente que se utilizó.

Es importante destacar que algunas de las tintas obtenidas cambian de tono, una vez que se aplicaron al pa-pel u otra superficie, durante los 15 días posteriores a su aplicación, sobre todo cuando hay exposición a la luz solar; por lo que se deberá determinar con precisión la causa para hacer más estable el producto final obtenido.

4. CONCLUSIONES

Los resultados de la propuesta de in-vestigación, mantiene altos niveles de factibilidad para la extracción de tintas y óptimos beneficios pedagógicos, para usarlas como material didáctico. Por lo que se cumple hasta el momen-to, la hipótesis inicialmente planteada.

El objetivo general y los objetivos particulares que se plantearon al ini-cio de la investigación, han sido la ruta adecuada para hacer cumplir la hipótesis del trabajo y desde luego que si se pretende diversificar el tipo de vegetales residuales que aún no se trabajan y que pudieran tener un alto potencial tintóreo, para extraer tintas, se deben establecer nuevos objetivos y adecuarlos a las variantes metodológicas pertinentes, amplian-do el espectro para la extracción de tintas naturales de vegetales.

Desde luego que surgieron muchos inconvenientes en cuanto a la homoge-nización de los productos finales, de-bidos a imprevistos en los materiales

del laboratorio escolar. Tales como: el hecho de que se descompuso la bomba de vacío y se reemplazó con una aspiradora.

O que la elución de algunas mues-tras se hizo con rotavapor prestado. Mismo que se devolvió a la institución correspondiente. Por lo que las mues-tras siguientes, fueron separadas del solvente a través de la técnica por arrastre de vapor en un destilador.

Al final se observaron algunas degra-daciones del tono de las tintas pro-venientes de los chiles secos, que se visualizaron cuando se hacían prue-bas a nivel de aula de clases, pero la intención es realizar una purificación del producto final para evitar la for-mación de radicales libres de los áci-dos grasos que aún se encuentran en el producto final y de esta forma cree-mos que evitaremos esa degradación parcial del color, sobre todo cuando se expone al sol el papel bond, donde fue aplicada la tinta.

Aun con estos inconvenientes, so-bre las condiciones del contexto, del laboratorio escolar y de la misma experimentación; existe la certeza científica de los beneficios, ambien-tales, nutricionales y económicos, pero sobre todo pedagógicos, para realizar con éxito la transferencia de tecnología, encaminada al procesa-miento de los bio-residuos, de la fibra de coco fresca y seca; además de tres variedades de chiles secos, de la alfalfa seca y fresca, para obtener los extractos tintóreos y aprovechar-los, cuando se tiene que dar color a los trabajos de apreciación artística,

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en las aulas de la Preparatoria Oficial Núm. 53

Esta afirmación se sustenta en el he-cho de que se adecuaron todos los procesos de laboratorio para obte-ner las tintas de los tres vegetales experimentados y los productos ob-tenidos, fueron dispuestos con las profesoras de apreciación artística y entonces algunos estudiantes las aplicaran en tela, cartón, pero sobre todo en papel bond.

Con buenos resultados de coloreado y capacidad cubriente; claro está, sin dejar de largo los detalles de la deco-loración posterior a la aplicación, que ya se mencionó.

En cuanto a los solventes que se utili-zan para la extracción de las tintas en los diferentes vegetales, se recuperan en su totalidad, incluso para ser utili-zados nuevamente, debido a que se trabajan en sistemas cerrados y la se-paración de los vegetales tratados se hace a través de evaporaciones que los captan en recipientes adecuados para su almacenamiento, ya que no se devuelven propiamente al frasco que originalmente los contiene.

El cuidado extremo que se tiene con los solventes de origen orgánico no polar, como el alcohol etílico, el alco-hol metílico o el hexano, es que no entren en contacto directo con la fla-ma del mechero, por el hecho de que son flamables, evitando de esta ma-nera el riesgo de incendio o explosión.

De cualquier manera, se tienen siempre a disposición, cuatro extintores dentro del recinto del laboratorio escolar.

El material residual solido que se ob-tiene de la biomasa sobrante de los vegetales, se vuelve a someter a una medición de pH y después se dispo-ne para composta en un área dentro del plantel educativo.

Sin embargo, se requiere de equipo de laboratorio más sofisticado para realizar los análisis químicos que de-terminan el grado de pureza del pro-ducto final por lo que se tiene que depender de instituciones de nivel su-perior para este hecho.

Es necesario hacer más repeticiones de los experimentos para realizar una conclusión contundente y sobre todo experimentar con otras posibilidades. Por lo que la propuesta de investiga-ción se mantiene como una alterna-tiva real para extraer los pigmentos de diferentes vegetales, manteniendo claramente la posibilidad para diver-sificar las actividades económicas de San Juan Zitlaltepec, municipio de Zumpango. Por el hecho de que se trabaja con materia prima gratuita y que además es abundante.

5. REFERENCIAS

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El Tenebrio molitor un degradante natural del poliestireno en placa.

L. Alonso-Mondragó, G. Plata-Hernández

RESUMEN

El poliestireno expandido (EPS) es uno de los materiales más contaminantes del planeta, desde su producción hasta su desecho, se usa sin ninguna res-ponsabilidad. El impacto ambiental provocado por el EPS es alarmante. Si el EPS se quema, los gases emitidos son altamente tóxicos y cancerígenos para el ser humano debido a que se liberan compuestos Clorofluorocarbonados (CFC) y dioxinas además de ácido clorhídrico (HCl) un precursor de lluvia áci-da. El objetivo de la investigación fue estudiar la degradación física del EPS mediante el empleo de larvas, Tenebrio molitor, Gallería mellonella y Zophoba morio para metabolizar EPS y obtener un abono orgánico con alto nivel de nitrógeno, reintegrando el EPS al ecosistema de manera amigable. El diseño experimental consistió en bloques al azar, contemplando 4 bases testigo y 12 tratamientos. Los resultados obtenidos cumplen el objetivo: el Tenebrio molitor en su etapa de larva y escarabajo metaboliza el EPS, produciendo hasta 30 gramos de abono orgánico, sin afectar significativamente su masa corporal, tamaño y/o desarrollo metamórfico. El abono posee nitrógeno que puede ser-vir para reintegrarlo al ecosistema en forma de abono orgánico enriqueciendo los suelos agrícolas. Las larvas Gallería mellonella no degradan el EPS. Las larvas de Zophoba morio generan hasta 34 gramos de heces, ricas en nitróge-no. La habilidad para degradar EPS es limitada, existiendo canibalismo entre la misma especie en presencia de luz. Las muestras en ausencia de luz degradan altos volúmenes de EPS sin presentarse canibalismo

Palabras clave: Tenebrio molitor, Gallería mellonella, Zophoba morio, poliestireno expandi-do (EPS), Compuestos Clorofluorocarbonados (CFC), Dioxinas, Coprofagia, Ácido clorhídrico (HCl), Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos (LGPGIR), Humedad Relativa (HR).

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1. INTRODUCCIÓN

Durante los últimos años la gestión de residuos sólidos urbanos ha sido uno de los problemas ambientales a solucionar en las principales ciuda-des del mundo. El impacto ambien-tal es ocasionado por el incorrecto manejo y disposición final de los re-siduos, considerando que muchos Estados y Municipios no operan con-forme a la Ley General para la Pre-vención y Gestión Integral de los Re-siduos (LGPGIR). La composición de los residuos en los últimos años ha cambiado de orgánico a inorgánico, ocasionando que la contaminación radique en la cantidad, el tipo de re-siduos que se desecha y su lenta de-gradación. El EPS es un material quí-micamente inerte no biodegradable, no contiene CFC, por consiguiente, los EPS no deberían químicamen-te contaminar el suelo, el agua o el aire. Sin embargo, ha llegado a ser un problema ambiental debido a que no se recicla. Una tonelada de, placas de poliestireno expandido desecha-do abarca un volumen de 200 m3, un volumen realmente grande para tan poco material y que necesita mucho espacio debido a que está compues-to por 98% de aire y el 2% de la ma-teria prima del poliestireno (Schmidt et al., 2011).

Los EPS representan un problema de grandes dimensiones ya que es acumulativo, ligado a esto se obtie-ne la dificultad de la contención y destino final.

Después de su uso, el EPS termina en vertederos o se incinera, causan-do problemas ambientales graves si las normas no se cumplen.

Existen varias técnicas químicas y térmicas, que están disponibles para el reciclaje de residuos de EPS. Sin embargo, las técnicas químicas por lo general implican el uso de disolven-tes peligrosos (Poletto et al., 2011).

La importancia de este estudio radica en la necesidad de encontrar una al-ternativa para emplear el EPS una vez que ha cumplido su periodo de vida útil y, así abatir la contaminación emi-tida que tanto daño provoca al medio ambiente, siendo evidentes los efec-tos dañinos del EPS a la salud. En el ámbito de consumo humano, el ma-yor peligro con el uso de EPS es que su componente básico es estireno, el cual es un químico catalogado como cancerígeno; dicho compuesto, al en-trar en contacto con el calor emite una serie de componentes químicos dañi-nos para la salud. (Martínez, 2009).

La exposición prolongada al estireno ha sido relacionada con daños hacia el sistema nervioso central desarro-llando dificultad para dormir, trastor-nos neuróticos, depresión, dolores de cabeza e incluso efectos en la fun-ción hepática y en la sangre. (Mar-tínez, 2009). Así mismo, se relaciona con cambios hormonales que afectan especialmente el sistema reproducti-vo de las mujeres expuestas a vapor de estireno durante la elaboración de los EPS. (Martínez y Laínez, 2011). Por otra parte, han sido comproba-dos sus efectos cancerígenos en

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roedores por lo que el uso de dicho componente sigue siendo un aspecto polémico para el humano.

2. METODOLOGÍA

El proceso experimental se desarro-lló en el laboratorio multidisciplinar del Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Estado de México, ubicado en Aculco. Los materiales y sustancias empleados se especifican en cada tratamiento del diseño expe-rimental; así mismo, los equipos utili-zados en la valoración de cada varia-ble de estudio, larvas Tenebrio molitor, Gallería mellonella y Zophoba morio, fueron adquiridos comercialmente.

El diseño experimental se llevó a cabo a partir de bloques al azar; se valoraron 4 bloques testigo y 12 tra-tamientos, correspondientes a la es-pecie Tenebrio molitor en su estado larvario (200 larvas/tratamiento), Te-nebrio molitor en estado adulto (es-carabajo 100 larvas/tratamiento), 400 larvas de la cera Gallería mellonella (100/tratamiento) y 800 larvas Zopho-ba morio, (200 larvas/tratamiento). Los tratamientos fueron sometidos al consumo de EPS, al consumo de pa-ñal para bebé sin uso y, un tratamien-to se sometió a presencia de EPS y sustrato natural “salvado”.

Las variables de estudio consistie-ron en:

a) Longitud de las larvas al inicio y fi-nal de la experimentación, se valoró con vernier determinando la relación de la dieta con el desarrollo longitu-

dinal de la larva aplicado tanto para larva como para escarabajo adulto.

b) Masa, valorado con balanza ana-lítica, para determinar la relación die-ta/productividad de heces/muerte de larvas por intoxicación.

c) Cantidad de EPS degradado o con-sumido.

d) Productividad de heces fecales/semana/mes.

e) Contenido de nitrógeno en muestras de heces fecales; mediante la prueba URIN 10. Observar al microscopio la naturaleza de las heces, en busca de residuos de microfibras de EPS.

El análisis de los datos fue realizado mediante el software Excel. Se deter-minó la media aritmética, desviación estándar y regresión lineal simple para la variable longitud de larva.


3.1 Resultados del comportamiento de larvas Tenebrio molitor.

El Testigo 1, presento la menor cantidad de larvas muertas, la larva en su am-biente natural favorece su desarrollo.

El T3 presento la mayor cantidad de larvas muertas (53 larvas); el proce-so de adaptación al consumo de EPS repercute de forma directa en la salud física del Tenebrio, provocando el alto índice de mortalidad.

El T2 posee mayor habilidad para acelerar el proceso de formación de

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pupas, el estireno en pañal, favore-ce significativamente la formación de pupas. El Testigo 1 y T3 poseen me-nos habilidad para acelerar el proceso metamórfico (formación de pupas).

Durante los primeros 5 días, todos los tratamientos presentan una alta producción de heces, 6 gramos. El Testigo 1, es el tratamiento con ma-yor producción de heces, la alimenta-ción con salvado y zanahoria a mayor consumo de alimento mayor produc-ción de heces fecales. (Figura 1).

El T1 y T3 sufrieron un período de adaptación al consumo de EPS, por lo cual se observó una disminución drástica en la producción de heces, al disminuir el consumo de alimento disminuye la producción de heces fe-cales. (Figura 1).

Figura 1. Heces fecales Tenebrio larva.

El T2 es el tratamiento con menor producción de heces siendo prácti-camente nula, las larvas Tenebrio no consumían estireno (pañal), repercu-tiendo en la muerte de una gran can-tidad de larvas. (Figura 1).

El tratamiento con mayor masa fue el T1, la masa inicial fue de 0.132 gra-

mos; la masa repercute de manera directa en la producción de heces, 6 gramos/semana, a mayor masa cor-poral mayor producción de heces.

El Testigo 1 mantiene peso constan-te, el consumo de EPS no repercute significativamente en la ganancia o pérdida de masa.

El T2 evidencía una relación directa entre la masa de la larva Tenebrio, con la caída en peso hasta de 0.1 gramo, por lo tanto, el someter las larvas Tenebrio molitor al consumo del estireno (pañal) afecta de manera significativa sus condiciones físicas nutricionales, evidenciando la nula funcionalidad como alternativa para evitar la contaminación por pañales.

Todas las larvas que sobrevivieron ganaron longitud, lo cual es indicador de haber adquirido un lote de larvas jóve-nes en proceso de desarrollo.

Figura 2. Longitud Tenebrio molitor larva.

En la Figura 2 se muestra la ganancia en longitud de las larvas Tenebrio me-diante un modelo de regresión lineal, las larvas que más tamaño presenta-ron fue el T1, 0.46 mm, el consumo de EPS no repercutió de manera sig-nificativa en su desarrollo físico. El T2

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y T3 se comportaron muy similares, su desarrollo fue de 0.16 mm.

3.2 Resultados del comportamiento de los escarabajos “Tenebrio molitor”.

Los escarabajos no perforan EPS, sus mandíbulas han perdido fuerza al sufrir la metamorfosis (larva a pupa, pupa, escarabajo), los escarabajos morían gradualmente durante el tras-curso de la experimentación, el día 26 el 85% de los escarabajos había pe-recido. Los escarabajos cumplen un ciclo de vida, una vez que ovopositan sus huevecillos mueren; los escara-bajos no poseen mandíbulas con la fuerza necesaria para trozar EPS, al no existir alimento alternativo, tien-den a perecer por inanición.

Los escarabajos no son trozadores, re digieren el EPS trozado por Tene-brio larva y Zophoba larva por lo que lo reprocesan, fenómeno denominado como coprofagia. Al observar al micros-copio en objetivo 40x, las heces de los Tenebrio escarabajo son negras emulando semillas de nabo. Inicial-mente son blancas a la vista (micro-fibras de EPS).

Después del reproceso digestivo se observan negras o café obscuro, per-cibiendo que los escarabajos consu-men varias veces su propio excre-mento; coprofagia.

El T5 escarabajos consumiendo esti-reno en pañales, se consideró no fun-cional, no cumplía el objetivo, las he-ces fecales recuperadas en 20 días, no fueron mayores a 1 gramo. El ma-

terial que contenía el T5, después de 20 días que se disponía desinfectar e incinerar los materiales empleados durante la experimentación, se ob-servó que poseía pequeñas partícu-las con movimiento.

Los huevecillos de los escarabajos con el calor almacenado en el pañal y la humedad relativa del recipiente alcanzaron la temperatura de incu-bación (28ºC, 85% HR), generándo-se una atmosfera ideal para incubar huevecillos Tenebrio.

3.3 Resultados del comportamiento de larvas Gallería mellonella.

La Gallería es solo un organismo tro-zador, emplea sus tenazas para frac-cionar el EPS, cava oquedades que le permitan resguardarse de las con-diciones adversas, así mismo cuando las larvas se someten a ambientes libres de materia orgánica tal como cartón o madera las larvas tienden a liberar una fibra en la cual se envuel-ven para construir un capullo, el cual emplean como aislante en climas ad-versos, caracterizados por bajas tem-peraturas, la adaptación de las larvas Gallería al hábitat provoco la muerte del 80% de las larvas, por lo que fue un bloque no funcional en todos sus tratamientos (T3, T7, T8, T9) .

3.4 Resultados del comportamiento de larvas Zophoba morio.

El Testigo 4, fue el tratamiento con mayor número de larva muertas los decesos fueron graduales, día 10 (8), día 15 (62), día 34 (112).

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La luz estresa las larvas, se atacan entre ellas hasta desmembrarse, el canibalismo se presenta en alta inci-dencia. (Figura 3).

Figura 3. Larvas muertas Zophoba morio.

El T12, a los 34 días de experimen-tación acumulo 120 larvas muertas, mismo factor, la luz estresa las lar-vas la fricción entre la mismas propi-cia ataques. Los tratamientos T10 y T11 presentaron el menor número de larvas muertas (42 larvas). Los conte-nedores a cielo abierto y el confina-miento de larvas en espacios peque-ños, muestran que estresan las larvas trayendo como consecuencia que se ataquen, quitándose las membranas entre ellas propiciando el canibalismo causante de la menor cantidad de lar-vas muertas. (Figura 3).

La mayor producción en heces fe-cales fue Testigo 4, con aproxima-damente 34 gramos, poseen fruta y salvado a demanda, favoreciendo en la productividad. (Figura 4).

El tratamiento con menor produc-tividad de heces fecales es T12, el menor consumo de EPS y salvado no favoreció la producción de heces

fecales, los tratamientos T10 (EPS) y T11 (pañal) presentaron aproximada-mente 12 gramos de heces fecales, 35 días después de la experimen-tación genera un rendimiento bajo (0.342 gramos/día), y 0.0017 gramos de EPS por Zophoba morio. (Figura 4).

Figura 4. Heces fecales Zophoba morio.

La variable masa establecida en el T10 (EPS) presenta una ganancia de 0.13 gramo/35 días, el consumo de EPS no afecta de manera significativa el desarrollo de la larva, no es tóxico debido a que no presenta un núme-ro elevado de decesos sin afectar su desarrollo biológico.

El T11 (pañal), repercute de mane-ra directa en la ganancia de peso, las larvas inicialmente presentan en promedio 0.31 gramos/7 días incre-mentando a 0.35 gramos/35 días, la diferencia no es significativa, por lo tanto, el T11 no es metabolizado por las larvas Zophoba morio. (Figura 5).

En los tratamientos Testigo 4 y T12, alimentadas a base de salvado y fruta no hay diferencia significativa con la masa de los tratamientos T10 y T11.

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Figura 5. Masa Zophoba morio.

El Testigo 4 es el tratamiento en el que la longitud de las larvas fue ma-yor (6 mm). El T10 gano 3 mm, el T11 se mantuvo constante durante toda la experimentación, sin presentar di-ferencia significativa en tamaño res-pecto a la longitud al establecer la experimentación. (Figura 6).

Figura 6. Longitud larvas Zophoba morio.

En la figura anterior se muestra el in-cremento en la longitud de todas las larvas Zophoba, debido a que se ad-quirieron larvas jóvenes, mientras que el T11 es el que menos desarrollo evi-dencio, producto del nulo consumo de estireno en pañal. El T10 muestra incremento en longitud, producto del consumo de EPS, sin resultar tóxico al no afectar de manera significativa su desarrollo físico.

3.5 Resultados de la determinación de Nitrógeno método URIN 10.

Bloque 1 (Tenebrio molitor) compa-radas con el testigo urea y sal nitro las muestras Testigo 1, T1, T2 y T3 resultaron positivas para la presencia de nitrógeno. En conclusión, las lar-vas de Tenebrio molitor consumen y metabolizan el EPS generando altas concentraciones de nitrógeno, obte-niendo un tono, color violeta.

Bloque 2 (Tenebrio molitor escara-bajos), todas las muestras resultaron positivas, indicando que el escaraba-jo metaboliza el EPS (Figura 7), pro-duciendo proporciones mínimas de heces fecales 10 gramos/40 días de experimentación, sus heces son pol-vorientas de color negro.

Figura 7. Prueba URIN 10 en escarabajo.

El T5 presenta nitrógeno. Sin embar-go, el estireno del pañal se considera tóxico para los escarabajos, murieron todos después de 20 días de experi-mentación. En las heces vistas al mi-croscopio no se observan microfibras de EPS solo se observan pequeños gránulos negros.

Bloque 3. Los resultados obtenidos a partir del monitoreo de la larva Galle-ría, demuestran que ésta no es una larva que se ajuste a las condiciones experimentales de la presente inves-

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tigación, este tipo de larvas poseen mandíbulas fuertes empleadas para cavar madrigueras, no así para me-tabolizar EPS. Las heces vistas al mi-croscopio, presentan una gran canti-dad de microfibras, de color blanco, sustentando la afirmación de que las larvas Gallería no metabolizan el EPS.

Bloque 4. El Testigo 4 presenta nive-les altos de nitrógeno. Los tratamien-tos (T10, T11) se tornan de un color rosa pálido, se consideran bajos ni-veles de nitrógeno, las heces fecales son limitadas alrededor de 27 gramos para ser una larva de 5 cm de longi-tud. El T12 no evidencia presencia de nitrógeno entre sus heces, debido a la presencia de luz. Se recomienda experimentar en ausencia de luz.

Las larvas Zophoba poseen habilidad para degradar la EPS pero compara-das con las larvas Tenebrio, son fácil de adquirir con mayor capacidad de reproducción. Al experimentar con larvas Zophoba en ausencia de luz, los resultados fueron mayormente significativos, se combatió el caniba-lismo y se incrementó la producción de heces fecales debido al consumo elevado de EPS.

4. CONCLUSIONES

Los tratamientos Testigo1, Testigo 4, T1, T2, T3, T4, T10, T11 y T12 al ser sometidos a la prueba URIN 10 las lar-vas Tenebrio y Zophoba en sus heces evidencian la presencia de nitrógeno.

Larvas Tenebrio molitor degradan y metabolizan el EPS sin presentar

problemas de toxicidad aparente, la masa de las larvas no se ve afectada significativamente, su tamaño es as-cendente, por lo que los tratamientos T1 y T3 se consideran viables como alternativa para reducir el impacto ecológico provocado por el EPS.

Larvas Tenebrio molitor producen 30 gramos de abono con presencia de altos niveles de nitrógeno, siendo así, una alternativa potencial para desin-tegrar el EPS.

Larvas Gallería mellonella no es fun-cional para la degradación de EPS, debido a que no se adapta a las con-diciones sobre las cuales se estable-ció la experimentación.

Escarabajos adultos Tenebrio molitor desintegran bajos volúmenes de EPS de la más alta concentración de ni-trógeno, el inconveniente es que su ciclo de vida es más corto que el de una larva y su poca habilidad para degradar volúmenes altos de EPS.

Larvas Zophoba morio metabolizan EPS, con menos efectividad en pre-sencia de luz, al ser larvas mayores y no poseer alimento suficiente tienden al canibalismo.

El mejor tratamiento para la degra-dación de EPS, se da al resguardar las larvas Zophoba en ausencia de luz y con un exceso de alimento, permitiendo así; penetrar y despla-zarse entre el EPS, consumiéndose de manera efectiva y rápida, con re-sultados excelentes.

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5. REFERENCIAS

» Martínez Ixchel, D. (2009). ¿Por qué debe prohibirse el uso de UNICEL en la industria alimenticia en México? I/II. Grupo Ecológico Ambiental- Inge-niería Química UC. [En línea]. Dispo-nible en: https://geaiq.wordpress.com/2009/11/02/el-uso-del-unicel-y-las-dioxinas-en-el-mundo/ [Accesado 24 de abril de 2019].

» Martínez López, C. y Laínez Canepa J. M. (2011). Poliestireno Expandido (EPS) y su problemática ambiental. División Académica de Ciencias Bio-lógicas. 36 (19), pp. 1-8.

» Poletto, M.; Dettenborn, J.; Zeni, M. y Zattera, A.J. (2011). Characteriza-tion of composites based on expan-ded polystyrene wastes and wood flour. Waste Management. 31 (4), pp. 779-784.

» Schmidt, P.N.S.; Cioffi, M.O.H.; Voorwald, H.J.C. y Silveira, J.L. (2011). Flexural test on recycled polystyrene. Procedia Engineering. 10, pp. 930-935.

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Elaboración de un termoplástico a partir de esquilmos queseros.

Y.G. De Jesús-Sánchez, C. De Jesús-González, L.E. Pérez-Mondragón, G.

Plata-Hernández

RESUMEN

La industria quesera considera al lacto suero un desecho, situación compro-bada al ser arrojado al drenaje sin ninguna responsabilidad ambiental, ética o moral. El suero en los cuerpos de agua afecta las reacciones fotoquímicas ya que sus sólidos dan mayor densidad a las aguas y limitan la disponibilidad de oxígeno. En los suelos provoca lixiviación y acidifica las tierras de cultivo volviéndolas infértiles. Reducir el impacto ambiental provocado por la industria láctea regional ha llevado a proponer la presente investigación, cuyo objetivo fue estudiar la reacción de los sólidos caseicos del lacto suero con aditivos químicos para obtener un termoplástico maleable, biodegradable, con plas-ticidad, resistente a la deformación, como alternativa para reducir la deman-da de plásticos derivados del petróleo. El diseño experimental consistió en 7 tratamientos (T7), los resultados obtenidos cumplen el objetivo planteado. Se obtienen muestras plásticas maleables, enrollables, resistentes a la flama cortante del mechero, con una resistencia de 1.075 kg/fuerza y a bajo costo ($1.29 pesos m.n./m2). Las muestras son biodegradables a 45 días de exposi-ción en agua. El suero drenado descargado disminuye en dos terceras partes sus sólidos disueltos totales (SDT) de 11.02 a 4.23 ppm. El oxígeno se incre-menta al doble (3.05 a 6.9), el potencial Hidrógeno (pH) tiende a neutralizarse (4.05 a 5.15).

Palabras clave: Lixiviación, Termoplástico, Caseína, Biodegradable, Maleable, Plasticidad, Em-balaje, Suero dulce, Suero drenado, Suero pasta, Esquilmo, Solidos Disueltos Totales (SDT), Potencial Hidrogeno (pH), Demanda Biológica de Oxigeno (DBO), Demanda Química de Oxi-geno (DQO), Organización Mundial de la Salud (OMS), Micro siemens (µS), partes por millón (ppm), miligramos por litro (mg/L), Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos (LGPGIR).

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1. INTRODUCCIÓN

El suero de leche, lacto suero o suero dulce, es la fracción líquida obtenida durante la coagulación de la leche en el proceso de fabricación del queso, después de la separación del coágu-lo o fase micelar (Hernández y Ruíz; 2014). El suero producido en México es aproximadamente de 1 millón de toneladas, lo que equivale a 50,000 toneladas de lactosa y 5 mil tonela-das de proteína verdadera (Valencia, 2009). Spreer (1991), reportó una concentración proteínica en el lacto suero de 0.2% a 1.1% y un contenido de lactosa en suero dulce de 4.648%. La industria quesera considera al lac-to suero un desecho, debido al bajo valor comercial.

Al ser microindustrias sin reglamenta-ción, optan por descargarlo al drena-je. La ley es laxa y lo permite al no es-tablecer una norma que obligue a la industria quesera regional a hacerse responsable de sus esquilmos y vigi-lar cumplir con la Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos (LGPGIR).

Según Valencia (2009) el 47% del lacto suero producido en México es descargado al drenaje, llega a los cuerpos de agua causando un pro-blema serio de contaminación.

La descarga continua del suero en dichos ecosistemas altera sus pro-piedades fisicoquímicas ya que las proteínas y lactosa se transforman en contaminantes dado que la ma-teria orgánica que contiene permite la reproducción de microorganismos

generando cambios significativos en los cuerpos de agua, originados por el lacto suero debido a la alta carga orgánica que posee, cuyos valores de demanda biológica de oxígeno (DBO) son de 40,000 a 60,000 mg/L y la demanda química de oxíge-no (DQO) de 50,000 a 80,000 mg/L. (Ben-Hassan and Ghaly, 2014). La demanda química de oxígeno (DQO) es la medida de la capacidad que tie-ne la materia orgánica a la oxidación bajo condiciones específicas de un agente oxidante, temperatura y tiem-po Spreer, (1991).

La descarga constante, producto de una industria quesera no regulada y con décadas de práctica pone en riesgo los ecosistemas acuáticos y la estructura físico química de los sue-los, reduciendo los rendimientos de cultivos y provocando serios proble-mas de contaminación en aguas sub-terráneas (Ben Hassan y Ghaly, 2014).

En el caso del suelo, también se ob-serva la lixiviación, éste fenómeno se presenta porque el lacto suero contie-ne nitrógeno soluble el cual es arras-trado a través de las diversas capas llegando hasta los mantos freáticos, convirtiéndose en un peligro para la salud de animales y humanos.

Se estima que una industria quese-ra media, que produce diariamente 40,000 litros de suero sin depurar ge-nera una contaminación diaria similar a una población de 1,250,000 habi-tantes. (Valencia, 2009). Por ello es im-portante que las industrias del queso reutilicen, transformen o inviertan en el reproceso del lacto suero con el fin

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de no contaminar el ambiente. La pro-puesta es: captar el lacto suero, proce-sarlo térmicamente para recuperar los sólidos. Emplear los sólidos caseicos para producir un termoplástico biode-gradable, favoreciendo así, la recupe-ración de los ecosistemas degradados por la práctica constante de descarga del suero a los afluentes acuáticos.

2. METODOLOGÍA

El proceso experimental se desarro-lló en el laboratorio multidisciplinar del Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Estado de México, plantel Aculco. Los materiales y sus-tancias empleados se especifican en cada tratamiento según el diseño ex-perimental.

Los equipos empleados se espe-cifican en la valoración de cada va-riable. Se empleó lacto suero dulce de las industrias: quesos “CANO” y “LUPY”. El lacto suero se genera al producir queso con leche descrema-da; la muestra se sometió a un segun-do descremado en centrifuga (5,000 rpm/5 minutos). El lacto suero dulce se sometió a un tratamiento térmico (100 ºC/10 minutos), dejándolo sedi-mentar durante 3 horas.

Los conglomerados caseicos se pre-cipitan por diferencia de densidad; se separaron los sólidos del lacto suero por decantación y después por filtra-ción con manta o paño. El líquido fil-trado se denomina “suero drenado”, mientras que los sólidos retenidos se

denominan suero pasta, conocido en la región con el nombre de requesón o queso ricota.

En el diseño experimental se selec-cionaron bloques al azar. Se valoraron 7 tratamientos. El método consistió en colocar una proporción de suero pasta en un tazón de batidora repos-tera, se agregó formol según el trata-miento, hasta obtener un coloide que formara hebra o hilo, posteriormente se fueron incorporando el resto de los aditivos (CaCO3, HCl y CO(NH2)2), entre otros, hasta obtener un coloide brilloso y viscoso el cual fue vaciado y moldeado en teflón.

Se colocó en una estufa de secado a 35 ºC durante 24 horas hasta presen-tar consistencia plástica. El proceso fue desarrollado siguiendo los proto-colos de seguridad (OMS). Una vez obtenido el termoplástico se proce-dió a hacer variar los aditivos presen-tes en la mezcla (tratamientos), con el fin de analizar la función de cada uno de los ingredientes del termoplástico.

Las muestras se repitieron múltiples ocasiones con la finalidad de contro-lar la técnica y obtener el material su-ficiente para realizar las pruebas me-cánicas necesarias.

Los resultados de las variables de res-puesta de tensión, flexión, densidad, se analizaron en Excel, determinan-do medias y desviaciones estándar, diseñando gráficos para plasmar los resultados obtenidos.

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3.1 Resultados preliminares

Los resultados recuperados de la valoración realizada al suero dulce y suero drenado se muestran en el (Figura 1). Se valoró con una sonda multi paramétrica el pH de las mues-tras procedentes de suero dulce, siendo de 4.05, para el suero drena-do fue de 5.27, mostrándose ligera-mente más alcalino.

La recuperación y precipitación de la materia orgánica (lactosa), evita la conversión a ácido láctico permitien-do una ligera alcalinidad del suero dulce en los cuerpos de agua.

La conductividad eléctrica del suero dulce fue de 17.20 µS/cm y 6.61 µS/cm para suero drenado. La conduc-tividad permite valorar la proporción de materia orgánica suspendida, la cual genera turbiedad en los cuerpos de agua, propiciando agua densa con bajo porcentaje de oxígeno. Al sepa-rar la materia orgánica del suero dul-ce se disminuye en dos terceras par-tes la conductividad de los cuerpos de agua, se incrementa el oxígeno y disminuye la densidad en cuerpos de agua. (Figura 1).

Respecto a los sólidos disueltos tota-les (SDT), las muestras arrojaron valo-res de 11.02 ppm para suero dulce y 4.23 ppm para suero drenado. (Figura 1). Algunos sólidos son sedimenta-bles, algunos otros no. Debido a su densidad permanecen suspendidos impidiendo la incidencia de los rayos

solares sobre los cuerpos de agua limi-tando la producción de algas y planc-ton, repercutiendo en la generación de alimento para la fauna acuática.

El contenido de oxigeno fue de 3.5 mg/L para suero dulce y 6.9 mg/L suero drenado. La presencia de oxi-geno es el doble en suero drenado (Figura 1). La separación de los só-lidos del lacto suero permiten obte-ner un suero drenado con el doble de oxígeno presente en los cuerpos de agua, además de presentar un ligero incremento en el pH, producto de la separación de la lactosa, por lo tanto, separar los sólidos favorece signifi-cativamente la presencia de oxígeno sobre los cuerpos de agua.

Figura 1. Variables del suero dulce y drenado.

3.2 Resultados pruebas mecánicas

En los resultados presentados en la Tabla 1, el plástico de las muestras T1 presentan textura lisa, color blanco amarillento, a temperatura ambiente se percibe blando y se degradaba al tacto. Las muestras son biodegrada-bles en agua después de 45 días. Los residuos de la biodegradación pre-sentan un pH de 6.46 inicial y 5.18 fi-nal, se considera que es por residuos de lactosa en las muestras.

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El valor de prueba de elasticidad fue 2.96 cm antes de romperse, la resis-tencia fue 0.638 kg/fuerza. La prueba de ignición después de 10 segundos se ablanda, no forma braza. La prue-ba al enrolado evidencia alta flexibili-dad, no presenta fracturas durante el enrolado. El costo de producción es de $2.96 pesos m.n./m2. (Figura 2).

Las muestras del T2 presentan un fondo liso y brillante, elasticidad limi-tada, rigidez, ostentan grumos sobre la superficie, el espesor promedio fue de 1mL. La elasticidad media fue de 0.5 cm. Es un plástico rígido y que-bradizo, no se quema al fuego, posee limitada resistencia a la fuerza de ex-tensión 0.075 kg/fuerza, su solubili-dad en agua fue a los 30 días, el pH final fue de 5.61 (Tabla 1). El costo de producción fue de $2.96 pesos m.n./m2. (Figura 2). La muestra no cumple el objetivo planteado, es quebradiza y presenta limitada flexibilidad.

Tabla 1. Resultados pruebas mecánicas.

El producto obtenido en las muestras del T3 fue una masa viscosa, húmeda y de color blanco, muy difícil de des-moldar. Por lo tanto, fue imposible poder realizar pruebas mecánicas. El T3 no cumple con el objetivo plan-teado (Tabla 1). Las muestras del T4,

no forman un plástico, la ausencia de ácido clorhídrico propicia una masa pastosa, con alta adherencia, no mol-deable (Tabla 1). El T5 no permitió la formación de muestras plásticas, con carencia de urea, así mismo, se determinó que la urea es un aditivo químico indispensable en la forma-ción del termoplástico debido a que le proporciona una mejor plasticidad y facilita la maleabilidad (Tabla 1), sin cumplir con el objetivo planteado.

El T6, presento muestras plásticas amarillentas con exceso de grumos, de consistencia gomosa y aspecto quebradizo al someterse a dobleces. La prueba de ignición muestra un plástico ligeramente sensible al fue-go después de 5 segundos; durante la prueba de enrolado el plástico no presenta habilidad para doblarse en forma de taco o tubo, la consistencia es dura, rígida después del desdobla-do tiende a fracturarse; presenta una elasticidad de 0.9 cm y una resistencia a la fuerza de tensión de 0.485 kg/fuerza; su solubilidad en agua a 22 ºC y pH inicial de 6.46 después de 30 días no mostró ser biodegradable (Tabla 1). Al tomarse con pinzas del tubo de en-sayo se rompía con mucha facilidad.

Figura 2. Costo de producción/m2 plástico.

El T7 fue un plástico de color blan-co amarillento, flexible, maleable, sin presencia de grumos, no quebradizo,

ELASTICIDAD IGNICIÓN

FUERZA DE

TENSIÓN

SOLUBILIDAD ENROLADO

T1 2.96 cm Combustible 0.638 kg/F Biodegradable Bueno

T2 0.5 cm No combustible 0.075 kg/F Biodegradable Regular

T3 - No combustible - Biodegradable -



T6 0.9 cm Combustible 0.485 kg/F No Biodegradable Regular

T7 6.5 cm No combustible 1.075 kg/F Biodegradable Excelente

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soporta los dobleces y presenta una muy buena propiedad para ser enro-lado, se puede elaborar sin presentar problemas de adherencia, pastosidad, grumos, contiene un ligero olor a le-che. Posee una excelente elasticidad.

Una de las muestras del tratamiento anterior obtuvo un alargamiento de 10 cm antes de romperse, en prome-dio tiene una elasticidad de 6.5 cm y una resistencia a la tensión de 1.075 kg/fuerza (Tabla 1). No se quema, ni propaga el fuego al someterse a la flama cortante del mechero, no forma braza, su costo de fabricación es bajo en comparación con los tratamientos anteriores, una muestra de 1m2 es de $1.29 m.n. (Figura 2).

El T7 es el mejor de los tratamientos de-bido a que es el producto que cumple con el objetivo, se considera una op-ción para aplicar el suero de leche en la formación de este tipo de materiales.

Es un producto biodegradable a 45 días en presencia de agua, al expo-nerse a la luz del sol no se endurece si se ablanda, al someterse a humeda-des relativas de 90% no se muestra higroscópico y no desarrolla moho.

4. CONCLUSIONES

El T7 cumple el objetivo planteado dado que fue el que presentó los mejores resultados, en cuanto a las pruebas mecánicas realizadas, la variable elasticidad fue de 6.5 cm y fuerza de tensión de 1.075 kg/fuerza, con el más bajo costo de producción $1.29 m.n./m2.

El termoplástico obtenido en T7 es flexible permite ser enrolado. Es signifi-cativamente el más resistente a la com-bustión de la flama azul del mechero.

Los T1 y T7 son los que presentan mayor fuerza de tensión de 0.638 y 1.075 kg/fuerza y una elasticidad de 2.96 y 6.5 cm respectivamente.

Los plásticos obtenidos producto de la reacción del lacto suero con adi-tivos químicos son biodegradables después de 45 días, sin alterar signifi-cativamente el pH final de la solución.

El termoplástico elaborado se reco-mienda emplear para embalar piezas de la industria automotriz, eléctrica, elec-trónica y/o manufacturera, debido a que fue elaborado con formol y puede presentar posibles residuos. No se recomienda para el embalaje primario en el área alimenticia y farmacéutica.

El T5 es el menos funcional, dado que no forma un plástico, sino una placa sólida, seca y quebradiza, con pre-sencia de grietas en toda la superficie.

El suero drenado descargado a los cuerpos de agua, disminuye en dos terceras partes sus SDT (de 11.02 a 4.23 ppm), el contenido de oxígeno se incrementa al doble (3.05 a 6.9), el pH se incrementa de 4.05 a 5.15. Por lo tanto, verter suero drenado libre de sólidos permitirá la recuperación gra-dual de los ecosistemas acuáticos.

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5. REFERENCIAS

» Ben-Hassan, R.M. y Ghaly A.E. (2014). Continuous propagation of Kluyveromyces fragilis in cheese whey for pollution potential reduc-tion. Applied Biochemistry Biotech-nology. 47, pp. 89–105.

» Hernández Rojas, M. y Vélez Ruíz, J.F. (2014). Suero de leche y su apli-cación en la elaboración de alimen-tos funcionales. Temas Selectos de Ingeniería de Alimentos. 8 (2), pp. 13-22.

» Spreer, D.E. (1991). Lactología indus-trial. Acribia, Zaragoza, pp.527-549.

» Valencia Denicia, E. (2009). La indus-tria de la leche y la contaminación del Agua. Tesis Maestría en Ingenie-ría, Puebla, Universidad Politécnica.

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Diseño y manufactura de un horno para un reactor pirolítico

M. L. Villaseñor-Cazares, B. Y. Maya-Contreras, G. A. Pérez-López, M. C.

Domínguez-Reyes

RESUMEN

La civilización actual depende principalmente de los combustibles fósiles y fuentes no renovables de energía. Existen algunas fuentes energéticas alter-nativas, entre las cuales existe la pirólisis, por lo que este proyecto presenta el diseño y la manufactura de un horno para un reactor pirolítico construido con yeso de París, arena y agua. Como bien se sabe la variable más importante en el proceso de pirólisis es la temperatura, por lo cual es necesario controlarla de manera sistemática y eficaz mediante un sistema de adquisición de datos. En los resultados se muestra que se obtuvo una temperatura desde los 25 °C hasta los 690 °C con una resistencia de 1300 W debido a que el horno se aisló con fibra de vidrio. Al analizar los perfiles de temperatura se pudo determinar que la temperatura va en aumento con una rampa de 8 °C/min y 16 °C/min.

Palabras clave: Pirólisis, temperatura, reactor, termopar, LabVIEW.

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1. INTRODUCCIÓN

En Ecuador se diseñó y construyó un horno para tratamientos térmicos calentado por resistencias eléctricas con una potencia de 12 KW, una efi-ciencia del 50%, una rampa de ca-lentamiento máxima de 7 °C/min y una temperatura máxima de 1350 °C; con este intervalo de temperaturas se abarcaron los hornos existentes en el mercado ecuatoriano. (Pillajo Corella y Romero Velasco, 2016).

En el año 2018 diseñaron una plan-ta de pirólisis para la obtención de Negro Humo y Fuel Oíl, empleando como materia prima el caucho de neumáticos usados o fuera de uso. Identificaron a nivel laboratorio la temperatura a la cual obtuvieron los mejores rendimientos de producción para un tiempo de residencia de 4 horas y presión atmosférica cons-tantes; obtuvieron rendimientos de producción para Negro de Humo y Fuel Oíl de 52.20% y 23.80%, res-pectivamente, bajo condiciones de operación para la unidad de reacción de 650°C y 76.4 kPa, bajo un régimen de operación isotérmico e isobárico.

Basándose en los resultados, realiza-ron el diseño conceptual de la planta. (Chivatá Trompetero y Duarte Fuen-tes, 2018).

En el año 2018 se construyó un reac-tor de acero inoxidable, con una altura de 990 mm y un diámetro de 480 mm, un cabezal de alimentación de altura 80 mm y diámetro de 120 mm (parte superior) y una salida de diámetro de 200 mm para la eliminación de car-

bón en la parte inferior del rector. Se encontró que el contenido de cenizas y el contenido de carbono fijo eran 2.47% y 33.31% en peso, respectiva-mente. (Mohammad et al., 2018).

El diseño y manufactura de un hor-no para un reactor pirolítico se rea-liza debido a que el Tecnológico de Estudios Superiores de Coacalco no cuenta con un equipo para realizar pi-rólisis de forma ordenada y sistemá-tica, en el cual se puedan manipular los perfiles de temperatura.

Otra de las razones es que debido a la sobrepoblación en México se tie-nen bastantes desechos orgánicos e inorgánicos, entre ellos podemos encontrar los neumáticos, los plásti-cos, etc., que con el paso del tiempo quedan tirados en las calles, lagos y ríos de México, por esta situación, la pirólisis es la opción más viable para atacar el problema. (Fuente propia).

En el año 2016, el Estado de México rompió un Récord Guinness mundial al recolectar 279 mil 759 llantas. En México se estima que se desechan cerca de 30 millones de llantas, de lo cual solo el 10% se recicla y el 90% se desecha a las laderas de barran-cas, canales o en las calles. (Velasco, 2016). La composición de las llantas es de 14% caucho natural, 27% de caucho sintético, 28% rellenos refor-zantes (carbono), 15% acero, 17% fibra textil y 5% materia textil (Castro, 2008). Por esta razón es importante diseñar y manufacturar un horno en el cual se realizará la pirólisis, ya que es una alternativa para generar com-bustible, utilizando llantas. El calor

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necesario para la descomposición es aportado por una resistencia que garantice una temperatura regulable entre los 400 °C y 700 °C.

Para realizar el horno se tendrá que definir la composición de la mezcla para el aislante térmico, implementan-do un sistema de adquisición de datos de temperatura para poder aplicar un lazo de control encendido/apagado por medio de un regulador y, por úl-timo, poder realizar pruebas donde el horno seguirá perfiles de temperatura.

2. METODOLOGÍA

2.1. Materiales utilizados:

• Yeso de París• Agua• Arena fina• Resistencia eléctrica de 1300W• Materiales para revolver la mez-

cla• Cubeta y/o bote (realizar el mol-

de del horno)• Termopar• Dos Arduino• Relevador• Fibra de vidrio• Computadora• Cables para conexión

Figura 1. Esquema del diseño del horno. 1) Horno, 2) Empaque de fibra 3) Arduino escla-vo, 4) Arduino maestro, 5) Relevador, 6) Ter-mopar (Fuente propia).

2.2. Manufactura del horno:

Para la elaboración de este proyec-to se realizó la siguiente metodología (Tabla 1).

Tabla 1. Metodología.

a) Se realizó una mezcla de agua, con arena y yeso de París.

b) Se conectó la resistencia a los ca-bles, conectados a su vez a la toma de corriente.

c) Se vertió la mezcla a la cubeta y se dejó secar, aproximadamente en quin-ce días.

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y al momento de llegar a los 320°C la resistencia se colapsó y se fun-dió, por lo que se tuvo que cambiar por una de 1300 W. En la Figura 3 se muestra la tendencia obtenida cuan-do el horno estaba calentando, así como el descenso al momento en el que la resistencia reventó.

Figura 3. Primera prueba (Fuente propia). Tem-peratura dentro del horno en función del tiem-po de calentamiento.

En la Figura 3 se puede observar cómo fue aumentando la temperatura des-pués de estar unos segundos dentro del horno; la temperatura incrementó con una pendiente de calentamiento de 5.34 °C/s, la cual alcanzó una tem-peratura máxima de 320 °C al minuto con 35 segundos; de igual manera se observa que al minuto con 10 segun-dos existe una perturbación, ya que la resistencia sufrió una ruptura, y con ella vino una segunda pendiente que es la de enfriamiento y a los 4 minutos con 45 segundos se retiró el termopar del horno.

3.1.2. Segunda prueba

Se retomaron las pruebas de tempe-ratura con el horno. Al encender el


3.1 Manufactura del horno

La manufactura del horno se llevó a cabo exitosamente mediante una se-rie de pruebas como se muestra en la Figura 2, las paredes internas tienen un espesor de 4 cm en la circunferen-cia, con una base de 4 cm de espe-sor y una tapa de 3 cm de espesor. El diámetro de la circunferencia externa es de 20 cm y la interna de 12 cm. La resistencia está posicionada en la parte superior de la base, pegada a las paredes internas del horno, y está sujetada correctamente. El horno cuenta con dos terminales eléctricas para su conexión.

Figura 2. Manufactura de un horno para un reac-tor pirolítico. (Fuente propia).

3.1.1 Primera prueba

Se realizó la prueba con el termopar y el arduino conectados a la computado-ra; la resistencia en uso fue de 927 W.

Al iniciar la prueba el horno comenzó a calentar, pero al llegar a los 240 °C hubo perturbaciones en la resistencia

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horno se tomó la decisión de conec-tarlo y desconectarlo en lapsos de 5 a 7 segundos; los resultados se mues-tran en la Figura 4.

Se utilizó una resistencia de 1300 W. En la gráfica se observó que lle-gó hasta una temperatura de 320 °C. Esta se volvió constante ya que la temperatura no aumentó.

Figura 4. Segunda prueba (Fuente propia). Tem-peratura dentro del horno en función del tiempo de calentamiento.

En la Figura 4, se observa que la tem-peratura máxima fue de 320 °C a los 16 minutos 30 segundos, además de presentar otras temperaturas aproxi-madas de 300 °C.

3.1.3 Tercera prueba

Se implementó una resistencia de 927 W y un relevador, el cual permitió el paso de energía al horno mediante un encendido/apagado, alcanzando una temperatura máxima de 320°C en un tiempo de 27 minutos.

Figura 5. Sistema de adquisición de datos y lazo de actuación en LabVIEW y arduino. (Fuente propia).

En la Figura 5 se muestra un sistema de adquisición de temperatura Lab-VIEW. Se utilizaron dos tarjetas de arduino, ya que para poder utilizar el LabVIEW es necesario saturar la me-moria de la tarjeta que se encarga de controlar el relevador debido a que la librería del termopar está diseñada para arduino, no para LabVIEW. Por ello la librería de arduino se cambió a otra tarjeta y en ella fue colocada un protocolo de transferencia de datos I2C, con la finalidad de comunicar am-bas tarjetas. Dicho sistema fue conec-tado a la corriente eléctrica (128 V).

Figura 6. Diagrama de bloques (Fuente propia).

En la Figura 6 se muestra un diagra-ma de bloques del programa Lab-VIEW en la que opera el control de temperatura, el cual cuenta con un ciclo “mientras” en inglés (while), el

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cual se ejecuta de forma infinita hasta que se oprima el botón de paro; en los laterales se localizan el iniciador (lado izquierdo), y el finalizador (lado derecho) de la tarjeta de ARDUINO que se encarga de controlar el rele-vador, se señala qué tipo de pin se usará, en este caso fue el de salida. El botón verde que se encuentra del lado izquierdo llamado boolean se encarga de accionar el pin 7 ya que el relevador está conectado al arduino en este pin, todo esto para manejar la corriente eléctrica y manipular la tem-peratura de forma inherente.

Figura 7. Tercera prueba. (Fuente propia).

En la figura 7 se muestra la medición de temperaturas mediante el sistema de adquisición de temperatura Lab-VIEW, la temperatura máxima que se logró obtener fue de 310°C.

Figura 8. Horno cubierto con algodón. (Fuen-te propia).

En la figura anterior se muestra una capa de algodón sobre una base de cartón cubierta de aluminio, esto se realizó para cubrir el horno y así evitar las pérdidas de calor en las paredes del horno.

Figura 9. Prueba 4. (Fuente propia).

En la Figura 9 se puede observar la prueba con el horno cubierto por el algodón, con una resistencia de 1300 W con un sistema mejorado de Lab-VIEW capaz de poder controlar la po-tencia que se suministra al horno.

Gracias a las modificaciones realiza-das se obtuvo una temperatura de 500 °C con una potencia del 40%, durante 22 minutos, todos estos da-tos fueron obtenidos a través del sis-tema de LabVIEW, ya que este recibe las señales de temperatura emitidas por el horno y los transforma en datos que se ven reflejados en frecuencias del programa de LabVIEW, el cual tam-bién nos permite manejar la potencia con la que trabaja el horno.

Al concluir la prueba, el algodón que se encontraba en la parte interior del horno sufrió quemaduras debido a la alta temperatura al que fue sometido, como se muestra en la Figura 10.

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Figura 10. Algodón quemado. (Fuente propia).

Figura 11. Horno cubierto con fibra de vidrio. (Fuente propia).

Al cubrir el horno con fibra de vidrio, como se muestra en la Figura 11, con el sistema de LabVIEW se logró obte-ner a una temperatura de 560 °C.

En la Figura 12 se muestra un diagra-ma de bloques sobre la forma en que se opera el control de temperatura; cuenta con un ciclo while el cual se ejecuta de forma infinita hasta que oprima el botón de stop, en los late-

rales se localizan el inicializador, el fi-nalizador de la tarjeta de arduino que se encarga de controlar el relevador, se señala que tipo de pin a usar, en este caso el de salida, el botón verde que se encuentra del lado izquierdo llamado boolean; encargado de ac-cionar el pin 7, lo anterior para con-trolar la corriente eléctrica y manipu-lar la temperatura de forma inherente.

Figura 12. Diagrama de Bloques.

Figura 13. Temperatura máxima obtenida.

En la figura 13 se muestra la máxima temperatura alcanzada, la cual fue de 690 °C en un tiempo de 950 segun-dos, de 0-600 segundos se utilizó el

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5% de potencia, de 600-950 segun-dos se utilizó el 50% de la potencia, alcanzando una temperatura máxima de 690 °C. Al llegar a esta tempera-tura la resistencia se fundió, por lo cual se optó por utilizar una potencia máxima de 40%.

3.1.4 Perfiles de temperatura

Figura14. Perfil de Temperatura 1.

Figura 15. Perfil de Temperatura 2.

Las Figuras 14 y 15 representan los perfiles de temperatura realizados, estos para corroborar el aumento de la temperatura respecto al tiempo. Al analizar los perfiles de temperatura se pudo determinar que la tempera-tura va en aumento de 8 °C/min y 16 °C/min.

4. CONCLUSIONES

Se realizó la manufactura del horno para un reactor pirolítico con base en yeso y una resistencia. Al realizar la primera prueba se llegó a los 320 °C

en 50 segundos, la resistencia se fun-dió y por lo tanto se reventó, ya que esta prueba se hizo manualmente y se conectó directamente en la corriente eléctrica sin ningún tipo de relevador o un sistema de control.

Se realizó el cambio de la resistencia por una de mayor potencia, sellando algunas partes del horno, observan-do que no fue suficiente al existir pér-dida de calor, siendo este un factor por el cual no se llegó a la temperatu-ra deseada.

En función de lo anterior, se utilizó aislante industrial (fibra de vidrio), re-gistrando así una temperatura de en-tre 400 ºC-700 °C aproximadamente; rango de temperatura en el que se lle-va a cabo la pirólisis. Con la adapta-ción del sistema de adquisición para el control de la temperatura, se logró controlar eficientemente la corriente eléctrica suministrada a través de la resistencia para después convertir-la en calor, y poder así, mantener el termopar dentro del horno midiendo y regulando la temperatura interna, hasta la deseada.

Mediante los avances y/o mejoras a la manufactura del horno se registró una temperatura de 690°C; la nece-saria para llevarse a cabo la piro-lisis. Sin embargo, dicha pirolisis no se llevó a cabo, debido a que el obje-tivo del proyecto fue el diseño y ma-nufactura de un horno para un reac-tor pirolítico, el rector será propuesto por otro equipo de investigadores.

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5. REFERENCIAS

» Castro G. (2008). Materiales y com-puestos para la Industria del neu-mático. Facultad de Ingeniería. Uni-versidad de Buenos Aires. [En línea]. Disponible en: https://campus.fi.uba.ar/file.php/295/Material_Comple-mentario/Materiales_y_Compuestos_para_la_Industria_del_Neumatico.pdf. [Accesado 09 de junio 2019].

» Chivatá Trompetero, D. y Duarte Fuen-tes C.C. (2018). Diseño conceptual de una planta para el aprovecha-miento de caucho molido de neu-máticos usados a partir de pirólisis. Fundación Universidad de América. [En línea]. Disponible en: http://repository.uamerica.edu.co/bitstream/20.500.11839/6705/1/613197 4-2018-1-IQ.pdf. [Accesado 9 de junio 2019].

» Mohammad Abdul, A.; Rahman, M.A. y Molla H. (2018). Design, fabrication and performance test of a fixed bed batch type pyrolysis plant with scrap tire in Bangladesh. Journal of Radia-tion Research and Applied Sciences. 11 (4), pp. 311-316.

» Pillajo Corella, B.M. y Romero Velas-co F.I. (2016). Diseño y construcción de un horno calentado por resis-tencias eléctricas que trabaje en un rango de temperaturas entre 1000 a 1350 grados centígrados, y con-trolados por un sistema computari-zado. Proyecto previo a la obtención del título de ingeniero mecánico. Quito. Escuela Politécnica Nacional.

» Velasco, M.A. (2016). Edoméx rompe récord de recolección de llantas inser-vibles. Excelsior. [En línea]. Disponible en: https://www.excelsior.com.mx/comunidad/2016/09/05/1115081 [Accesado 11 de junio 2019].

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Sistema de clasificación colorimétrica para la selección de agua-cate Hass

C. Arias-Zepeda, V. Sánchez-Rodríguez, L. A. León-Bañuelos

RESUMEN

México es una de las grandes potencias productoras de frutos en el mundo, siendo el aguacate el principal de estos. Dentro de la industria alimenticia ac-tual, dos de las técnicas principales usadas son la colorimetría y espectrofo-tometría, por lo que, en este estudio, se tomó como base la descomposición colorimétrica en conjunto con el uso de fotografías en una escala RGB, de las cuales se obtuvo un rango aceptable para identificar la calidad de madurez del fruto a través de la comparación de rangos colorimétricos. El objetivo fue es-tandarizar la clasificación tomando en cuenta las características físicas como color y forma, recurriendo a tecnología de sensores, software programado a medida en lenguaje java.

Palabras clave: Colorimetría, banda transportadora, programación java.

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1. INTRODUCCIÓN

La Persea americana ‘Hass’, o cono-cido coloquialmente como aguacate Hass, es un tipo de especie arbórea la cual da un fruto, del mismo nom-bre. Es una planta que se puede adaptar a temperaturas desde -4 °C, siendo las ideales para esta variedad las temperaturas entre los 14 ºC y 24 °C, y hasta los 30 °C (Landa, 2017), otros factores importantes a tomar en cuenta para su cultivo son la hume-dad, la cual oscila entre 75% y 80% presentando un mejor crecimiento en suelos ligeramente alcalinos o ligera-mente ácidos con promedio de 6 a 7 de pH a una altura recomendada de; entre 1,200 a 2,500 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.).

México es considerado uno de los primeros países que cultivó el agua-cate, y su importancia ha trascen-dido hasta épocas actuales, siendo este país de las grandes potencias productoras de frutos en el mundo. La producción de estos cultivos se llevó a cabo en 7% de la superficie cultivable nacional; aguacate, limón, naranja, mango y plátano representa-ron dos terceras partes de la produc-ción nacional, considerando cinco de las diez frutas más producidas en el mundo; el aguacate es el principal fruto mexicano pues el país produce uno de cada tres que se consumen a nivel mundial.

Michoacán es el máximo productor mundial, destinando la tercera parte del volumen generado a la exporta-ción, principalmente a países como

Estados Unidos, Japón y China (Rubí, et al., 2013).

Los frutos sufren diversos cambios fisicoquímicos que determinan su ca-lidad intrínseca. Uno de los cambios más importantes y manifiestos que ocurren durante la maduración, para muchos frutos es el del color. El resul-tado más común de las modificacio-nes de color es la perdida de la pig-mentación verde como consecuencia de la degradación de la clorofila, que va asociada a la síntesis o al desen-mascaramiento de otros pigmentos. Los cambios de color o desaparición del color verde constituyen un buen indicativo no destructivo del grado de madurez para muchos frutos, inclu-yendo el aguacate “Hass” (Correa, et al., 1991).

Con la finalidad de mejorar el control de calidad, minimizar los daños en frutos y aumentar la productividad y las ganancias, las empresas están recurriendo a tecnología de senso-res y software a medida de satisfacer las necesidades específicas (Herre-ra-González, et al., 2012).

Existen dispositivos que pueden de-tectar problemas de manipulación, selección y empaque de frutos (Kro-nen, 2014; Tomra, 2019; Hurtado Burbano, 2015; Unisorting, 2016 y Zaizer, 2014). Sin embargo, los pro-ductores a pequeña escala no cuen-tan con la infraestructura para adqui-rir la maquinaria de primer nivel, por tal motivo se proponen tecnologías alternas para seleccionar el aguaca-te Hass, a partir de un prototipo de

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bandas transportadoras y algoritmos de reconocimiento de patrones, que permita reconocer el porcentaje de colores y la forma del fruto, de mane-ra que los resultados que sean arro-jados puedan indicar su calidad, ade-más de la elaboración de una caja de iluminación controlada para la toma de fotografías disminuyendo el grado de rebote en los aguacates.

2. METODOLOGÍA

El presente trabajo se desarrolló uti-lizando el modelo de prototipo par-cial de un sistema, cuyo propósito es determinar los requerimientos del mismo, se construye de una mane-ra rápida y se entrega a los usuarios, quienes proveen retroalimentación (Villanba Domínguez y Ramón Martí-nez, 2018).

2.1 Investigación preliminar

Se recolecta la información necesaria para la elaboración del sistema, los requerimientos, herramientas y mate-riales necesarios.

En este caso, las herramientas nece-sarias son:

NetBeans: Un IDE para programación en java el cual puede ser compatible con diferentes librerías, entre ellas las de Arduino.

Java: lenguaje de programación de código libre que es compatible con diferentes sistemas operativos.

Lenguaje Arduino para la recepción de señales emitidas por los sensores para la activación de eventos.

Cámara 12 mega pixeles o superior para la correcta captura de imágenes.

Tabla 1. Materiales necesarios.

Cantidad Concepto

1Estructura metálica del pro-

totipo transportador fruto para colorimetría

2 Motores de corriente direc-ta de 24 volts

1 Bandas transportadoras

4 Sensores ultrasónicos

1 Arduino Mega ADK rev3

1Memoria RAM 16gb DDR4 para procesamiento imáge-

nes 3000 x4000

4 Relevador 2P/2T 6V/10ª

1 Rodillos y soportes para las bandas

2.2 Análisis y especificación

Diseño básico del prototipo.

A través del planteamiento del pro-blema se establece un diseño preli-minar, contemplando los materiales seleccionados para la elaboración del prototipo, asimismo, se plantean los pasos que constituyen las etapas del algoritmo colorimétrico para la evaluación de los estándares de co-lor (Figura 1).

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Figura 1. Algoritmo colorimétrico. (Fuente propia).

2.3 Diseño y construcción

Construcción del prototipo inicial.

En esta etapa del proyecto se crea una maqueta a escala que representa todas las piezas y fases del prototi-po, con los materiales seleccionados. Posteriormente se implementan las primeras etapas de programación respetando el algoritmo para realizar pruebas de calibración.

En esta etapa se contemplan todos los elementos que permiten la trans-portación del aguacate y se colocan los módulos para la toma de fotogra-fía que, posteriormente se analizará con el algoritmo colorimétrico. Así mismo se anexan elementos que evi-ten que se maltrate el fruto.

El prototipo inicial es impulsado por un motor de corriente alterna (Figura 2).

Figura 2. Diseño de la banda y rampa inicial. Vista lateral derecha. (Fuente propia).

2.4 Evaluación

Verificación y requerimientos.

Una vez que se tiene la maqueta, se presentaran los argumentos o puntos de vista que hacen falta en la fase de diseño y que son necesarios para el óptimo desarrollo del prototipo. En lo que respecta a la programación del algoritmo se recomienda tener un equipo de cómputo con las siguien-tes especificaciones:

• Sistema operativo de 32- o 64-bit• 400 MB de espacio libre en

nuestro disco.

64

• Mínimo 3 GB para la descarga e instalación.

• Sistemas operativo Windows, macOS o Linux.

• Java 1.8 o superior

2.5 Modificación

Modificación del prototipo.

Fue necesario un cambio de motor para regular la velocidad en la que será transportado el aguacate. Lo anterior mediante el uso de un motor de corriente directa siendo más fácil manipular o integrar un circuito, de igual forma fue necesario diseñar un módulo de captura de imágenes para regular la iluminación sin alterar las propiedades de las imágenes.

Migración de lenguajes.

El algoritmo fue codificado en lengua-je de Java, generando así un algorit-mo beta con los rangos colorimétri-cos que se establecen de acuerdo con los datos RGB de los pixeles.

2.6 Diseño técnico

De acuerdo con los requerimientos, se implementó el diseño del módulo de captura de imágenes a la banda transportadora con las modificacio-nes realizadas para obtener la ilu-minación correcta y una rampa de gravedad para recibir los aguacates evaluados (Figura 3).

Figura 3. Diseño final del prototipo implemen-tando la rampa final y el módulo de captura de imágenes. (Fuente propia).

Establecimiento de medidas y reque-rimientos del módulo de captura de imágenes.

Fue colocado un módulo de captura de imágenes con iluminación correc-ta para evitar la presencia de altera-ciones por factores externos, favo-reciendo así en la obtención de los resultados (Figura 4 y Figura 5).

Figura 4. Módulo de captura de imágenes in-tegrada al prototipo de selección. Vista frontal. (Fuente propia).

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Figura 5. Módulo de captura de imágenes in-tegrada al prototipo de selección.Vista lateral.

(Fuente propia).

2.7 Programación y prueba

Se desarrolló el algoritmo con tecno-logía de detección usando la colori-metría, es decir, se crearon rangos pre-establecidos de aguacates reales y se programó un software que pudiera realizar la respectiva evaluación.

Para realizar el estudio de la imagen a nivel de pixel, fue necesario la im-plementación de librerías especiales, para realizar un escáner completo e ir extrayendo información como la cantidad de pixeles que constituyen la imagen, así mismo la composición de color de cada pixel de acuerdo al sistema RGB.

En la Figura 6 se muestra la panta-lla principal del sistema de recono-cimiento a través de colorimetría (RGB), esta pantalla cuenta con tres botones, que son: Cargar imagen, Detectar y Cerrar.

Figura 6. Pantalla principal del sistema.

(Fuente propia).

Para iniciar con el proceso de detección es necesario cargar una imagen, dando clic en el botón Cargar Imagen, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Botón de Cargar imagen. (Fuente

propia).

Una vez realizada la operación ante-rior, se selecciona el archivo en cues-tión, el tipo de archivo que recibe puede ser JPG, GIF y BPM. Es ne-cesario que se le asigne un nombre a la imagen, ya que los resultados que serán devueltos por el programa se registraran en una carpeta determi-nada por el IDE.

66


3.1. Área de Estudio

Se recolectaron aguacates de dos parcelas ubicadas en la región XV, la primera en San José, Villa de Allende y Santa María del Monte, Amanalco. Ambas parcelas son de productores a pequeña escala miembros de gru-pos ejidales. Con la finalidad de com-parar diferencias y validar el algorit-mo en cualquier parcela.

3.2. Muestreo

El muestreo fue de tipo dirigido, to-mando aguacates con las caracte-rísticas como dicta la NOM NMX-FF-016-2002, con anomalías en la forma. Se recolectaron 10 aguacates por cada parcela y se capturó una fo-tografía por cada uno.

Se capturaron 10 pixeles por fotogra-fía con la técnica de descomposición colorimétrica por pixel con el softwa-re Instant Eyedropper 1.9.1 (2016) y se almacenaron en una base de da-tos en formato RGB. Los subpixeles R, G y B se midieron de 0 a 255 en valor digital dándoles un seguimien-to de 15 días a los aguacates con la finalidad de notar cambios en la co-loración y las diferencias entre par-celas y frutos; se segmento el tiempo de monitoreo en 3 etapas: primer día, octavo día y quinceavo día, como se muestra en la Tabla 2.

Tabla 2. Diseño para tratamientos de aná-lisis RGB.

ParcelaEtapa

poscosecha

Repeticiones

R-G-B

1.- Santa María del

Monte (SMM)

1.- primer día N=100

2.- octavo día N=100

3.- quinceavo día

N=100

2.- San José (SJ)

1.- primer día N=100

2.- octavo día N=100

3.- quinceavo día

N=100

El análisis de los resultados de los datos RGB se llevó a cabo a partir de una primera exploración de los trata-mientos, misma que se obtuvo a través de estadística descriptiva (promedio, mínimo, máximo, desviación estándar) de los datos RGB, con la finalidad de observar los rangos de dispersión en valor digital.

Tabla 3. Estadística descriptiva de los da-

tos RGB.

DESCOMPOSICIÓN

COLORIMÉTRICA

R G B

N 100 100 100

Media 93.27 155.12 83.52

Máximo 171 255 130

Mínimo 0 85 0

Rango 171 170 130

Desviación 12.90 13.86 14.18

67

Los rangos fueron establecidos de acuerdo con los máximos y mínimos indicados en la Tabla 3, y se comparan con los datos de la imagen por sub-pixel, R-G-B, considerando la siguien-te condición: un pixel valido debe cumplir con los tres rangos de cada subpixel.

3.3. Diseño y construcción del módulo de captura de imágenes

En base a los requerimientos y las me-didas establecidas para la adaptación con la banda transportadora se realizó una caja con color negro en su inte-rior para evitar la interferencia de otros colores en la imagen (Figura 8). Inicial-mente la iluminación era demasiada, de tal forma que alteraba el resultado de las imágenes, posteriormente se hicieron modificaciones para reducir el reflejo en el aguacate, causado por la incidencia directa de la luz led (Fi-gura 9).

Figura 8. Diseño y construcción del módulo de captura de imágenes. (Fuente propia).

Figura 9. Pruebas de la calidad de la luz para el módulo de captura de imágenes. (Fuente propia).

El análisis de la evaluación de los pixeles se realizó de acuerdo con los siguientes posibles resultados: aguacate correcto, aguacate rayado, aguacate pequeño y aguacate sobre maduro. En todos los casos existe un margen de error debido al reflejo que se tiene en la parte media del agua-cate, aunque se redujo el efecto, aún se tiene un sesgo que se tomó en cuenta a la hora de evaluar.

Un aguacate correcto, es aquel que presenta un tamaño y forma adecua-da, se puede ver que la mayor parte de este fue coloreada, lo cual indica que el algoritmo detecto la mayoría de sus pixeles RGB dentro del rango de maduración aceptable (Figura 10).

Figura 10. Aguacate correcto. (Fuente propia).

Un aguacate rayado, es aquel que el algoritmo detecta con un verde in-tenso, pero no uniforme, es decir, la imperfección es aislada y fácil de de-tectar justo en donde se presenta, en este caso, en el centro del fruto. Así mismo la proporción de color verde indica que no cumple con el porcen-taje necesario para clasificarse como aguacate correcto (Figura 11).

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Figura 11. Aguacate rayado. (Fuente propia).

El aguacate de la Figura 12, presen-ta una maduración adecuada, pero el tamaño que cubre en la foto es muy pequeño para ser considerado de calidad. El tamaño se determinó con base en el total de pixeles de la ima-gen y con las pruebas de calibración arrojadas por los aguacates correc-tos que se evaluaron.

Figura 12. Aguacate pequeño. (Fuente propia).

Tomando en consideración que el aguacate se cosecha cuando está verde, con la finalidad de trasportar-lo, un aguacate maduro puede afectar el empaque (Figura 13). Por lo tanto, se aplicó el algoritmo y al no detectar pixeles validos en los rangos estable-cidos, este no cumple con el porcen-taje mínimo de color para su selección.

Figura 13. Aguacate maduro. (Fuente propia).

4. CONCLUSIONES

El muestreo de las parcelas para la ob-tención de pixeles es uno de los ma-yores recursos, ya que, derivado del diseño estadístico, se validan los ran-gos necesarios, y al compararlos con los porcentajes obtenidos por el pro-grama realizado, se puede detectar y mejorar ciertas implicaciones propias de la problemática planteada. Es de-cir, se seleccionaron aguacates con calidades ya conocidas, y se le dieron a evaluar al software, dando así los re-sultados mostrados, además respecto a la iluminación del prototipo, se ela-boró un Datase para alimentar y mejo-rar el algoritmo y con ello la búsqueda de rangos colorimétricos estandariza-dos para cualquier parcela.

La caja de iluminación por su parte muestra una disminución considerable en el rebote del fruto, dando así un nivel de confianza mayor al tratado de ima-gen, ya que, dentro de la elaboración de reconocimiento por colores, puede ser un gran problema la cantidad de luz que tiene la foto, modificando los valo-

69

res RGB finales del objeto y trayendo confusiones al algoritmo.

Por último, es necesario perfeccionar el prototipo de la banda transportado-ra con la finalidad de cumplir con las normas de calidad necesarias para el manejo y cuidado del aguacate y po-der así, optimizar las condiciones de captura y selección automática.

El prototipo en conjunto con el algo-ritmo colorimétrico es viable como una herramienta que podrá beneficiar a productores de aguacate a peque-ña escala, ya que, al seleccionar su producto, este podrá recibir un valor agregado, a diferencia del valor que obtienen comúnmente.

5. REFERENCIAS

» Correa, P.C.; De la Plaza Perez, J.L. y Ruiz-Altisent, M. (1991). Estudio de la evolución del color de la piel y de la pulpa de aguacate cv. “Hass” y su aplicación para la evaluación de la madurez post-recolección. UPM. Valencia, España, pp. 75-82.

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» Hurtado Burbano, T. L. (2015). Má-quina para clasificar aguacates por su peso. Trabajo de grado previo a la obtención del título de ingeniera en mecatrónica. Ibarra- Ecuador Univer-sidad Técnica del Norte.

» Kronen. (2014). Línea de Aguacates o Paltas. Kronen.eu [En línea]. Dis-ponible en: https://www.kronen.eu/es/anlagen/avocado-linie [Accesado 19 de marzo de 2019].

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» Rubí Arriaga, M.; Franco Malvaiz, A.L.; Rebollar Rebollar, S.; Bobadilla Soto, E.E. Martínez de la Cruz, I. y Siles Hérnandez, Y. (2013). Situación actual del cultivo del aguacate (Per-sea americana Mill.) en el Estado de México, México. Tropical and Sub-tropical Agroecosystemas. 16. pp. 93-101.

» Thomson, I. (2007). Tipos de cana-les de distribución. Promonegocios. [En línea] Disponible en: https://www.promonegocios.net/distribu-cion/tipos-canales-distribucion.html [Accesado 27 de marzo de 2019].

» Tomra. (2019). Máquinas procesa-doras de alimentos. TOMRA’s web-site. [En línea] Disponible en: https://www.tomra.com/es-es/sorting/ali-mentacion [Accesado 22 de marzo 2019].

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70

» Unisorting (2016). Máquinas clasi-ficadoras, seleccionadoras y sis-temas completos para empaque y procesamiento de paltas (aguaca-tes). Unisorting.com [En línea] D i s -ponible en: https://www.unisorting.com/es/productos/paltas-calibra-doras-empaque-procesamiento/ [Accesado 2 de abril 2019].

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» Zaizer. (2014). Seleccionadora Modu-lar. Zaizer.com.mx [En línea]. Dispo-nible en: http://zaizer.com.mx/selec-cionadora-modular.html [Accesado 25 de marzo 2019].

http://zaizer.com.mx/seleccionadora-modular.html

http://zaizer.com.mx/seleccionadora-modular.html

72

Recorrido Interactivo para el aprendizaje sobre culturas antiguas de México

J.L. Ramos-Hernández, A.J. Morales-Sandoval, M.C. Andrade-Nateras

RESUMEN

El presente proyecto propone una herramienta innovadora dentro del proce-so enseñanza-aprendizaje para adquirir conocimientos sobre las deidades de culturas mexicanas que existieron antes de la conquista. Es importante señalar que este proyecto fue desarrollado utilizando la tecnología de Realidad Virtual (RV), con el fin de provocar interés e interacción entre la historia, las deidades, las culturas y el usuario, ocupando herramientas que permitan potencializar la visualización de la aplicación.

El ambiente que constituye el proyecto es un espacio propicio que brinda a los usuarios, recursos y medios informativos necesarios para interactuar en las di-versas actividades y poderse adentrar en la historia, ya que es importante para el diseño del entorno, en un contexto físico y material; para tal efecto se reto-mó como medio de provisión de estímulos sensoriales a las computadoras, ya que a través de la interfaz permitirá que exista un vínculo usuario - información. La diferencia principal con otras propuestas como Aplicación de Realidad Au-mentada para la visualización del Recinto Sagrado de México-Tenochtitlanes (UPIITA) (Calero, 2019), es que esta aplicación tendrá un modo historia creada por los integrantes del equipo tomando como referencia la historia ya escrita, es decir tendrá 50% historia real y 50% ficticio, esto con la finalidad de atraer a más personas interesadas a esta cultura que es la mexica (azteca). Las ideas que se proponen es que contenga la historia con el lenguaje que se ocupaba en ese tiempo, de igual forma la música que se adapte al ambiente y a la his-toria antes mencionada.

Palabras Clave: Realidad Virtual, Aplicación, Enseñanza–Aprendizaje, Cultura.

73

1. INTRODUCCIÓN

El término de Realidad Virtual se puede especificar como una interfaz hombre-máquina que involucra el tiempo real, inmersión e interacción con el mundo virtual a través de múl-tiples canales sensoriales. (Burdea y Coiffet, 2003).

El amplio crecimiento observado en los últimos años se ha convertido en una materia de alta demanda por personas y profesionales alrededor del mundo. Un aprendizaje comple-to requiere de una gran cantidad de conocimientos específicos en áreas muy diversas y difíciles de ajustar. Una correcta relación entre diversas disciplinas que se imparten en las es-cuelas puede resultar esencial para una compresión adecuada de los di-ferentes conceptos que se puedan utilizar. (Propia, 2019)

Otras aplicaciones de la RV las en-contramos en el contexto museístico cuya tendencia es la reconstrucción virtual y creación de espacios con RV inmersiva que permita al usuario te-ner una percepción más real del lugar visualizado. (Aznar et al., 2018).

El objetivo del presente trabajo es de-finir una metodología de enseñanza en la asignatura de historia que vaya relacionada con la Realidad Virtual, de manera que los usuarios puedan ad-quirir conocimientos, conceptos afi-nes a dicha materia de la forma más completa posible. Además, será de gran ayuda para impartir este tema de historia de México de las culturas an-tiguas antes de la conquista española.

En la metodología se describe el pro-ceso la aplicación, con base en los ti-pos de conocimiento que se mencionan en su respectiva sección.

2. METODOLOGÍA

Para la elaboración de la investigación antes mencionada se hará uso de dos tipos de conocimientos, el popular y el científico, dentro del conocimiento popular se utilizará el sentido común para que toda la información recibida a partir del conocimiento científico se exprese de manera espontánea acer-ca de la antigua cultura Mexica.

Lo anterior con la finalidad de pla-nificar y ejecutar dicho proceso del trabajo de manera detallada, precisa y clara.

En un primer momento se describe el problema de estudio dando una ver-sión de hechos y fenómenos de in-terés para los alumnos, académicos y sociedad en general puesto que se explica el cuestionamiento y la pro-blemática de la pérdida del conoci-miento en nuestras antiguas culturas, dimensionando el problema y apo-yándonos en cuadros de estadísti-ca, figuras y diagramas, mismos que ayudarán a responder reflexivamente la pregunta de investigación a partir del estudio cuantitativo y cualitativo.

En un segundo momento, se hará un análisis detallado con los pasos, pro-cedimientos, material y equipo para el empleo de desarrollo de investiga-ción. Incluyendo como recurso hu-mano a investigadores, historiadores,

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antropólogos, pedagogos e ingenie-ros para el área de programación y di-señadores de dibujo. Con estos datos se puede definir el punto de partida que tendrá la aplicación con toda la in-formación recopilada por estas áreas.

Es importante mencionar que la re-colección de datos puede apelar a diversas técnicas como son, obser-vación, entrevistas, entre otras; y se utilizan instrumentos como grabado-ra de audio, cámara fotográfica, visita a museos; dentro del enfoque cua-litativo se realizará una descripción detallada de situaciones, eventos, citas textuales, actitudes, creencias y pensamientos, mismo que dejará en claro los objetivos y etapas de las actividades a llevar a cabo en cada salida de campo.

Como un tercer momento, para la realización del proyecto se trabajó con diferentes herramientas como Unity, Blender y creatividad, con es-tas herramientas se realizó la imple-mentación de un escenario en 3D convertido a Realidad Virtual, dise-ños de bocetos a forma tridimensio-nal para su visualización mediante la aplicación. Esto con la finalidad de presentarlo de forma gráfica para los usuarios, así mismo con los diseños y terrenos desarrollados e implemen-tados al motor gráfico seleccionado.

Las imágenes capturadas y presen-tadas son diseño propio, se puede observar que se trabaja con el mo-tor gráfico Unity para la realización y diseño del terreno donde el usuario podrá interactuar y moverse a través de las gafas de Realidad Virtual con

la extensión del apk (Android Appli-cation Package) que se proporciona por medio del programa Android Stu-dio, el cual es una extensión para los dispositivos móviles con el sistema operativo Android.

A continuación, se presentan algunas figuras del Recorrido interactivo con una breve descripción.

Figura 1. Menú principal (Bosquejo).

Figura 2. Propia, A., 2018. Diseño del Terreno Cultura Mexica. México: s.n.

Figura 3. Representación de una deidad Quetzalcóatl, desarrollado en blender e im-plementado en Unity.

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Figura 4. Representación de una deidad Tlá-loc, desarrollado en blender e implementado en Unity.

Figura 5. Mesa de sacrificios por parte de los aztecas.

Figura 6. Deidad implementada en Unity.

En las representaciones se observa el diseño y renderizado de diseños en 3D de autoría propia, con estas herramientas se realizó un terreno tridimensional tomando como enfo-que el sistema de Realidad Virtual, con la ayuda de Unity con el cual se logró todo esto. Dichas imágenes se

pueden apreciar con mayor detalle en: https://drive.google.com/open?i-d=1UIC3G50KuW2QYHbUFJKN9v2u-5QF8xgff

Con las pruebas realizadas para al-gunos compañeros e integrantes del equipo, la visualización se hace me-diante un dispositivo móvil Android ya que fue el primer aspecto a consi-derar para iniciar la programación en realidad virtual.

Una vez que los usuarios puedan ob-servar el terreno con el dispositivo An-droid y gafas de realidad virtual, den-tro del mismo podrán dar un recorrido a las figuras, mismas que presentan un pequeño dialogo con el usuario dando una breve explicación sobre estas deidades.

En la sección discusión de resultados se analizará la recopilación de los da-tos, impresiones y sugerencias para aplicar al proyecto.


El presente proyecto ha participado en diferentes ferias de ciencia y tec-nología como lo son: la Feria Estatal de Investigación, Innovación y Desa-rrollo. FESIID 2018 y la Feria de Cien-cias e Ingenierías del Estado de Mé-xico. FECIEM edición 2018 y 2019. Durante las exposiciones de dicho proyecto se han acercado empresas buscando crear alianzas y apoyar al desarrollo del proyecto ya sea de ma-nera económica, con recursos huma-nos, etc.

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Además, en la institución donde se presenta el proyecto semestralmente, ha recibido buenas críticas por parte de los evaluadores del INADEM (Insti-tuto Nacional de Emprendedores). Sin embargo, no se ha presentado una posible alianza de colaboración con el Instituto mencionado debido al tema de presupuesto, pero si, han mostra-do interés en esta aplicación con la finalidad de que pueda ser implemen-tada en el proceso enseñanza-apren-dizaje de alumnos de 4° grado de primaria, en el sector turístico y en recorridos museos.

En lo que respecta a los comentarios emitidos por parte de los usuarios; han sido positivos, quienes muestran interés al consultar la fecha en la que la aplicación estará disponible para poder hacer uso de ella. Sin embar-go, aún se está trabajando en los re-querimientos de hardware y software, con la finalidad de que la aplicación pueda ser instalada en la mayoría de los dispositivos, actualmente usados.

Es importante mencionar que el apli-cativo ha presentado bugs, en algu-nas figuras y/o letras, así como tam-bién, se ha observado que la tasa de cuadros (framerate) se ralentiza en ciertas áreas.

Figura 7. Compañero de la institución pro-bando la versión beta del aplicativo con gafas

de Realidad Virtual.

Figura 8. Compañera de la institución proban-do la versión beta del aplicativo con gafas de Realidad Virtual conectado a la computadora.

4. CONCLUSIONES

El aplicativo en Realidad Virtual no es únicamente para entretenimiento o para diseñar videojuegos, sino que se puede implementar con otros fines.

En relación al proyecto presentado, al no disponer de una licencia en el motor gráfico Unity, algunas funcio-nes como son: animación, secuencia y música, etc.

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Con apoyo de financiamiento alguno, ya sea por parte de alguna empresa pública o privada, se logrará una me-jora en el entorno gráfico e inclusión de cinemáticas, obteniendo así, una mejora en la calidad del aplicativo.

Con el beneficio de un financiamiento de empresas tanto privadas y/o pú-blicas, se obtendría un mejor aspec-to y diseño para la visualización ha-cia a los usuarios, equipo de trabajo (Workstation), mejor calidad gráfica e inclusión de cinemáticas a la aplica-ción, para poder así, tener presencia en diferentes partes del país y que las personas puedan tener acceso al mismo. De igual forma, en un futuro se prevé realizar algún tipo de alianza con estas empresas para trabajar al-guna otra cultura en realidad virtual.

El aplicativo a pesar de ser un proto-tipo, cuenta con ideas que ayuden a cautivar al público, algunas de estas opiniones son, composición de mú-sica para el ambiente, lugares repre-sentativos de la cultura azteca, entre otras implementaciones.

Mediante el uso de herramientas de software gratuito ha sido posible de-sarrollar parte del proyecto; insertan-do música, modelos en 3D diseñados en Blender, apoyándose de tutoriales.

Es importante mencionar que se tiene considerado seguir trabajan-do con el contenido de la historia y

narración del protagonista, añadir escenarios y música de acuerdo con la recopilación de información de las antiguas civilizaciones.

El porcentaje de avance obtenido hasta la fecha es el siguiente:

• Escritura de la historia: 5% al 6%.

• Diseños de bocetos a mano: 4% a 5%.

• Diseño de niveles de testeo de bocetos: 10 % al 13%.

Lo anterior, debido a la falta de per-sonal y equipo para poder renderizar y diseñar los personajes dibujados a mano y la falta de importación al mo-tor gráfico que se está trabajando.

Con respecto al porcentaje de desa-rrollo del proyecto hasta este punto en general, es notable que se lleva retraso en las fechas establecidas. Debido a la falta de conocimiento so-bre algunas herramientas y tecnolo-gías que se están manejando para el avance del aplicativo, así mismo, por la carencia de recursos tanto moneta-rios y personal dentro del equipo.

Al realizar las pruebas de la versión beta del aplicativo, se tuvo criticas considerablemente buenas, con re-troalimentación y sugerencias a con-siderarse en aras de una mejora con-tinua, mediante las gafas de realidad virtual conectados al CPU.

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5. REFERENCIAS

» Aznar-Díaz, I., Romero-Rodríguez, J.M., y Rodríguez-García, A.M. (2018). La tecnología móvil de Rea-lidad Virtual en educación: una revi-sión del estado de la literatura cien-tífica en España. EDMETIC, Revista de Educación Mediática y TIC, 7(1), pp. 256-274.

» Burdea, G.C. y Coiffet P. (2003). Vir-tual Reality Technology.Edición 2ª. Wiley India. Asia, pp. 130-143.

» Martínez Pérez, F. J. (2011). Presente y Futuro de la Tecnología de la Reali-dad Virtual. Revista de la Asociación para la Creatividad.16, pp. 39.

» González Muñoz, C.; Gracia Ban-drés, M.A.; San Agustin Grasa, L.; Romero San Martín, D. (2015). Aná-lisis Motores gráficos y su aplicación en la industria. Edición 2ª. Tecs Me-dia. España, pp. 7-14.

» Propia, A. (2019). Diseño del Terreno Cultura Mexica. México: s.n.

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ASISMED SERVICE Servicio de prácticas en las comunidades de escasos recursos

en el área de salud

P. Rodríguez-Cruz, J.L. Soriano-Ávila, A. Diego-Garduño, S. Rosas-Monroy

RESUMEN

Esta investigación es acerca de los estudiantes en el área de salud, enfocada principalmente en el área de odontología, y las personas de escasos recursos de la zona norte del Estado de México. De acuerdo con la encuesta realizada un 82% (Figura 1) de la población no tiene acceso a un servicio médico espe-cializado.

La población de estudio podría atenderse en las universidades de la región donde se oferta la especialidad de odontología y recibir un servicio profesio-nal, sin embargo, no lo hacen principalmente por dos razones: ignorancia o por un trámite tedioso. Y por otro lado tenemos a los practicantes de odontología de dichas universidades con una carencia de pacientes, con quienes puedan realizar sus prácticas, beneficiándose ambos, por un lado, la población de estudio elevaría su salud bucal y por el otro los practicantes adquirirán la ex-periencia necesaria en el ámbito profesional.

Por lo anterior, el desarrollo de una app “ASISMED SERVICE” tiene el objetivo de conectar a la población de estudio con los practicantes de odontología y contribuir a mejorar la comunicación entre ambos permitiendo dar altas y bajas de pacientes, programar citas y mantener un historial del paciente que permita al practicante tener un mejor diagnóstico y dar al paciente consejos del cuidado bucal.

Los métodos que se utilizaron para la realización de la aplicación fueron cua-litativos (observación, entrevistas), y cuantitativos (encuestas, cuestionarios), percatándonos de las necesidades que tienen la población de estudio y los practicantes de odontología.

Palabras clave: Odontología, aplicación, practicantes, escasos recursos, servicio, prácticas, tratamientos.

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1. INTRODUCCIÓN

Se ha encontrado un grave problema con respecto a la adquisición de un servicio odontológico de buena cali-dad y a un precio acorde, siendo una situación que varias personas pade-cen en especial los de escasos re-cursos (Figura 1). Dada esta situación surge la idea de crear una aplicación, la cual contribuye en el mejoramiento de oportunidades de adquirir un ser-vicio odontológico que será brindado por practicantes de dicha profesión.

Actualmente se cuenta con la aplica-ción de IMSS Digital (IMSS, 2017), esta aplicación tienen el inconveniente de que solo genera citas para derecho habientes y no cuenta con el servicio directo de odontología.

Al realizar la búsqueda en diferentes plataformas se encuentran aplicacio-nes similares a la propuesta como IMMS Digital ISSSTE Móvil. Sin em-bargo, estas aplicaciones están diri-gidas a médicos profesionales y tie-nen un enfoque más comercial, que de ayuda a la comunidad.

ASISMED SERVICE conecta a pa-cientes con practicantes, permitién-doles interactuar de forma amigable, aumentando la oferta de los servi-cios dentales tan necesarios para los practicantes de odontología con la finalidad de adquirir experiencia.

2. METODOLOGÍA

Se realizaron encuestas para definir el tipo de servicio médico especia-lizado, las necesidades de los prac-ticantes de las universidades, así como el grado de aceptación de la aplicación dentro de la población de estudio, después se procedió a de-terminar que opciones serian viables para generar el enlace de practican-tes con la población de estudio, de-sarrollando la opción elegida, una vez desarrollada esta opción se procedió a la prueba de la misma y dependien-do de los resultados a su validación midiendo el impacto en la población de estudio.

El estudio se realizó mediante una in-vestigación de campo para determi-nar las necesidades de la población (tipo de servicio), así como los datos necesarios para la obtención de infor-mación necesaria sobre las prácticas clínicas de las diversas escuelas.

Para hacer el enlace entre los pacien-tes y practicantes se contemplaron diversas opciones entre las cuales se encontraron: plataformas online como páginas web, blog, redes socia-les, app, para cubrir esta necesidad, se eligió la aplicación móvil como la mejor opción debido a que hoy en día la población de estudio cuenta con un celular inteligente Smartphone. (Rojas, 2017).

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Para el desarrollo de aplicaciones móviles existen diferentes softwares, los más comunes son: App Inventor, Android Studio, PhoneGap, jQuery Mobile entre otros (Espínola, 2019), se eligió el software App Inventor que es un software creado por Goo-gle Labs Massachusetts Institute of Technology, esta es una herramienta web que utiliza un lenguaje de pro-gramación basado en bloques el cual funciona en sistema operativo An-droid (Sum, 2019).

Para probar el prototipo de la aplica-ción fueron seleccionadas cinco per-sonas de la población de estudio y dos practicantes de una sola institu-ción, con la ayuda del DOE (Designe of Experiment) se procede a la apro-bación del prototipo.

Para realizar las pruebas de la aplica-ción se utilizó el diseño de factorial 2k.

Formula: nk

Dónde: n= número de niveles K= número de factoresPor lo que se decidió que: n= número de practicantes k= número de pacientes =Número de combinaciones

Por lo tanto, se observó que al dismi-nuir un nivel no sería optimo el núme-ro de combinaciones ya que serían muy pocas pruebas, sin embargo, si se aumenta un factor son demasia-das combinaciones (Tabla. 1), por ello se concluyó que dos practicantes y cinco pacientes serían las combina-ciones manejables.

Núm. de Practicantes

Núm. de Pacientes

Núm. de combinaciones

posibles

1 1 1

1 5 1

2 4 16

2 5 32

2 6 64

3 4 81

3 5 243

3 6 729

Tabla 1. Diseño factorial 2k.

Una vez que la prueba cumplió con las expectativas, se procedió a la eta-pa de validación de la aplicación, la cual se hizo mostrando la aplicación a toda la población interesada y su-pervisando su uso durante seis me-ses, al no mostrar inconvenientes se dio por concluida la aplicación.


3.1 Resultado de las encuestas:

Figura 1. Tipo de servicio (Fuente: propia).

82

Figura 2. Necesidades de los practicantes

(Fuente: propia).

Figura 3. Aceptación de la aplicación (Fuen-te: propia).

De acuerdo a las encuestas reali-zadas, es posible concluir que el servicio de mayor necesidad en las comunidades es: el servicio médico odontológico, las personas presentan un gran interés por recibir este servi-cio, por otro lado, los practicantes de odontología demuestran deficiencia en el número de prácticas realizadas ya que no concluyen con las prácti-cas clínicas.

Para hacer el enlace entre los pacien-tes y practicantes se contemplaron diversas opciones, plataformas online como páginas web, redes sociales, app, que cubren esta necesidad, debi-do a que hoy en día la tecnología está a la vanguardia, se optó por desarro-llar una aplicación móvil para Android.

3.2 Desarrollo de la aplicación

El prototipo de la aplicación se co-menzó a realizar con App Inventor y consta de:

Figura 4. Menú principal.

En la figura anterior, los usuarios po-drán ingresar mediante su correo electrónico, Facebook o Gmail. Pos-teriormente se debe realizar el registro correspondiente ingresando los datos como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Registro de alumnos.

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Figura 6. Registro de pacientes.

Para realizar el registro de algún pa-ciente, se debe ingresar la informa-ción solicitada, como se muestra en la Figura 6.

Figura 7. Inicio de sesión del practicante.

En la figura anterior se observa las diferentes secciones como son: con-tactos, servicios, citas, testimonios y galería, mientras que en la Figura 8, se puede observar el entorno grafico del inicio de sesión usuario-practicante.

Figura 8. Inicio de sesión usuario-practicante.

3.3 Prueba de la App

Para probar la App se utilizó el diseño factorial 2k (Salazar, 2012)

Para este diseño de experimentos fueron considerados dos practican-tes (A y B) y cinco pacientes (P.1, P.2, P.3, P.4, P.5), con esto se desarrollaron combinaciones posibles que se mues-tran en la Tabla 2.

Para la ejecución de los elementos y garantizar la aleatoriedad de los mismos se generaron 308 números (Tabla 2) en Excel, con la finalidad de determinar la secuencia de los expe-rimentos, como se muestra en la Ta-bla 3, iniciando con el experimento 23 y finalizando con el experimento 8.

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Tabla 2. Tabla de posibles combinaciones.

No. P.1 P.2 P.3 P.4 P.5 SECUENCIA

1 A A A A A 18

2 A A A A B 14

3 A A A B A 4

4 A A A B B 7

5 A A B A A 28

6 A A B A B 27

7 A A B B A 16

8 A A B B B 32

9 A B A A A 19

10 A B A A B 5

11 A B A B A 24

12 A B A B B 15

13 A B B A A 30

14 A B B A B 3

15 A B B B A 20

16 A B B B B 11

17 B A A A A 22

18 B A A A B 9

19 B A A B A 21

20 B A A B B 12

21 B A B A A 25

22 B A B A B 13

23 B A B B A 1

24 B A B B B 31

25 B B A A A 2

26 B B A A B 8

27 B B A B A 26

28 B B A B B 29

29 B B B A A 10

30 B B B A B 23

31 B B B B A 6

32 B B B B B 17

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Tabla 3. Generación de números aleatorios.

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4. CONCLUSIONES

Podemos concluir que el uso de una aplicación móvil para conectar a pa-cientes con practicante tiene una gran aceptación dentro de la pobla-ción de estudio, así mismo, puede cubrir la demanda de pacientes hacia los practicantes de odontología.

A través de App Inventor se puede generar el prototipo de aplicación móvil para la conexión entre los prac-ticantes y los pacientes, una manera de poder comprobar la funcionalidad de la aplicación es mediante el dise-

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ño de experimentos en este caso fac-torial 2 k.

La liberación de la aplicación para su uso real se realizará una vez validada la etapa de funcionalidad, se piensa que tardará seis meses para poder medir el impacto en la población de estudio.

5. REFERENCIAS

» Espínola, M. G. (2019). 5 softwares para desarrollo de aplicaciones mó-viles. Paredro. [En línea]

» Disponible en: https://www.paredro.com/5-softwares-desarrollo-aplica-ciones-moviles/. [Accesado 01 de abril de 2019].

» Gutiérrez Pulido, H. y de la Vara Sa-lazar, R. (2012). Análisis y Diseño de Experimentos. Capítulo 6. Mc Graw Hill, México, pp. 149.

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Prototipo para la actividad física de infantes autistas de grado moderado

C.A. Hernández-Moreno, R. González-López, E. Reyes-Alarcón, R. Na-va-López

RESUMEN

De acuerdo a Fortea Sevilla et al. (2014), actualmente, el trastorno del Espec-tro Autista afecta a una de cada 700 a 1,000 personas; una de cada 1,000 personas presenta un cuadro de autismo clásico que afecta por lo general de tres a cuatro varones por cada niña a nivel mundial. El principal problema que se presenta en los infantes autistas se refiere al estudio del comportamiento, puesto que se llegan a observar actitudes y actividades que para la mayoría de personas no son adecuadas, siendo mal interpretadas por las personas que desconocen la condición del infante que padece autismo, causando la marginación y aislamiento social lo que deriva en la afectación del entorno familiar. Las propuestas que se han establecido en los centros de atención, es fijar algún horario para la actividad física, sin embargo, el lugar tan pequeño limita la actividad, mencionando que el prototipo presentado no requiere la in-tervención de un especialista por lo cual los familiares pueden asignarle alguna rutina para la actividad física.

El prototipo plantea reunir las características esenciales dictadas por la usa-bilidad para que los infantes autistas, al ser sensibles con el entorno que les rodea, se adapten a la solución tecnológica, aplicando contenidos interactivos multimedia con el propósito de que generen la confianza y alcancen la acep-tación del infante con la ejecución diaria de las rutinas ejercitadoras, toda vez que el aprendizaje en los infantes autistas se alcanza con la ejecución repeti-tiva de las actividades.

Una vez implementado el proyecto se logra identificar que el proceso que pre-senta el infante en su adaptación dentro del entorno donde se desenvuelve es favorable, así como su actividad física para que las habilidades motrices de un niño autista mejoren al momento de desarrollar la rutina asignada de cada día por su terapeuta o su familiar.

Palabras clave: autismo, prototipo, infantes, aprendizaje, habilidad motriz

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1. INTRODUCCIÓN

El problema detectado fue la adapta-ción del infante en el entorno donde se desenvuelve, así como logar el desarrollo de su actividad física día a día, la terapia desde casa y con fami-liares lograra un mejor resultado que si se decidía hacer en una clínica.

En seguida se describirán algunos tra-bajos de investigación, que indican la validez del presente proyecto, así como la importancia e interés dentro de la comunidad científica y del desa-rrollo tecnológico.

Peñalver (2013) con el proyecto de “El niño autista en la clase de educa-ción física: elaboración de un circuito por estaciones”, tuvo como objeti-vo elaborar y aplicar una propuesta practica enmarcada dentro del área de educación física para que las ha-bilidades motrices de un niño autista mejoren, esto a través de un circuito de estaciones.

El circuito ha sido conformado pau-latinamente con el paso de las sesio-nes, incorporando dos estaciones por semana, alcanzando un total de diez tareas, esto lograría la incorporación de actividades físicas a la rutina diaria de estos niños, siendo básica para su desarrollo, así como beneficioso para su estado motriz, de tal forma que este circuito muestra las múltiples propuestas que pueden llevar a cabo los niños con este trastorno.

Adicionalmente, para un infante au-tista, en la sociedad de la información en la cual se desenvuelve, el acceso

a la información y tecnologías emer-gentes les es limitada, puesto que, en algunos casos, cambian sus actitu-des cuando se les presenta algún dis-positivo electrónico atractivo que pu-diesen manejar, pero por otra parte, en la mayoría de las ocasiones no sa-ben cómo administrar correctamente la información de cualquier tipo, por lo cual, los contenidos digitales que existen actualmente en el mercado no pueden ser implementados para todos los niños, puesto que los de-sarrollos no están sustentados en la usabilidad y manejan elementos grá-ficos que inciden negativamente en el espectro sensorial de los autistas.

Un infante autista no siempre logra comprender el tipo de lenguaje con el cual se interactúa en reuniones tan-to familiares, escolares o sociales, ya que en toda comunicación formal e informal existen movimientos corpo-rales que complementan la expresión del lenguaje, por lo cual, si los niños autistas no conocen el significado de algún gesto o ademán, pudieran considerarlo como una agresión o atentado contra su integridad física y emocional, generando el deseo de alejarse inmediatamente del grupo por percibir la intromisión a su zona de seguridad infantil.

Finalmente, una de las grandes dife-rencias que se implementó es la tec-nología de punta para ayudar a per-sonas con capacidades diferentes, el bajo costo que tiene su desarrollo. Así como también la fácil manipula-ción del mismo, sin ser necesario la presencia de un especialista.

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2. MÉTODOLOGÍA

La metodología que se aplicó en el presente proyecto de investigación es Mobile-D que está basada en diver-sas tecnologías como Rational Uni-fied Process, Extreme Programming y Crystal Mehodologies, y su finalidad es obtener pequeños ciclos de desa-rrollo de forma rápida en dispositivos pequeños. Esta metodología se de-sarrolló como parte de un proyecto finlandés, ICAROS en 2004, fue reali-zado por los investigadores del Centro Técnico de Investigación de Finlandia (Werterski, 2009).

Exploración

Esta fase es la encargada de la plani-ficación y reducción de requisitos del proyecto, donde se tuvo la visión com-pleta del alcance del proyecto y todas las funcionalidades del producto.

Para esta etapa se realizaron las si-guientes actividades:

Se establecieron los alances y limita-ciones de la aplicación móvil los cua-les incluyeron brazos y torso.

Se seleccionó el sistema operativo Android en su versión 4.0 pero no se ejecutó para los sistemas IOS.

Se utilizó Android studio para el desa-rrollo de la aplicación y el software de Unity 3D para el modelado de los es-cenarios de la actividad física y el SDK 2.0 para la programación del Kineck.

Inicialización

La fase de inicialización es la im-plicada en conseguir el éxito en las

próximas fases del proyecto, donde se preparará y verificará todo el desa-rrollo y todos los recursos necesarios.

Esta fase se divide en cuatro etapas: la puesta en marcha del proyecto, la planificación inicial, el día de prueba y día de salida. En esta etapa se rea-lizaron las siguientes actividades:

Elección del software a utilizar para la codificación, diseño.

Se adquirió el hardware donde se eje-cutó la aplicación móvil, así como el programa donde se codifico y diseño la interfaz.

Se reunieron todos los recursos tanto lógicos como físicos.

Producción

En la fase de producción, se vuelve a repetir la programación de los tres días, iterativamente hasta montar (implementar) las funcionalidades que se plantearon.


Verificar el funcionamiento de cada parte de la aplicación móvil.

Se programaron los módulos faltantes.

Se hizo el uso de recursos lógicos ex-ternos.

Estabilización

Se llevaron a cabo las últimas accio-nes de integración donde se verifico el completo funcionamiento del siste-ma en conjunto. De toda la metodo-

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logía, esta es la fase más importante, debido a que es la que asegura la estabilización del desarrollo. También se puede incluir en esta fase, toda la producción de documentación.

Se realizó la documentación de todo el sistema.

Se unieron todas las partes de la in-terfaz, el sistema y el hardware para ejecutarlo en la etapa de pruebas.

Se verifico que se ha programado e implementado todo dentro de la apli-cación móvil.

Pruebas

Es la fase encargada del testeo de la aplicación una vez terminada, se rea-lizaron todas las pruebas necesarias para tener una versión estable y final. En esta fase, si nos encontramos con algún tipo de error, se debe proceder a su arreglo, pero nunca se han de realizar desarrollos nuevos de última hora, ya que se rompe todo el ciclo.


Pruebas de software y de hardware para el mejor rendimiento de la apli-cación móvil.

Se evitó el crear nuevos módulos que retrasen la obtención del pro-ducto final.

Se realizaron mejoras a la aplica-ción móvil.

Se realizaron repeticiones del proce-so hasta conseguir una versión esta-ble y eficiente de la aplicación móvil.

Figura 1. Pantalla de la aplicación. (Fuen-

te: propia).

Figura 2. Diagrama de secuencia. (Fuen-

te: propia).

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A continuación, se discuten los re-sultados que se obtuvieron en la realización del proyecto, resaltando el cambio y evolución que ha tenido el proyecto.

Los pacientes que presentan Trans-torno del Espectro Autista de grado moderado, suelen no necesariamen-te requerir la intervención de algún familiar para poder desarrollar sus actividades cotidianas, puesto que la mayoría de las veces suelen con-centrar su atención en algún objeto, lo que permite a los familiares cumplir con sus tareas diarias.

Esto se observa en el análisis del re-activo número 11, ilustrado en las Fi-guras 3 y 3.1.

1.- ¿Intenta que usted preste atención a las actividades que él o ella está ha-ciendo? El siguiente link nos muestra la encuesta aplicada.

https://mega.nz/#!Kc5FXCIa!ykJ49QS-PUPKRRYgz-GcxQoq-gOaUQXJhik-qWAj0d2A4

Figura 3. Resultados de la pregunta 11. (Fuente: propia).

Figura 3.1. Resultados de la pregunta 11. (Fuente: propia).

Las gráficas anteriormente ilustra-das son parte de la investigación del prototipo, mismas que muestran los resultados obtenidos con algunas de las preguntas que fueron contes-tadas por parte de los encuestados mostrando su importancia para el proyecto.

A nivel educativo, los alumnos con TEA (Trastorno del Espectro Autista) pueden recibir una educación inclusi-va en las aulas ordinarias o en centros mixtos, donde se combinan horas de clases ordinarias con otras en grupos reducidos en aulas especiales con maestros y profesionales especiali-zados. En la zona de San Felipe del Progreso prevalece cierta deficiencia en la atención educativa de los infan-tes con TEA (Trastorno del Espectro Autista) con una desviación estándar pequeña. (Tabla 1 y Tabla 2).

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Tabla 1. Resultados antes del prototipo.

Media 15 Rango 2

Moda 1 Varianza 2

Mediana 15 Desviación E. 1.414

(Fuente: propia).

Tabla 2. Resultados de la aplicación del pro-totipo.

Media 15 Rango 1

Moda 1 Varianza 1

Mediana 15 Desviación E. 0.707

(Fuente: propia).

Figura 4. Desarrollo de la solución de softwa-re. (Fuente: propia).

4. CONCLUSIONES

Una vez desarrollado el presente pro-yecto se logró profundizar en aquellos aspectos que influyeron en el trastor-no, así como la implementación de una alternativa que ayudó al desarrollo de las habilidades del infante con TEA (Trastorno Espectro Autista), se logró percibir actitudes específicas presen-tadas por los infantes que lo sufren.

Por lo tanto, después de la investi-gación realizada junto con la infor-

mación facilitada, es posible que se hayan aclarado y resuelto muchas de las complicaciones e incógnitas so-bre este trastorno. Se logró la aplica-ción de una solución tecnológica que es una ventaja en este mundo desa-rrollado, misma que es recomendada para todos aquellos familiares de in-fantes con TEA debido a que permite introducir nuevos desarrollos tecno-lógicos, sustentados en tecnologías emergentes, para coadyuvar a elevar el nivel de calidad de vida tanto de los infantes como de las personas que los rodean, puesto que ahora la percepción que se genera entorno a ellos, es que existen personas en el entorno educativo y científico que contribuyen significativamente en la búsqueda de dicho objetivo.

Después de cierta experiencia con este tipo de infantes, se considera que lo principal es introducirse en su mundo, ellos tienen una visión a veces distinta a la nuestra y por ello debemos de utilizar nuestra empatía. Crear alternativas de ayuda pueden ser significativos para la sociedad ac-tual, en particular a esta parte de la población donde lo más importante es la vida de los niños.

La implementación y ayuda de los co-nocimientos obtenidos sobre el tema, así como del sistema aplicado ayuda-rán a mas infantes con TEA (Trastorno Espectro Autista) no solo en nuestra zona sino de igual manera para otros lugares, se seguirá innovando y mejo-rando para dar mejor atención y cum-plir con los objetivos propuestos.

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El prototipo implementado ha per-mitido resolver áreas de oportunidad detectadas mediante la interacción con infantes autistas, referentes a la necesidad de introducir la activación física como actividad esencial en el desarrollo personal y motriz de los in-fantes. Además, con la introducción de dispositivos móviles, se involucra a los integrantes más jóvenes de las familias, para los procesos de confi-guración y ejecución de la solución tecnológica.

Finalmente, en un futuro inmediato, se pretenden implementar al proyecto módulos adicionales, que, a partir de actividad física, permitan identificar los estados de ánimo de los infantes, problema fundamental encontrado en el tratamiento e interacción con infan-tes que presentan algún tipo de TEA.

5. REFERENCIAS

» Fortea Sevilla, M.S.; Escandell Ber-múdez, M.O. y Castro Sánchez J.J. (2014). Nuevas formas de aborda-je del proceso diagnóstico del TEA después del DSM-5. Revista Infad de Psicología. 1 (1), pp. 1-8.

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» Werterski, A. (2009). Metodología de desarrollo ágil para sistemas móviles: Introducción al desarrollo con An-droid y el iPhone. Adamwesterski. [En línea]. Disponible en:http://www.adamwesterski.com/wpcontent/files/docsCursos/Agile_doc_TemasAnv.pdf [Accesado 27 de marzo de 2019].

http://www.adamwesterski.com/wpcontent/files/docsCursos/Agile_doc_TemasAnv.pdf




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Síntesis de catalizadores heterogéneos de cobalto molecularmente definidos y su evaluación en la reacción de deshidrogenación

L. Marín-Esquivel, L. Moreno-Hernández, R. Barrios-Francisco

RESUMEN

En el presente proyecto se evaluó la posibilidad de sintetizar un catalizador heterogéneo a base de un metal de transición biodisponible como lo es el cobalto, soportado en una superficie de carbono, con la particularidad de que la fijación del centro metálico sobre el soporte se realizó a partir de un com-puesto de coordinación homogéneo de cobalto con ligante 1,10 fenantrolina. Dicho compuesto se adsorbió sobre carbón activado vegetal y posteriormente se sometió a un proceso de pirolisis a 800 °C. El compuesto resultante se ca-racterizó mediante Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Microanálisis Elemental mediante Espectrometría de Energía Dispersiva de Rayos-X (XEDS), que evidenció la presencia de cobalto y nitrógeno como parte de la estruc-tura del material lo que comprueba la fijación del complejo de cobalto sobre el material Carbonoso. Con el catalizador de cobalto fijado en una superficie heterogénea se procedió a probar su reactividad en reacciones de deshidro-genación de amoniaco-borano e dihidropiridinas de Hantszch. Para el caso del amoniaco-borano, se demostró que el catalizador preparado fue activo y se consiguió la liberación de hasta 68% del hidrógeno contenido en dicha molécula (1.8 equivalentes). En el caso de las dihidropiridinas de Hantszch, solo los sustratos menos sustituidos fueron activos en la reacción de deshi-drogenación, y solo con disolventes insaturados como acetona y acetonitrilo. De esta manera se establece la actividad catalítica de un complejo de cobalto homogéneo soportado sobre una superficie heterogénea, lo que abre paso a la síntesis de catalizadores activos a base de metales biodisponibles mucho más económicos y que son activos en procesos de deshidrogenación (generación de hidrógeno).

Palabras clave: Catalizador heterogéneo, catalizador homogéneo, deshidrogenación, dihidro-piridinas de Hantzsch.

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1. INTRODUCCIÓN

Ante la necesidad de hacer más efi-cientes los procesos químicos, don-de se busca ahorrar materia prima, reducir el tiempo de una reacción y aminorar la generación de residuos. Surgen alternativas tales como la utilización de catalizadores, donde cualquier sustancia que modifique la velocidad de una reacción química sin que ella misma sufra alteración se le denomina catalizador (Aguilar y Salmones, 2003). La catálisis he-terogénea tiene la desventaja de ser poco selectiva hacia la formación de un producto específico, además de que es difícil modificar la estructura del catalizador, no obstante, es mu-cho más económica que la catálisis homogénea, además que es muy fá-cil separar el catalizador heterogéneo del producto final. Por otra parte, se sabe que los catalizadores más efi-cientes están fabricados a partir de metales del grupo del platino (rutenio, rodio, paladio, iridio, osmio y plati-no), los cuales son extremadamente caros, tóxicos y difíciles de preparar (Wang y Wang, 2012).

La función catalítica de los compues-tos homogéneos heterogeneizados ha atraído mucha atención, particu-larmente en las últimas dos décadas. Se utilizan tanto en solución como en estado sólido, como catalizadores ácidos y de oxidación. La razón por la cual los catalizadores de este tipo son atractivos es su variedad y alto potencial como catalizadores. (Rado-vic y Rodríguez, 2007).

Por ello es necesario fabricar catali-zadores heterogéneos, que presen-ten mayor selectividad y que estén molecularmente definidos, con lo que se pueda entender el mecanismo me-diante el que realiza la catálisis, ade-más que es necesario emplear meta-les de la primera serie de transición (biodisponibles) que resulten más económicos y menos tóxicos para el medio ambiente (Liu et al., 2009).

Adicionalmente dichos catalizado-res deben ser activos y selectivos en procesos que vayan encaminados a la solución de problemas reales de la sociedad, como lo es la generación de energía, la cual está acompañada de la producción de sustancias con-taminantes y que ponen en riesgo la innocuidad del medio ambiente (Shen y Fan, 2013).

El presente trabajo abordó la opor-tunidad de crear un catalizador he-terogéneo molecularmente definido (catalizadores homogéneos hetero-geneizados) empleando como mate-ria prima un compuesto de coordi-nación homogéneo de cobalto (II), el cual se fijó en una superficie de car-bón activado, con estructura tipo gra-fito, a la cual se incorporó el ligante auxiliar del complejo homogéneo de cobalto (II) con ligante fenantrolina, mediante un proceso térmico, y de esta manera conservar la estructura del catalizador homogéneo, pero en una fase heterogénea, y así aprove-char las bondades de ambos tipos de catálisis. Teniendo como prueba del éxito del catalizador, su evaluación en un proceso de deshidrogenación de moléculas orgánicas, como lo son las

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dihidropiridinas de Hantzsch y amo-niaco-borano.

2. METODOLOGÍA

2.1. Síntesis de complejo [Co(fen)2](OAc)2, (fen=1,10 fenantrolina, OAc= Acetato)

Se preparó una solución acuosa a par-tir de cloruro de cobalto (II) con hidróxi-do de potasio (el cual debe de estar en exceso) para generar hidróxido de co-balto, el compuesto de color verde ob-tenido se centrifuga y se lava con agua para obtenerlo con la mayor pureza posible, posteriormente se le adiciona ácido acético glacial para obtener ace-tato de cobalto, el cual se recristaliza de una disolución de acetona.

Una vez preparado el acetato de cobalto, se mezclan 1 equivalente de Co(OAc)2 con 2 equivalentes de 1,10-fenantrolina en etanol a tempera-tura ambiente en agitación durante 0.5 horas. La disolución paso de un color rojo a rosa, que indica el cambio de complejación del centro metálico. Al acetato de cobalto ya mezclado con Co(OAc)2 y fenantrolina, posterior-mente se agrega el carbón activado y se agita durante 4 horas para adsorber lo más posible el complejo de cobalto sobre el material carbonoso, conse-cutivamente se elimina el disolvente a presión reducida, el material resultan-te se somete a una reacción de oxida-ción térmica a 60°C durante 0.5 horas. La disolución pasó de un color rosa al amarillo, que indica el cambio del complejo del centro metálico

2.2. Síntesis del catalizador soporta-do sobre carbón activado.

Al bisfenantrolinacobalto (II) disuelto en 50 mL de etanol previamente pre-parado, se agregan 686 mg de carbón activado vegetal y se agita durante 4 horas para adsorber lo más posible el complejo de cobalto sobre el material carbonoso, posteriormente se elimina el disolvente a presión reducida y el sólido resultante se somete a un pro-ceso de secado a 60°C durante 2 horas, finalmente pasa a un proceso de pirolisis a 800°C durante 2 horas.

2.3. Caracterización del material pre-parado.

El catalizador obtenido se estudió mediante técnicas como Microsco-pía Electrónica de Barrido (MEB) y Microanálisis Elemental por Espec-trometría de Dispersión de Energía de Rayos-X (XEDS).

2.4. Evaluación del complejo catalí-tico en la reacción de deshidrogena-ción con amoniaco-borano.

Se montó el equipo con reflujo, pos-teriormente se mezcló el cataliza-dor con amoniaco-borano utilizando como disolvente THF para así llevar a cabo pruebas de deshidrogenación con el catalizador sintetizado.

2.5. Evaluación del complejo catalítico en la reacción de deshidrogenación con dihidropiridinas de Hantzsch.

Se montó el equipo a reflujo, poste-riormente se mezcló el catalizador con dihidropiridinas de Hantzsch

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utilizando como disolvente acetona para así llevar a cabo pruebas de deshidrogenación con el catalizador sintetizado evaluando el tiempo, y cargas de la reacción.


3.1. Síntesis del compuesto de coordi-nación de Co (II) con ligante fenantrolina.

Para llevar a cabo la síntesis del com-puesto de Co (II) con el ligante de fenantrolina, se utilizó la metodolo-gía antes mencionada de la cual se obtuvo una solución de color verde, fenómeno que nos permite saber que el Co(OH)2 se está formando de ma-nera adecuada, para posteriormente obtener los cristales de acetato de cobalto tetrahidratado después de agregar ácido acético glacial, para su realización en acetona.

CoCl2(4H2O) Co(OH)2

Esquema 1. Síntesis de hidróxido de cobal-

to (II).

Co(OAc)2(4H2O)

Esquema 2. Síntesis de acetato de cobalto (II) tetrahidratado.

Una vez obtenidos los cristales de acetato de cobalto tetrahidratado se incorporó el ligante 1,10 fenantrolina donde se observó un cambio de co-lor del complejo metálico que va de rosa – amarillo, de donde se obtuvo el acetato de bisfenantrolinacobalto (II) de acuerdo al Esquema 3.

Esquema 3. Síntesis de acetato de bisfenan-trolinacobalto (II).

Co(OAc)2(4H2O) Acetato de bisfenan-trolinacobalto (II)

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El acetato de bisfenantrolinacobalto (II), que se obtuvo se le agrego car-bón activado de acuerdo al Esquema 4, donde se obtuvo un material car-bonoso N-dopado.

Esquema 4. Síntesis del catalizador heterogéneo de cobalto soportado en carbón activado.

Figura 1. Material carbonoso después de la

calcinación fuera del desecador.

3.2. Caracterizaciones mediante téc-nicas espectroscópicas.

Análisis textural mediante Microsco-pía Electrónica de Barrido (MEB)

Figura 2. MEB del catalizador heterogéneo de cobalto a 2,000 aumentos (izquierda) y 5,000 aumentos (derecha).

Mediante el MEB se puede observar que el material sintetizado es de una estructura compacta, sin formas defi-nidas, ni tamaños definidos y que se encuentra en un rango de 5 micras.

Microanálisis elemental mediante (XEDS)

En la Tabla 1 se muestran los resul-tados obtenidos del microanálisis elemental de la muestra por mapeo por zonas.

Como se puede observar en la tabla, el material carbonoso contiene cobalto y nitrógeno, lo que indica que el com-plejo homogéneo se fijó sobre la su-perficie de manera exitosa, el impacto del metal es de gran importancia den-tro de la síntesis del catalizador.

Tabla 1. Microanálisis elemental del cataliza-dor de cobalto.

Figura 3. XEDS del catalizador heterogéneo de cobalto.

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En la Figura 3 se muestra el XEDS del material carbonoso en el que se observa la presencia de las bandas correspondientes a los elementos cobalto, fosforo, oxigeno, carbono presente en el sólido, en el que se pueden destacar tres formas distin-tas del cobalto en la muestra.

Mediante esta técnica espectroscó-pica fue posible determinar que la concentración de cobalto en el ma-terial carbonoso es del 10%, además que se encuentran presentes el nitró-geno que sirve para mantener unido al cobalto en la superficie, y el car-bono que es el material principal que constituye el material preparado.

3.4. Evaluación del complejo catalí-tico en reacciones de deshidrogena-ción con amoniaco-borano.

Para realizar el estudio de deshidro-genación se evaluó la cantidad de hi-drógeno que se formó y el tiempo en el que transcurrió mediante el dispo-sitivo que se muestra en la Figura 4.

a) Matraz bola, (b) Refrigerante recto, (c) Parrilla agitadora, (d) Manguera de conexión, (f) Bureta medidora de gas,

(g) Tina con agua destilada, (h) salida de agua, (i) entrada de agua.

Figura 4. Equipo de deshidrogenación.

Para ello se realizó la reacción de acuerdo a la presentada en el Esque-ma 5. La evaluación de la deshidro-genación de amoniaco-borano con el catalizador heterogéneo de cobalto se pudo, logrando obtener 1.8 de equiva-lencia de los 3 disponibles en la molé-cula ensaya de amoniaco-borano.

Esquema 5. Deshidrogenación de amonia-co-borano con el catalizador heterogéneo de cobalto.

Durante el desarrollo de la reacción, se midió el volumen de hidrógeno que se genera conforme pasa el tiem-po. En la Figura 5 se muestra el volu-men de hidrógeno respecto al tiempo donde se puede observar que en los primeros diez minutos no hay forma-ción de hidrógeno, posteriormente y hasta los 54 minutos, se liberan los 1.8 equivalentes de hidrógeno.

Figura 5. Liberación de gas hidrógeno contra el tiempo.

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Para determinar la velocidad de des-hidrogenación se consideran la zona lineal que corresponde a una veloci-dad de 0.98 mL de H2/min como se observa en la Figura 5.

De esta manera se determinó que el catalizador heterogéneo a base de cobalto, fue capaz de llevar a cabo la reacción de deshidrogenación de amoniaco-borano en condiciones suaves de reacción y tiempos cortos, donde se obtuvieron 1.8 equivalentes de los 3 disponibles en la molécula amoniaco-borano, es decir se libera el 68% de hidrógeno con el uso del catalizador, además de ser activo en la deshidrogenación de dihidropiridi-nas de Hantszch no sustituidas en la posición 4.

3.4. Evaluación del catalizador hete-rogéneo de cobalto en la reacción de deshidrogenación con Dihidropiridi-nas de Hantzsch

Para determinar la actividad del cata-lizador de cobalto en reacciones de deshidrogenación, se hizo reaccio-nar una serie de dihidropiridinas de Hantszch a temperatura de reflujo de acetona de acuerdo a la reacción del Esquema 6, en un sistema de reflujo como el que se muestra en la Figura 6.

Esquema 6. Reacción general de deshidroge-nación de dihidropiridinas.

a) Matraz de bola, b) refrigerante rec-to, c) parrilla de agitación d) entrada de agua fría, e) baño maría, f) soporte universal, g) pinza de 3 dedos, h) sali-da de agua fría, i) tapón de vidrio.

Figura 6. Dispositivo pera la reacción de deshi-drogenación con dihidropiridinas de Hantzsch.

4. CONCLUSIONES

Partiendo del empleo de materias primas accesibles fue posible sinte-tizar el precursor acetato de cobalto tetrahidratado a partir de cloruro de cobalto tetrahidratado.

La incorporación del complejo [(fen)-2Co](OAc)2 se llevó a cabo sobre el carbón activado, en un medio de ca-lentamiento durante 2 horas.

Se logró preparar una especie cata-lítica homogénea heterogeneizada, donde el centro metálico de cobalto es adherido a una superficie carbo-nosa que permite tener las bonda-des de los dos tipos de catalizadores existentes, al estar N-dopada.

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Los ensayos de deshidrogenación de amoniaco-borano mediante el em-pleo del catalizador heterogéneo de cobalto, resultó eficiente, siendo ca-paz de liberar hasta 1.8 equivalentes de hidrógeno, de los tres equivalen-tes disponibles, a una concentración de 3.5 mol% y a un tiempo relativa-mente corto.

Por lo tanto, el cobalto resultó ser efi-ciente en el proceso de deshidrogena-ción de amoniaco-borano, con resul-tados comparables a los resultados reportados en la literatura, y que ge-neralmente emplean metales precio-sos como el rutenio, paladio o rodio.

Las dihidropiridinas de Hantszch no sustituidas pueden ser deshidrogena-das en su totalidad con el complejo de cobalto adherido a la superficie carbo-nosa, solo si se emplea un disolvente insaturado como acetona o acetonitrilo.

Es posible llevar a cabo un proceso de obtención de hidrógeno de mane-ra económica a partir del empleo de un metal biodisponible y económico, lo que brinda la oportunidad de ge-nerar estrategias sencillas para el al-macén y obtención de energía limpia.

5. REFERENCIAS

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Modelado matemático de la liberación de proteína en matrices de quitosano-tripolifosfato

M. Aguilar-Pérez, K. Soto-Blas, A. Ordaz-Cortés

RESUMEN

Recientemente se han retomado los estudios sobre la encapsulación de com-puestos activos, sin embargo, este enfoque ha cambiado con las tecnologías emergentes y se ha centrado en la nano encapsulación de compuestos como proteínas que tengan fines terapéuticos. La liberación esporádica y contro-lada del compuesto es un paso crítico para la efectividad del proceso, por otro lado, al tratarse de matrices poliméricas como es el caso del quitosano (CS) con tripolifosfato (TPP) es mucho más sencilla su degradación para el ser humano, sin embargo, conlleva otros obstáculos al momento de hacer una modelación matemática. En el presente trabajo se trabajarán con los mo-delos matemáticos convencionales, se ajustarán a experimentos realizados con nano encapsulaciones de la proteína BSA. Al obtener los coeficientes se podrá realizar un análisis para describir las características antes descritas a su vez se estudiará con dos ecuaciones propuestas por los autores, la cual está inspirada en la cinética enzimática (Michaelis-Menten) y la otra en una función sigmoidal modificada.

Palabras clave: Nanopartículas, Modelado matemático, Quitosano, Tripolifosfato.

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1. INTRODUCCIÓN

El propósito principal del modela-miento matemático del proceso de liberación de proteínas es el caracte-rizar el comportamiento de las nano-partículas bajo condiciones preesta-blecidas con el objetivo de corroborar y comparar el mecanismo teórico de esta liberación, paralelamente poder determinar las mejores condiciones para una nanopartícula, incluyendo el tamaño y la proporción CS:TPP. Se va a encapsular BSA (albumina de suero bovino) la cual tiene un peso molecu-lar de 66 kDa.

Esto último con el objetivo de lograr una mejor difusión en un intervalo de tiempo. Los modelos para nano-partículas generalmente describen el tipo de difusión que lleva a cabo el compuesto activo a través de la ma-triz en el fluido donde se encuentre. Para estas características, un modelo como Korsmeyer-Peppas es utilizado para describir el comportamiento de un transporte Fickiano, no Fickiano y anómalo en relación con el valor del exponencial n (Ramteke et al., 2014).

Por otro lado, existen modelos que describen la cinética entre la matriz, el compuesto activo y el fluido donde se encuentra la nanopartícula. Para este tipo de propiedades el modelo Kopcha o el modelo Peppas-Sahlin son útiles para la descripción de este fenómeno conocido como erosión y difusión, de igual forma se incorpo-ra un factor de relajación de polímero (López, 2011).

Existen otro tipo de modelos como Gompertz que cuenta con 3 paráme-tros para describir la difusión del com-puesto activo, así como el tiempo de liberación del mismo. Este modelo se utiliza cuando el compuesto activo tie-ne una buena solubilidad, cuando exis-te una tasa de liberación intermedia y una disolución máxima asintótica.

Un aspecto importante que se tiene que considerar en la evaluación de la liberación de proteínas es la naturale-za de la matriz, el CS es un polímero natural que en un medio a pH fisiológi-co y a 37 ºC es degradado a monóme-ros, por lo que se puede asumir que la erosión tiene una tasa constante.

Este factor tiene que ser considerado como parte del modelo de Katzhend-ler, derivado del modelo de Hopfen-berg, tomando en cuenta la erosión axial y radial. La única consideración extra para resolver este modelo es el requerimiento de conocer el radio y el grosor de la nanopartícula, por lo que las mediciones de TEM y poten-cial zeta, son necesarias (Ramteke et al., 2014).

Para facilitar la medición de la frac-ción de proteína liberada, se propone un modelo basado en la cinética enzi-mática de Michaelis-Menten con el fin de describir los fenómenos de libera-ción de proteínas. Los coeficientes descritos en esta ecuación le darán un enfoque de concentración máxi-ma (Lmax) cuando el tiempo tiende al infinito, así como el coeficiente (kl) el cual describe el tiempo para alcan-zar la mitad de la fracción máxima. Aunque estos coeficientes describen

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propiedades simples de la encapsula-ción, el ajuste a los datos sin proce-sar podría ser más preciso que otros modelos y para uso terapéutico, esto con el fin de conocer el coeficiente k donde puede ser útil para realizar pro-tocolos toxicológicos y determinar la dosis óptima (López, 2011).

Finalmente, para caracterizar el com-portamiento de las nanopartículas durante el proceso de liberación en medio fisiológico a 37ºC, el análisis se realizará utilizando los siguientes modelos: Korsmeyer-Peppas, Gom-pertz, Kopcha y dos modelos pro-puestos, una modificación de la ci-nética tipo Michaelis-Menten y otro siendo una modificación de una fun-ción sigmoidal.

2. METODOLOGÍA

Los valores para la caracterización del perfil de liberación estarán dados por los ajustes a los valores experi-mentales. En la Tabla 1 se observan los modelos a utilizar y el significado de sus constantes.

Tabla 1. Modelos de liberación

La evaluación de la liberación de pro-teína será mediante la obtención de la eficiencia de disolución (D.E.) que se definen como la integral del mode-

lo de liberación desde 0 hasta el tiem-po final, todo dividido entre el tiempo de liberación. Se puede integrar cual-quier función de la Tabla 1.

(1)


Se realizaron las curvas de libera-ción de BSA durante 24 horas, los datos fueron recopilados, se saca-ron promedio de las absorbancias, finalmente se sacaron las fracciones liberadas y se realizó la siguiente gráfica (Figura 1) con los ajustes de los distintos modelos propuestos.

Los datos obtenidos de la curva de liberación serán ajustados a los mo-delos en la Tabla 1 utilizando la herra-mienta “Solver” de la paquetería de Microsoft Excel. La bondad de ajuste será dada por la suma de error cua-drático medio (RMSE).

Al final se realizará una prueba de sensibilidad del modelo propuesto, para esto se harán variaciones de -30% hasta 30% del valor obtenido de kl,

Lmax, μ,τ, φ y ω. Posteriormen-te se evaluará toda la curva con cada uno de esos valores hasta obtener otro RMSE de la variación, el cual posteriormente será dividido entre el RMSE del modelo y graficado contra el porcentaje de variación propuesto, esto permitirá ver que tan sensible es la constante propuesta y que no de la misma respuesta al adquirir otro valor.

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Figura 1. Curva de liberación de BSA.

Posteriormente, se utilizó el softwa-re Excel y su herramienta “Solver” para obtener los parámetros de todos los modelos (Tabla 2), teniendo como condición la reducción del RMSE al mínimo valor posible, se obtuvieron los siguientes parámetros en el ajuste.

Proteína Modelo Parámetro Valor Unidades D.E. (%) RMSE

BSA

Korsmeyer- Peppas

kkp0.155 hr-n

39.1 0.0403

n 0.3955

KopchaA 0.122 hr-0.5

38.85 0.0499

B 0 hr-1

Michaelis- Menten

Modificado

KL4.646 hr

38.8 0.01502

Lmax0.6 -

Gompertz

a 0.436

38.4 0.0076β 3.638

γ 0.545 hr-1

Sigmoidal modificada

μ 0.3443

38.6 0.00317

τ 2.672 hr

φ 1.125 hr-1

ω 0.00604 hr-1

Tabla 2. Coeficientes de modelos.

3.1 Caracterización de liberación

A continuación, se describe el signi-ficado de los coeficientes obtenidos para poder hablar un poco más del fenómeno de liberación que sufre el BSA en las nano cápsulas de CS-TPP.

3.1.1 Korsmeyer-Peppas

En el caso del modelo de la potencia, se obtuvo un valor de n menor a 0.5, el cual es el mínimo para poder describir un modelo como fickiano, haciendo revisión de literatura se encontró que al tener valores inferiores se pueden concluir 2 cosas: la primera es que la penetración del medio de libera-ción al interior de la matriz es baja. La segunda, es que al tener un valor así, se puede describir el mecanismo de difusión como un pseudo-fickiano, este tipo de difusión que se presenta afectará al análisis de otros modelos, principalmente el de Kopcha el cual será descartado debido a n<0.5, se descartan en automático los mecanis-mos de difusión debido a erosión del polímero. Esta última suposición fue corroborada al obtener el valor de 0 en una de las constantes del modelo de Kopcha, la que hace alusión a la constante de relajación de polímero.

3.1.2 Kopcha

Para el caso del modelo de Kopcha, y como es mencionado en el apartado anterior, se obtuvo un coeficiente de 0 para la constante B, lo cual se tra-duce a que no hay un fenómeno de relajación por parte de la nanopartí-cula y automáticamente se vuelve un fenómeno de difusión y convirtiéndo-se así, en el modelo de Higuchi, que es el que estudia únicamente com-portamientos de difusión en este tipo de cinéticas.

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3.1.3 Gompertz

Este modelo es considerado el me-jor de todos los propuestos, teniendo la suma del error más baja, el único defecto del modelo es que, según los datos obtenidos, predice una frac-ción menor liberada. En este caso se debe al coeficiente ya que cuando el tiempo tiende al infinito, este co-eficiente hace alusión a la fracción alcanzada. Por otro lado, explorando la constante y se puede obtener el valor de 50% de fracción utilizando la siguiente fórmula:

(2)

Con esta fórmula obtenemos que el tiempo de liberación al 50% es de 3 horas. La siguiente propiedad del modelo es que nos puede dar infor-mación sobre el punto donde se li-bera la mayor cantidad de proteína y de cuanto es este cambio; con la siguiente formula:

(3)

En este caso ambas fórmulas nos dicen que a las 2.37 horas se libera una diferencia de fracción máxima de 0.026, que se traduce al 2.6% de la liberación total. Estas propiedades son de gran utilidad en la dosificación y monitoreo de liberación de algún compuesto. Debido al tipo de pará-metros utilizados por Gompertz los cuales, al tener el número de Euler involucrado, la transición (curva) es

mucho más precisa que los demás modelos. Sin embargo, se vuelve un modelo poco útil cuando se busca establecer fracción en las últimas fa-ses de liberación.

Propuesta: Michaelis-Menten Modifi-cado

En el caso de la propuesta de una ecuación tipo Michaelis-Menten apli-cada a liberación de compuestos en-capsulados, esta provee información de manera mucho más directa que Gompertz, por ejemplo, el valor de es el valor de la liberación del 50% de la fracción máxima a liberar, por otro lado, el valor de es la fracción máxi-ma a liberar cuando el tiempo tiende al infinito. En este caso la es diferen-te en comparación de la obtenida por el modelo de Gompertz, debido a la naturaleza del modelo propuesto. Sin embargo, este modelo es más preci-so al momento de la predicción de la fracción total liberada, en términos porcentuales: Gompertz es 10% me-nor al valor experimental. Además, el modelo propuesto es solo 3.5% su-perior al valor experimental.

3.1.5 Propuesta: Aguilar-Soto (Sig-moidal modificada)

Para este modelo considerado el de mayor impacto en el trabajo, se buscó mezclar las características del modelo de Gompertz y del modelo de Michae-lis-Menten modificado, por lo que en la propuesta nombrada “Aguilar-Soto” se hace notar que se divide en dos partes: la curva exponencial que al igual que el modelo de Gompertz nos ayuda a modelar en fases tempranas

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de la curva y por otro lado se agregó un término lineal el cual ayuda a la predicción en la fase posterior.

Sin embargo, una de las desventajas del modelo es que no se puede pre-decir el valor máximo de liberación, ya que el término lineal no permite que haya una asíntota en ningún momen-to, lo cual causa que se ajuste única-mente a los datos experimentales ob-tenidos, más no se podrá extrapolar del mismo.

Otra de las ventajas que se puede no-tar es la superioridad que tiene este modelo en cuestión del , ya que se pudo obtener un error casi 2.4 veces más pequeño al que se obtuvo con Gompertz, siendo el que mejor se ajusta a la mayoría de las cinéticas y convirtiéndolo así en el modelo con mejor ajuste.

La parábola de la exponencial, mos-trada en la Figura 2 corresponde a la fracción máxima liberada en lo que se denomina el cual es representado con una en este modelo, parecida a la obtenida en el modelo de Gompertz, solo que en este caso se cuenta con un valor directo, por lo tanto, ningún cálculo tiene que realizarse.

Figura 2. Comparación de diferencia de mo-

delos Aguilar-Soto vs Gompertz

Para saber cuál es la fracción libera-da al momento de solo se debe de utilizar la siguiente fórmula:

(4)

Con esta fórmula, hasta ese mo-mento se había liberado una frac-ción de 0.1883 que corresponde aproximadamente al 40% de la libe-ración alcanzada.

Siguiendo con el valor de , corres-pondiente a una tasa de liberación relacionada a la diferencia entre el tiempo y , hasta el momento no se ha encontrado la forma para describir al-gún aspecto de la cinética.

En el caso de , tiene un significado parecido que en el modelo de Gom-pertz, el cual es la máxima fracción li-berada, pero en este caso únicamen-te en lo que corresponde a la fase sigmoidal, si se quisiera obtener una aproximación de la fracción máxima liberada se debería utilizar la siguien-te fórmula:

(5)

Siendo el valor del tiempo final de la cinética, en este caso, se obtuvo un valor de 0.4893 aproximadamente. Para poder analizar que tan buenos son los parámetros del modelo y ase-gurar que no hay mezcla de valores que nos puedan dar los mismos re-sultados, se realizó la siguiente gráfica (Figura 3) de sensibilidad del modelo.

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Figura 3. Variación de parámetros para sensibilidad

En los tres casos se observa que se forman parábolas con cruce en el eje “y”, específicamente en el valor de 1, lo cual corrobora que estos parámetros al tener variaciones de los parámetros, la suma del error incrementa en referen-cia con la calculada usando la herra-mienta de Excel, esto a su vez nos per-mite saber que no hay combinaciones diferentes de valores que nos puedan ofrecer los mismos resultados.

Sin embargo, en el caso de es un va-lor que se puede modificar más o me-nos y no hay una gran modificación en la suma de error, este parámetro lo que hace es arrastrar la curva sobre el eje x sin modificar la forma de la misma. Conforme se aumenta el valor de el desplazamiento se vuelve me-nor. Este factor va a repercutir direc-tamente en el modelo, a esto se debe la diferencia entre las magnitudes de los coeficientes que se observan en la Tabla 2.

4. CONCLUSIONES

Con los resultados obtenidos, se han podido contrastar los modelos con-vencionales y las propuestas actua-les, haciendo notar que los primeros

son enfocados en fenómenos difu-sivos derivados de leyes físicas, sin embargo, carecen de propiedades prácticas, como lo son tiempos de liberación medio y predicción de libe-ración máxima.

El modelo nombrado “Aguilar-So-to” ha demostrado superioridad es-tadística en el ajuste a los valores experimentales, mostrando que los coeficientes obtenidos tienen un uso práctico, valores que los modelos convencionales no poseen.

Finalmente, es imperativo seguir estu-diando estos modelos y la teoría de encapsulación, para poder desarro-llar modelos más complejos donde se puedan incluir propiedades fisico-químicas de los materiales.

5. REFERENCIAS

» López, P. (2011). Preparación, ca-racterización y evaluación biológica de nanopartículas poliméricas para la liberación controlada del paclitex. Te-sis de Doctorado. Universidad Com-plutense de Madrid.

» Ramteke, K.; Dighe, P.; Kharat, A. y Patil, S. (2014). Mathematical Mo-dels of Drug Dissolution: A Review. Scholars Academic Journal of Phar-macy. 3 (5), pp. 388-396.

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Estrategias para la preservación de insectos benéficos en un sis-tema de producción agrícola, en el Estado de México

A.K. Granados-Mayorga, I.Y. Reyes-Urban, M.E. Ramírez-Reyes, Y. Hernán-dez-Bustamante

RESUMEN

La agricultura es una actividad que impacta directamente al ambiente, al ge-nerar acciones que atentan contra la diversidad de especies y los servicios ecosistémicos. En la actualidad un problema global que preocupa a la socie-dad es la pérdida de insectos benéficos. Por lo que, es necesario modificar las técnicas de producción agrícola con las que se minimice dicho impacto. En la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán, se estableció una parcela experi-mental, con un cultivo de girasol; con el objetivo de establecer estrategias para la preservación de insectos benéficos en este sistema de producción agrícola, en el Estado de México. En el ciclo Primavera-Verano (P-V) 2018, se realizó el monitoreo y colecta de los insectos que visitaron al girasol en la etapa de floración, para su posterior identificación taxonómica. En el año 2019, se esta-blecieron técnicas para el control de insectos plaga (policultivos, asociación de malezas) y la aplicación de insecticidas y repelentes orgánicos, con las cuales se ocasione el menor impacto al ambiente y a los insectos benéficos presen-tes en el cultivo. En total se identificaron 22 insectos distintos hasta nivel de especie, de los cuales los insectos que más visitas tuvieron en el cultivo fueron polinizadores. Respecto a los insecticidas empleados no ocasionaron un daño grave en contra de este grupo de insectos, con excepción del tratamiento Or-gain Oil, el cual si tuvo un efecto repelente contra los polinizadores; por lo que en época de floración es el único que no se recomienda utilizar.

Palabras clave: Preservación, insectos benéficos, agricultura.

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1. INTRODUCCIÓN

La agricultura es una actividad que ha ejercido un efecto importante so-bre el clima, los ciclos del agua, el carbono y el nitrógeno, las emisiones de gases de efecto invernadero y la biodiversidad (Paruelo et al., 2005).

En un sistema de producción agríco-la, el papel de los insectos es fun-damental, debido a las relaciones tan evolucionadas que se han es-tablecido entre insectos y plantas. Asimismo, se presentan diversos problemas fitosanitarios, entre los que destacan algunas plagas de in-sectos que afectan su productividad o la calidad de la cosecha.

Sin embargo, la presencia de diferen-tes organismos y recursos endóge-nos en cierto grado de equilibrio en los ecosistemas agrícolas es indis-pensable; no obstante, la agricultura intensiva implica una reducción de los mismos al remplazar las pobla-ciones naturales existentes (Vargas et al., 2017).

En este sentido, un problema global que preocupa a la sociedad es la pérdida de insectos benéficos o de polinizadores, específicamente las abejas; ya que más del 60% de los cultivos necesitan de la polinización entomófila; si esto persiste aproxima-damente un tercio de los cultivos que se consumen tendrían que ser polini-zados por otros medios o producirían una cantidad de alimento significativa-mente menor (Garibaldi et al., 2016).

En particular, los insecticidas son el riesgo más directo para los poliniza-dores. Como su nombre lo indica, se trata de sustancias químicas dise-ñadas para envenenar insectos. Los insecticidas se aplican ampliamente en torno a los cultivos, lo que equiva-le a un descontrol poblacional ento-mofaunístico; aunque el papel relati-vo de los insecticidas en el descenso global de las poblaciones de polini-zadores esta poco definido, es cada vez más evidente que algunos, en concentraciones aplicadas de forma rutinaria en la agricultura intensiva, ejercen claros efectos negativos en la salud de los polinizadores, tanto a nivel individual como en la colonia. Por lo que es de vital importancia generar datos precisos que permitan alcanzar conclusiones firmes sobre el estado de los polinizadores glo-bales en términos de abundancia y diversidad (Greenpeace, 2013).

Para el girasol, los insectos represen-tan la perpetuidad de la especie, ya que sin ellos la polinización no pudie-ra ocurrir. La coloración y morfología de las flores que integran el capítulo, indican que es una especie mayorita-riamente polinizada por insectos diur-nos (McGregor 1976; Torretta et al., 2009) indicó que el principal agente polinizador es la abeja europea (Apis mellifera L.), aunque otras especies de abejas también están involucra-das; en el sudoeste de los Estados Unidos se colectaron 412 especies de abejas en capítulos de girasol (Hurd et al., 1980).

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Por lo que en el año 2018 se comen-zó un proyecto de monitoreo de in-sectos diurnos en el girasol, con el objetivo de establecer estrategias para la preservación de insectos be-néficos en un sistema de producción agrícola, en el Estado de México.

2. METODOLOGÍA

2.1. Localización del área de estudio

La región donde se estableció el presente proyecto se encuentra en el municipio de Cuautitlán Izcalli en el Estado de México, en la longitud Oeste 99°11´42´´ y en la latitud norte 19°41´35´´ a 2,256 metros sobre el ni-vel del mar (m.s.n.m.). Esta zona de estudio se caracteriza por tener un clima templado subhúmedo; el más seco de los subhúmedos, con lluvias de verano, una temperatura prome-dio de 15.2 °C; una precipitación pro-medio de 637.6 mm; la presencia de heladas principalmente en la época de invierno y un promedio de 47 días nublados (Rodríguez, 2014).

El desarrollo del proyecto fue realiza-do en dos fases: la primera en el ciclo primavera-verano (P-V) 2018, con el monitoreo y colecta de insectos re-gistrados en el cultivo de girasol ese año. En la segunda parte, se genera-ron estrategias para preservar los in-sectos benéficos (registrados el ciclo productivo anterior) dentro de este sistema de producción (policultivo), con especies como: girasol, calaba-za, frijol y maíz.

La parcela experimental fue la misma del 2018 y se ubica dentro de las ins-talaciones de la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán, UNAM.

2.2. Monitoreo en el cultivo e identi-ficación taxonómica de los insectos

En el ciclo P-V 2018, se realizó una colecta y monitoreo durante 72 días, a partir del 11 de agosto de 2018, momento en el cual el girasol inició la etapa de floración. El método em-pleado para monitorear a los insectos fue a través de la observación direc-ta, proceso en el cual se registró al insecto y la etapa fenológica en la que se encontraba el cultivo según (Siddiqui et al., 1975), en un horario de 7:00 a.m. a 6:00 p.m. Asimismo, se tomaron fotografías de los insectos.

Las colectas de insectos fueron rea-lizadas con base a lo indicado por Campos (2017) y la identificación ta-xonómica se llevó a cabo en el Labo-ratorio de Entomología de la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán, basada en Campos (2017) y Brown et al., (2010). Lo anterior con el fin de generar una base más completa, en dos ciclos productivos.

2.3. Estrategias de preservación y control de insectos

En el ciclo P-V 2019, se estableció una parcela con un diseño experimental en bloques completos al azar. La unidad experimental constó de cuatro surcos de 10 m de largo, con tres repeticio-nes. La siembra del girasol (SYN 3950

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HO) y los cultivos asociados se realizó el 11 de junio de 2019.

Las técnicas que se emplearon para la preservación de los insectos fueron:

a. Asociación de cultivos (atractivos florales y repelentes) girasol-calaba-za-frijol-maíz-haba-cebolla.

b. Barreras parcelarias con cultivos de porte alto: girasol-maíz.

c. Presencia de arvenses después de un período crítico en el cultivo.

d. Aplicación de insecticidas y repe-lentes orgánicos que no impactan en la entomofauna benéfica.

Para el caso de la aplicación de in-secticidas, se evaluaron los siguien-tes tratamientos (químicos y orgáni-cos) en la etapa vegetativa, previo al inicio de la floración:

• Neem All: a una dosis de 1.5 l ha-1

• Orgain oil: a una dosis de 1.2 l ha-1

• Bio capsi: a una dosis de 1.3 l ha-1

• Bio-canela: a una dosis de 1.5 l ha-1

• Karate (testigo): a una dosis de 1.3 l ha-1

Las variables a evaluar fueron las si-guientes:

a. Número de visitas previa a la apli-cación de insecticidas.

b. Número de visitas posterior a la apli-cación de insecticidas. En el que se contabilizo insectos en sus distintas funciones ecológicas como son: de-predadores, parasitoides, polinizado-res e insectos plaga.


En total se identificaron a nivel de es-pecie 18 insectos distintos en la eta-pa de floración del girasol, los cuales se categorizaron según sus hábitos y función ecológica (Tablas 1 y 2).

Los grupos categorizados por su fun-ción ecológica fueron seis, los cuales son: parasitoides, polinizadores, de-predadores, defoliadores, fitófagos y chupadores. El grupo más diverso fue el de los chupadores seguido por defoliadores y polinizadores.

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Tabla 1. Insectos benéficos registrados en la etapa de floración en el girasol cultivado en Cuautitlán Izcalli, Estado de México.

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Tabla 2. Insectos plaga registrados en la etapa de floración en el girasol cultivado en Cuautitlán

Izcalli, Edo. de México.

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Los insectos que recurrentemente se presentaron en el ciclo P-V 2018, fueron los polinizadores; el cantárido Chauliognathus hastatus fue la espe-cie más activa en toda la etapa de flo-ración, seguida por Apis mellifera L., lo que complementa lo mencionado por McGregor (1976) quien reportó sólo a A. mellifera L. como el único polinizador del cultivo de girasol.

Respecto a los depredadores, la espe-cie que más se presentó fue el coleóp-tero Coccinella septempunctata mejor conocidos como catarinas. De las es-pecies plaga, el díptero Neotephritis finalis y el coleóptero Diabrotica spe-ciosa, fueron los más observados.

Apis mellifera L. estuvo presente en diferentes períodos durante el día, mientras que Chauliognathus hasta-tus se queda gran parte del día en el mismo capítulo.

Respecto a las especies catalogadas como plagas de importancia econó-mica, la mosca del fruto (Neotephritis finalis) se encontró desde el inicio de la floración a la maduración.

En relación a la frecuencia de insec-tos registrada en el ciclo P-V 2019, el tratamiento donde se encontraron

menor número de insectos benéficos fue el bio capsi compuesto principal-mente a base de Capsicum annuum L. (chile), Allium sativum L. (ajo) y Cinnamomum verum J. (canela) (Fi-gura 1 y 2).

La incidencia de insectos plaga pre-vio a la aplicación de los tratamien-tos, fue mayor al 80% respecto a los insectos benéficos. Posterior a la aplicación de los tratamientos esta tendencia se conservó hasta el se-gundo día después de la aplicación.

El declive de insectos plaga se ob-servó en el último día de medición, correspondiente a la fecha del 06 de septiembre; fenómeno que ocurrió en todos los tratamientos. Caso contra-rio, los insectos benéficos no presen-taron esa tendencia. Sin embargo, en el tratamiento Orgain Oil (compuesto a base de H. annuus L. (girasol) y A. sativum y Lippia graveolens Kunth (orégano); si se observó un efecto re-pelente respecto a los benéficos en esta misma fecha (Figura 2).

La mosca del capítulo o mosca del fruto (Neotephritis finalis) fue la espe-cie de mayor incidencia en todos los tratamientos orgánicos con excep-ción del químico.

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Figura 1. Frecuencia de insectos plaga y benéficos previo a la aplicación de los trata-mientos.

Figura 2. Frecuencia de insectos plaga y benéficos posterior a la aplicación de los trata-mientos.

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Posterior a la aplicación de los trata-mientos se observó un decremento de los insectos plaga y un incremento en los benéficos, sobre todo polini-zadores, esto se debe a que previo a la aplicación de los insecticidas la planta se encontraba en la fase de abotonamiento, y al momento de la aplicación comenzó la floración. Por lo que el cultivo ya era más atractivo a los polinizadores.

El orden de mayor diversidad en el ci-clo P-V 2019 fue hymenóptera, esto se debe a que en términos agronó-micos fue un año atípico en la pro-ducción de cultivos de temporal en la zona, debido a la drástica dismi-nución de la precipitación anual. Por lo que los insectos son obligados a buscar alternativas o nuevas opcio-nes para su alimentación, como fue el caso de este orden.

Los hemípteros comúnmente llamados chinches, fue el orden que más dañó al cultivo en el último ciclo, ya que no solo consumió la savia de la planta, también fue un foco de dispersión de vectores de enfermedades que en algunas plan-tas causo su fenecencia.

En total las especies benéficas fueron 10, de tres funciones ecológicas distin-tas, que representa un grupo importan-te de insectos dentro de los sistemas de producción y de los ecosistemas.

Una de las etapas más críticas para el girasol es la maduración de semillas, ya que es susceptible al ataque de plagas (insectos, roedores y pájaros); ante esto, la asociación arvenses-gi-

rasol, demostró múltiples beneficios, ya que no solo fue alimento de insec-tos fitófagos, también brindó alimen-to a los polinizadores que siguieron visitando el agroecosistema.

4. CONCLUSIONES

El sistema de producción empleado en este proyecto (policultivo), tiene un gran impacto en la biodiversidad de insectos asociados a este agroeco-sistema. Por lo que queda demostra-do que es una alternativa para los sis-temas de producción intensivos, que estén interesados en preservar a los insectos benéficos.

En total se identificaron veintidós in-sectos distintos hasta nivel de espe-cie, de los cuales tres son categorías de insectos benéficos necesarios en un sistema de producción, estos fue-ron, polinizadores, parasitoides y de-predadores. La mayor incidencia fue de los polinizadores (principalmente coleópteros e hymenópteros) y depre-dadores, de este último grupo la ma-yor cantidad de insectos fueron cata-rinas. Respecto a los insectos plaga de mayor importancia se debe con-trolar a la mosca del fruto y chinches, que fueron las especies de mayor in-cidencia en el ciclo P-V 2018 y 2019.

La asociación del cultivo con la ma-leza, después del período crítico de competencia, generó un beneficio al funcionar como cultivo trampa, ya que atrajo a ciertos insectos pla-ga como: chapulines, larvas de lepi-dópteros y diabróticas, en una etapa crítica en la producción como es la

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maduración de semilla, en donde el cultivo es altamente susceptible a la incidencia de plagas.

En cuanto a la diversidad de cultivos asociados en este sistema de pro-ducción, la ubicación que estos tu-vieron, fue clave. La asociación gira-sol-maíz fungió como barrera ante la distribución de insectos como pulgo-nes y chapulines. Caso contrario su-cedió con la asociación calabaza-fri-jol-girasol, los cuales eran atractivos florales; esa asociación repercutió en el frijol, el cual incrementó el número de visitantes florales (polinizadores).

Es importante no intervenir con la función de los polinizadores debido a que de eso depende el desarrollo de la semilla del cultivo de girasol para la producción de aceite. Por lo que se concluye que los insecticidas empleados no ocasionaron un daño grave en contra de este grupo de in-sectos, con excepción del tratamien-to Orgain Oil, el cual si tuvo un efecto repelente contra los polinizadores; por lo que en época de floración es el único que no se recomienda utili-zar. El tratamiento químico a pesar de ser el único que si mata a los insectos no tuvo un efecto en los polinizado-res hymenópteros. Sin embargo, los coleópteros si se vieron perjudicados por lo que tampoco se sugiere utilizar en la etapa de floración, ya que este orden representa un grupo ecológico importante en el cultivo.

5. REFERENCIAS

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Uso de la actividad antimicrobiana del extracto de capulín en una película comestible a base de xoconostle

M. Méndez-Espinoza, N. Máximo-Cruz

RESUMEN

La película comestible surge como una propuesta alterna como envases activos que pueden incrementar la seguridad, características sensoriales, nutricionales (antioxidantes presentes en el xoconostle y capulín) en la sustitución de films plásticos, promoviendo la innovación de nuevas aplicaciones alimentarias.

El objetivo de esta investigación estuvo enfocado en aprovechar la actividad an-timicrobiana y antioxidante de los extractos de capulín y xoconostle aplicados como materia prima en la elaboración de una película comestible que permita prolongar la vida de anaquel de frutas y hortalizas mínimamente procesadas.

Los materiales implementados en el desarrollo de la película comestible fueron capulín (Prunus serotina subsp. Capulí) se adquirió en estado de madurez co-mestible en el municipio de Acambay, Estado de México. Xoconostle (Opuntia joconostle) comprado en el municipio de Acambay, Estado de México. Car-boximetilcelulosa (Botica la Moderna, Toluca, Estado de México) y glicerol (Ín-digo químicos, Atizapán de Zaragoza, Estado de México.

Los métodos empleados se clasificaron en: diseño, población, entorno, inter-vención y análisis estadístico.

Además, se evaluó la actividad antioxidante del extracto de capulín; los datos mostraron menor actividad analizada de 85.69 y 87.23 en comparación con el extracto de xoconostle en 94.39 y 94.49. Por otro lado, en la prueba de sen-sibilidad aplicada por el método de difusión de discos la actividad antimicro-biana del extracto acuoso de capulín mostró propiedades antimicrobianas en bacterias Gram positiva, negativa; por el contrario, no se observaron efectos antimicrobianos en levaduras ni el extracto de xoconostle en las mismas.

La presente investigación concluye que, en la obtención del extracto acuo-so del capulín como actividad antimicrobiana y del xoconostle la capacidad antioxidante; siendo viable la inclusión de estos con otros productos alimen-tarios, enfocados a prolongar la vida útil en los alimentos como frutas y horta-lizas mínimamente procesadas.

Palabras clave: antimicrobiana, capulín, extractos, xoconostle, hinchamiento, actividad acuo-sa, película.

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1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad, la demanda crecien-te por parte de los consumidores de alimentos fáciles de preparar o de consumir, seguros, naturales, con propiedades biológicas más allá de las nutricionales y todo ello sin renun-ciar a las características sensoriales de frescura del alimento (FAO, 2018). Han motivado a los investigadores e industriales a desarrollar nuevas tecnologías de procesado y conser-vación conocida como “procesado mínimamente” (frutas y hortalizas), cuyos principales objetivos se enfo-can a la conservación en la vida útil, inactivación de enzimas y deterioros microbiológicos; donde comúnmen-te se pierde hasta un 23 por ciento de estos alimentos mínimamente proce-sados encontrándose relacionados con la perdida de claridad sensorial y nutricional (Ancos, 2015).

El uso de antimicrobianos (conserva-dores) es una práctica común en la industria de los alimentos, por mu-chos años se han utilizado antimi-crobianos sintetizados químicamente (que en algunos casos han causado daño en la salud de los consumido-res, si se utilizan a grandes dosis o como en el caso de los sulfitos), re-dundando en un rechazo por parte de los consumidores de productos pro-cesados (Rodríguez, 2011) debido a ello ha surgido la iniciativa de utilizar antimicrobianos naturales no utiliza-dos anteriormente como es el caso del extracto de capulín que se pueda aplicar en alimentos “procesados mí-nimamente” para alargar su vida útil.

Algunos antimicrobianos naturales se obtienen principalmente de hierbas, plantas, y especias. Lo más difícil es extraer, purificar, estabilizar e incorpo-rar dicho antimicrobiano al alimento sin afectar su calidad sensorial y se-guridad. La actividad antimicrobiana de hierbas y plantas es generalmente atribuida a los compuestos fenólicos presentes en sus extractos o aceites esenciales, y se ha observado que la grasa, proteína, concentración de sal, pH y temperatura afectan la actividad antimicrobiana de estos compuestos (Rodríguez, 2011).

1.1 Conservación de alimentos

La preservación de alimentos puede definirse como el conjunto de trata-miento que prolonga la vida útil de aquellos, manteniendo, en el mayor grado posible, sus atributos de cali-dad, incluyendo color, textura, sabor y especialmente valor nutritivo. Esta definición involucra una amplia esca-la de conservación, desde períodos cortos, dados por métodos domés-ticos de cocción y almacenamiento en frío, hasta períodos muy prolonga-dos, dados por procesos industriales estrictamente controlados como es el caso de la congelación y la deshidra-tación (Rodríguez, 2011).

1.1.2 Conservadores en los alimentos

Los métodos de conservación tradi-cionales como congelación, pasteri-zación, esterilización, deshidratación, están basados en la manipulación de uno o dos factores de conservación. En la actualidad, se busca la com-binación de dos o más factores que

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interaccionen aditiva o sinérgicamen-te controlando a la población micro-biana, evitando la aplicación de un solo factor de conservación en for-ma severa, lo que mejora la calidad sensorial y nutrimental del alimento; permitiendo el procesamiento de pro-ductos semejantes al producto fres-co, más sanos, con menos aditivos y listos para preparar y servir.

A esta combinación de factores se le ha denominado tecnología de obstá-culos o factores combinados (Rodrí-guez, 2011).

1.2 Impacto de los microorganismos (Escherichia coli ATCC25922, Sta-phylococcus aureus ATCC, Salmone-lla typhimurium y Candida spp) en los alimentos y la salud

El deterioro microbiológico causa elevadas pérdidas de frutas y hor-talizas, son normalmente causantes de esto; las bacterias, levaduras y hongos debido a sus característi-cas inherentes como bajo pH y baja capacidad reguladora; ejemplo de esto tenemos Escherichia coli ATCC25922, Staphylococcus aureus ATCC, Salmonella typhimurium y Candida spp. (Juárez, 2017).

Existen puntos críticos, en los cuales se puede comprometer la inocuidad de los alimentos. Los brotes por S. aureus y E. coli han sido asociados en su gran mayoría al manejo defi-ciente de los alimentos por las perso-nas que realizan la preparación de los productos mínimamente procesados.

La E. coli y S.aureus pueden causar implicaciones clínicamente severas. La intoxicación por S. aureus se debe a la ingestión de exotoxinas, que pro-vocan náuseas, vómito, dolores ab-dominales y diarrea. La E. coli causa severos desórdenes gastrointestina-les, y en ambos casos, se ha reporta-do la muerte por infecciones de am-bos organismos patógenos (Castro et al., 2004).

En el caso de Salmonella typhimu-rium es uno de los principales pató-genos transmitidos por los alimentos en el mundo, siendo la primera causa de brotes de intoxicación alimentaria.

Sin embargo, tienen diferencias im-portantes tales como el rango de hospederos a los cuales infectan y los síntomas clínicos de la enferme-dad que producen. Es así como S. Typhimuirum poseen un amplio ran-go de hospederos y la mayoría de las veces generan una enfermedad gas-trointestinal en el ser humano sistémi-ca denominada fiebre tifoidea (Barreto et al., 2016).

Candida spp. forma parte de la flora de la piel, las faneras, las mucosas, el tracto gastrointestinal y el aparato ge-nitourinario del ser humano. En otras ocasiones tienen una causa exógena, como la colonización de catéteres y otros dispositivos intravenosos por cepas medioambientales. También se ha documentado la trasmisión de persona a persona y, como han seña-lado algunos estudios, Candida spp. puede permanecer más de 45 minu-

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tos en las manos del personal sanita-rio o del área de alimentos, lo que qui-zá explique por qué estas levaduras se encuentran entre los principales patógenos intrahospitalarios y servi-cios de alimentación; estudios indican que la relajación en el cumplimiento de las normas de higiene hospitalaria y del área de alimentos, la falta de for-mación del personal sanitario sobre el control de infecciones y la ausen-cia de protocolos sobre el cuidado de catéteres y otros dispositivos son las principales razones para la aparición de los brotes (Cuenca, 2002).

1.3 Antimicrobianos naturales en ali-mentos

Los antimicrobianos son compuestos químicos añadidos o presentes en los alimentos que retardan el crecimiento microbiano o inactivan a los microor-ganismos y por lo tanto detienen el deterioro de la calidad y mantienen la seguridad del alimento.

Los sistemas antimicrobianos natura-les pueden clasificarse por su origen:

• Origen animal, incluye proteínas, enzimas líticas tales como lisozi-ma, hidrolasas tales como lipa-sas y proteasas y polisacáridos como el quitosán.

• Origen vegetal, incluye com-puestos fenólicos provenientes de cortezas, tallos, hojas, flores, ácidos orgánicos presentes en frutos y fitoalexinas producidas en plantas.

• Origen microbiano, incluye compuestos producidos por microorganismos. El modo de acción de estos compuestos fenólicos no ha sido determina-

do, éstos pueden inactivar enzi-mas esenciales, reaccionar con la membrana celular o alterar la función del material genético y se ha observado que las grasas, proteínas, concentraciones de sal, pH y temperatura afecta la actividad antimicrobiana de es-tos compuestos.

Los componentes activos de los acei-tes esenciales pueden variar en su composición, ya que ésta puede verse afectada por ciertas variables como el genotipo de la planta, las diferentes metodologías de extracción, localiza-ción geográfica, así como las condi-ciones ambientales y agronómicas.

Muchas hierbas y especies han sido reportadas por poseer propiedades antimicrobianas. Sin embargo, existe una gran desventaja en su uso como antimicrobiano: una alta concentra-ción es necesaria para obtener un efecto de preservación y, por lo tanto, existen alteraciones en el sabor. (Ro-dríguez, 2011).

1.4 Extracto de capulín como agente antimicrobiano

A su vez Jiménez (2011), presentó actividad antimicrobiana contra Sal-monella typhimurium, Pseudomo-nas aeruginosa, Proteus mirabilis y E. coli. “El principal objetivo de este estudio fue evaluar las propiedades antioxidantes y antimicrobianas del extracto acuoso, acetónico, etanóli-co y metanólico del fruto de capulín”. El extracto etanólico presentó un alto contenido de antocianinas (102±7.70 mg Cyd-3-glu/100 g extracto) y po-lifenoles (1732±43.40 mg GAE /100 g extracto), así como una alta activi-

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dad antioxidante (73.47±0.01%) en concordancia con el poder reductor (3.164±0.028), potencial redox (395±2 mV) y densidad óptica (0.921±0.08). Este extracto, también presentó ma-yor actividad antimicrobiana contra las bacterias gram (-): Salmonella typhimurium, Proteus mirabilis, Es-cherichia coli y Pseudomonas aeru-ginosa, pero solo contra la bacteria gram (+): Staphylococcus aureus.

1.5 Modo de acción de los agen-tes microbianos

Muchos alimentos contienen com-puestos naturales con actividad anti-microbiana. En estado natural, estos compuestos pueden desempeñar el papel de prolongadores de la vida útil de los alimentos. Incluso muchos de ellos han sido estudiados por su po-tencial como antimicrobianos alimen-tarios directos.

El uso de aditivos alimentarios de origen natural implica el aislamiento, purificación, estabilización e incorpo-ración de dichos compuestos a los alimentos con fines antimicrobianos, sin que ello afecte negativamente a las características sensoriales, nutri-tivas y a su garantía sanitaria. Esto tiene que lograrse manteniendo los costos de formulación, procesamien-to o comercialización.

Los antimicrobianos o conservadores pueden tener al menos tres tipos de acción sobre el microorganismo;

• Inhibición de la biosíntesis de los ácidos nucleicos o de la pa-red celular.

• Daño a la integridad de las mem-branas.

• Interferencia con la gran va-riedad de procesos metabóli-cos esenciales.

Consecuentemente algunos agen-tes antimicrobianos pueden afectar a muchos tipos de microorganismos, mientras que otros muestran un es-pectro de acción inhibidor más redu-cido. Del mismo modo algunos anti-microbianos pueden ser directamente microbicidas, mientras que otros ac-túan como microbiostáticos. Con todo, este último mecanismo también acarrea la muerte celular, excepto en el caso de las esporas.

1.5.1 Eficacia de los agentes antimicro-bianos

Para la aplicación de los antimicro-bianos de origen natural, se necesita comprobar su eficacia “in vitro”, en medios microbiológicos y en pro-ductos alimenticios. Las pruebas “in vitro” proporcionan información va-liosa acerca de la efectividad de un compuesto, y pueden ser evaluados de igual manera, las variables que afectan a la actividad antimicrobiana, de la cual depende del tipo, género, especie y microorganismo a probar. Por ejemplo, las esporas bacterianas son más resistentes al efecto de los antimicrobianos que las células vege-tales. También el tipo de pared celular es un factor a considerar. Una variable asociada a la efectividad de un agen-te antimicrobiano en los alimentos, es el número inicial de los microorganis-mos en el sistema. Debido a que la mayoría de los antimicrobianos son bacteriostáticos más que bacterici-

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das. Los agentes antimicrobianos de origen vegetal no contribuyen al de-sarrollo de cadenas de resistencia o alteran el ambiente del alimento de manera que crezcan otros organis-mos patógenos (Rodríguez, 2011).

1.5.2 Desventajas de los agentes an-timicrobianos

La industria de alimentos utiliza en todo el mundo una gran cantidad de antimicrobianos. Estos difieren según el país, ya que su uso está restringi-do por las leyes alimentarias de cada nación. La producción de antimicro-bianos genera una fuente de ingresos económicos importante a nivel mun-dial. Tan solo en los Estados Unidos en 1991 se consumieron 37.5 millo-nes de kilogramos de conservado-res, y esta cifra ha aumentado año con año desde entonces. Se estima que, a nivel mundial, el consumo de antimicrobianos aumenta 4.1% anualmente, siendo los más utiliza-dos los sorbatos, los propionatos y los benzoatos. La velocidad de dete-rioro microbiológico no solo depende de los microorganismos presentes, sino también de la composición quí-mica del producto y del tipo de car-ga microbiana inicial. La mayoría de agentes antimicrobianos usados en alimentos solo inhiben el crecimiento de bacterias y hongos, más no eli-minan su crecimiento, por lo que el producto tiene una vida de anaquel restringida, y es necesario el uso de otros factores de conservación que aumenten la vida media del producto (Rodríguez, 2011).

1.6 Generalidades

1.6.1 Películas comestibles

Se considera una tecnología respe-tuosa con el medio ambiente por varios aspectos fundamentales. En primer lugar, reduce la utilización del envasado tradicional con films plás-ticos. Son polímeros naturales y bio-degradables, es decir, que pueden ser obtenidos a partir de recursos naturales o extraídos a partir de los subproductos de las industrias agro-alimentarias. Pueden ser envases activos cuando se incorporan en su matriz polimérica, aditivos naturales con propiedades antimicrobianas y antioxidantes (anti pardeamiento).

También pueden utilizarse como un vehículo para incrementar las pro-piedades nutricionales y saludables del vegetal mínimamente procesado por la incorporación de compuestos bioactivos (Ancos, 2015).

Existen publicaciones sobresalientes en alimentos característicos de la cul-tura mexicana aplicados a películas o recubrimientos comestibles, como es el caso del estudio de algunas propie-dades fisicoquímicas de películas co-mestibles de pectina-aceite de maíz con un pigmento natural y bajas pro-piedades mecánicas, como es la in-dustria de la confitería (García, 2014).

Granito (2014) publica el desarrollo y caracterización de películas comesti-bles de frijol proponiendo las proteí-nas de leguminosas en formación de películas comestibles. La fermenta-

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ción afecta las propiedades funciona-les de leguminosas, pero es poco lo que se ha investigado sobre su efec-to en la formación de películas. Este estudio tuvo por objetivo desarrollar y caracterizar películas comestibles en concentrados de frijol, crudo (CFC) y fermentado (CFF) obtenidos por pre-cipitación isoeléctrica. Las películas se prepararon en diferentes concen-traciones de glicerina (10/50% p/p respecto al contenido proteico). Con-cluyendo que las proteínas de frijol crudo y fermentado generan películas comestibles que pueden ser útiles para la industria alimentaria.

Mencionando las alternativas eco-nómicas, productivas y potenciales, hoy; las películas comestibles son utilizadas en una amplia gama de pro-ductos alimenticios de ellos depende que el alimento tenga una resistencia adecuada a factores extrínsecos e intrínsecos alargar la vida de anaquel y conservar la calidad, con un total anual de ganancias de $100 millones de dólares (Herrera, 2016).

1.6.2 Aplicación de antimicrobianos en recubrimientos o películas comestibles

De acuerdo a los factores antes men-cionados, en la actualidad los recu-brimientos comestibles (RC) y las pe-lículas comestibles (PC) están siendo utilizadas como vehículos para incor-porar a los alimentos determinados como aditivos de forma eficaz. Esta vía de incorporación en aditivos a los alimentos mejora su efectividad y re-duce la cantidad necesaria para su acción con el beneficio en seguridad,

calidad sensorial y nutrición del pro-ducto (Herrera, 2016).

1.6.3 El xoconostle y su actividad an-tioxidante

Por su parte Hernández (2015). De-mostró la actividad antioxidante de genotipos del xoconostle (Opuntia joconostle) en betalaínas, vulgaxanti-nas y fenoles. Gorostiola (2015) pro-pone que, para mejorar la estabilidad de estos componentes bioactivos podría aprovecharse mejor utilizan-do tecnologías de encapsulación y microencapsulación, como el secado por aspersión o aplicándolo en pelí-culas comestibles, siendo una cactá-cea que se produce principalmente en el Estado de México, además da-tos proporcionados por SADER Esta-do de México (2018) es posicionado como el principal productor en su-perficie, con una producción anual de 140,606.52 toneladas reflejado en un valor económico de $367,753.85 pe-sos; siguiendo los estados de Puebla, San Luis Potosí, Zacatecas, Hidalgo, Aguascalientes y Querétaro. (SADER Estado de México, 2018).

2. METODOLOGÍA

2.1 Materiales y Métodos

Para la elaboración de la PC se se-leccionaron con base a estudios pre-vios realizado por Domínguez (2012); Castillo (2009); Gorostiola (2015); Herrera (2016); Rodríguez (2011); Montero (2018) y Jiménez (2011).

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Se hizo una adecuación de los ma-teriales (extractos; capulín y xoco-nostle, CMC y glicerol) debido a no existir investigaciones previas sobre el uso de estos extractos para la ela-boración de películas comestibles. De acuerdo a lo anterior, a partir del CMC, en las que se mantuvo cons-tante el contenido de extractos (38 y 48 mL) teniendo como variante la concentración de CMC y glicerol.

2.2 Material experimental

El capulín (Prunus serotina subsp. Ca-pulí) se adquirió en estado de madurez comestible en el municipio de Z Acul-co y Acambay, Estado de México.

El xoconostle (Opuntia joconostle) se compró en el municipio de Acambay, Estado de México.

• Carboximetilcelulosa (Botica la Moderna, Toluca, Estado de Mé-xico).

• Glicerol (Índigo químicos, Ati-zapán de Zaragoza, Estado de México).

• Para mediciones de pH en ex-tractos, DFP, muestra de de-caimiento visual se utilizó un potenciómetro (HANNA, PHepR modelo H1991002).

• En la obtención de la visco-sidad, se empleó el método aprobado por la A.S.T.M. D1439 – 03 (2005), utilizando un visco-símetro Brookfield modelo RVT 203015 de Engineering Labora-tories (Middleboro, MA 02346 USA). Se usó el spin No. 5 a 100 rpm por 30 s en una mues-tra de 90 mL de DFP a 25°C y en el caso de los extractos; se introdujo el spin del número 2 en una muestra de 90 mL a 25°C.

Se realizó la medición a 100 rpm y se tomó la lectura después de 30 s en centipoise.

• El gramaje de las películas se determinó pesando muestras circulares de 10 cm de diámetro. El gramaje (GM) se expresó en g/m2

• El espesor de las PC se midió con un micrómetro digital (002J).

• %H se determinó por triplicado mediante el secado de muestras de alrededor 2.57 g a 105°C du-rante 24 h. El contenido de hu-medad se calculó por diferencia de pesos antes y después de se-car las muestras.

• Grado de hinchamiento (GH) o capacidad de absorción de agua de las películas se determinó como se describe en la norma ASTM5229, con algunas modifi-caciones. Las muestras de pelí-cula se secaron durante 24 horas a 100+- 2°C. Luego se retiraron fuera del líquido, se secaron con papel absorbente para eliminar el exceso de agua de la superficie y se pesaron nuevamente.

• Las muestras de película de 10 cm de diámetro fueron secadas en un horno a 105°C por 24 h, con la finalidad de obtener un peso constante.

Después cada muestra fue inmersa en 36 mL de agua destilada por 24 h a 25°C. Posteriormente el agua fue removida de las películas por el mé-todo de decantación y estas a su vez fueron secadas nuevamente a 105°C por 24 h. La solubilidad fue calculada por diferencia de pesos.

• El color de la película se de-terminó con un colorímetro marca Konica Minota (modelo CR-400 Chroma Meter, Sesing, Ing., Japan).

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• La cromaticidad (C) y tonalidad (h) se obtuvieron directamente del equipo. El tono representa el ángulo en una rueda de color de 360°.

• Se tomaron 5 g de puré de manzana y jitomate homoge-nizada se disolvió en 50ml de agua destilada.

• Esta disolución se valoró a pH 7 y respectivamente usando 0.1N de NaOH. La acidez total titula-ble de los purés diluidos se cal-culó utilizando la ecuación basa-da en la NMX-FF-011-1982. La acidez se expresa como mg de ácido cítrico/100 mL.

• Los sólidos solubles se mi-dieron en el jugo de la fruta y verdura a 20°C a través de un refractómetro digital, calibrado con agua destilada. Los resulta-dos se expresarán como °Brix.

2.3 Método experimental

2.3.1. Diseño

2.3.1.1 Preparación de los extractos de capulín y xoconostle

Se llevó a cabo la extracción acuo-sa de los extractos de capulín (EC) y xoconostle (EX), utilizando la técnica referida por Castillo (2009) y Goros-tiola (2015).

2.3.1.2 Preparación de los inóculos

Para el aislamiento se activaron las cepas Escherichia coli ATCC® 25922, Staphylococcus aureus ATCC®, Sal-monella typhimurium y Candida spp. En diferentes agares. Cultivaron me-diante el método de estriación esco-cés y se incubaron a una temperatura 37°C por 24 h en posición invertida en la incubadora.

Para la preparación de los inóculos se tomaron cinco colonias bien definidas de cada cepa con un hisopo estéril.

2.3.1.3 Discos de sensibilidad

Se tomaron 0.5ml (extracto de capu-lín, extracto de xoconostle, DFP) y se impregnaron en cada disco con la concentración del 97% de extractos y 100% de DFP durante 24 h. (Rodrí-guez, 2011 y Herrera, 2016).

2.3.1.4 Cultivo bacteriano

Un hisopo estéril se sumergió en el inoculo de cada cepa estandarizado al 0.5 de la escala de McFarland y se llevó a siembra con las siguientes especificaciones:

• Staphylococcus aureus ATCC®; 5 mL de caldo cerebro corazón, incubándose a 37°C por 2 h has-ta que se observó una turbidez ligeramente visible. Se estan-darizó la densidad del inoculo mediante el espectrofotómetro a 620 nm comparado con la turbi-dez estándar de los tubos núme-ro 5 de la escala de McFarland.

• Escherichia coli ATCC® Subcul-tivar sobre una placa con Agar Mac Con-key. Incubar a 37°C durante 24 h.

• Salmonella typhimurium Transfe-rir 0,1 ml de Caldo Digerido de Caseína-Soja a 10 ml de Caldo Rappaport-Vassiliadis para enri-quecimiento de Salmonella typhi-murium e incubar a 37°C durante 24 h. Subcultivar en placas de Agar Xilosa Lisina Desoxicolato. Incubar a 37°C durante un perío-do de 18 a 48 h.

• Candida spp.; subcultivar en una placa con Agar Sabouraud

130

Dextrosa e incubar a 37ºC du-rante 24 h.

2.3.1.5 Pozos modificados de agar.

La siembra se hizo siguiendo el pro-cedimiento indicado para la prueba de difusión en los respectivos agares. Antes de dejar secar los inóculos se hicieron pozos en tres réplicas de pla-cas de cada inoculo con una cucha-reta sacabocados de 5mm. En cada pozo se vertió 50 µl de extractos por separado, así como de DFP, dejándo-se reposar por 60 min y se incuba-ron a 37°C por 24 h. Se realizaron las lecturas de sensibilidad por triplicado igual que el método Kirby-Bauer. (Ro-dríguez, 2011 y Herrera, 2016).

2.3.1.6 Determinación de la capacidad antioxidante de los extractos

La capacidad de inhibir la acción del radical DPPH- (1,1-difenil-2-picrilhi-drazilo) de los extractos fue determi-nada por el método de Castillo (2009).

2.3.1.7 Elaboración de la Disolución Formadora de Película (DFP).

Para la elaboración de la película co-mestible (PC) se aplicó la técnica re-ferida por Castillo (2009) con algunas modificaciones, para preparar la DFP se mezcló el extracto de capulín al 50% con EC al 50% a una tempera-tura de 18°C. Se agregó la CMC con agitación magnética constante, has-ta lograr disolver el polímero, man-teniendo una temperatura de 21°C. Después se adicionó el glicerol (G). La disolución se enfrió a los 15°C y se identificó como disolución formadora de película (DFP).

2.3.1.8 Formación de la PC.

Las PC fueron obtenidas empleando la técnica de vaciado. Con una pipeta volumétrica estéril, se colocaron 20 mL de DFP en recipientes de plástico en superficie lisa (cajas Petri de 10cm de diámetro). Posteriormente se co-locaron en un horno RICOSSA H16 de convección a 30°C por 48 h. Las películas obtenidas se acondiciona-ron en refrigeración a una humedad relativa del 50% a 4°C±7°C por 32 h. (Herrera, 2016).

2.3.2 Población.

2.3.2.1 Caracterización de la película comestible.

Mencionados en el apartado en Ma-teriales y Métodos.

2.3.3. Entorno.

2.3.3.1 Capacidad antioxidante de las PC.

Se realizaron disoluciones de la pe-lícula para obtener concentraciones de 10000, 5000, 2500, 1000 y 500 µg/mL en agua destilada.

Posteriormente se mezclaron 105mL de cada dilución con 0.05 mL de DPPH 0.1 mM y se realizaron lecturas después de 30 min de reacción a 517 nm en un espectrofotómetro (modelo PWFRC005, Vevor) (Herrera, 2016).

2.3.4. Intervención.

2.3.4.1 Aplicación de la película co-mestible sobre manzana Perón Gol-

131

den Chihuahua (Pyrus Malus L.) y Jitomate (Solanum lycopersicum).

2.3.4.1.1 Acondicionamiento de la fruta y verdura.

Se realizó sobre 15 rebanadas de man-zana amarilla grado de maduración post cosecha 5 (30 g cada una) y 15 rebanadas de jitomate con un grado de maduración post cosecha 5 (30 g cada una). Previo al corte, los alimen-tos fueron sometidos a un lavado con agua destilada, seguido de un proceso de desinfección con una disolución de hipoclorito de sodio en agua destilada a 0.002 mL/l dejando escurrir y secan-do a temperatura ambiente.

2.3.4.1.2 Tratamiento de la muestra.

La aplicación de los alimentos se rea-lizó cubriendo 7 réplicas de manzana y 7 de jitomate con PC. Después cada replica se colocó en una caja termo-formada de poliestireno sin perfora-ciones con capacidad de 30 g cada caja, etiquetando cada una con la nu-meración 1-15 con PC; de la misma manera las cajas sin el recubrimiento. Las cajas se almacenaron a una tem-peratura de 4°C durante 20 días.

De las 30 réplicas se elaboró un com-parativo (replicas cubiertas y sin cubrir).

2.3.4.1.3 Análisis realizados a los frutos.

A cada replica se le realizó un segui-miento de las características visuales de los frutos con tratamiento y con-trol, los días 1,5,10,15 y 20.

2.3.4.1.4 Decaimiento visual de las frutas.

Las réplicas de manzana y jitoma-te de ambos grupos fueron inspec-cionadas visualmente para detectar cualquier signo de daño visual y/o crecimiento fúngico.

2.3.5. Análisis estadístico.

Se utilizó un método de superficie de respuesta mediante Box Behnken para el diseño de la película comesti-ble que involucró a tres centros bajo un diseño de bloques. Se obtuvieron 30 tratamientos. Todas las determina-ciones fisicoquímicas y texturales se realizaron por triplicado, las lecturas se registraron y analizaron mediante un ANOVA y para la diferencia de me-didas se realizó una prueba de Dun-can utilizando la versión de la base de datos Statgraphics Plus 4.1.


Los resultados de los halos de inhi-bición (en mm) fueron sometidos a la prueba de Shapiro-Wilk, determi-nándose que tienen una distribución normal. Es así que se aplicó la prue-ba paramétrica de <<t>> Student para muestras independientes para comparar las medidas de los dos métodos de cultivos (Kirby- Bauer y pozos modificados de agar).

• Los halos de inhibición fueron para, Staphylococcus aureus ATCC® de 10.35-10.36mm, Es-cherichia coli ATCC® 25922 11.6-11.8 mm, Salmonella typhimurium 8.5-8.8 mm y Candida spp la cual no presentó halos de inhibición.

132

Para el método Kirby-Bauer y para el método de pozos modi-ficados de agar mostró sensibi-lidad para el uso de extracto de capulín (Prunus serotina) contra la cepa bacteriana de Salmonella typhimurium.

Figura 1. Prueba capacidad antimicrobiana E. coli EX y EC.

Figura 2. Prueba capacidad antimicrobiana S.

aureus en EX y EC.

Figura 3. Prueba capacidad antimicrobiana

Salmonella en EX y EC.


Candida en EX y EC.

Figura 5. Prueba capacidad antimicrobiana E.

coli en CMC-EX-EC, CMC-EX, CMC.

Figura 6. Prueba capacidad antimicrobiana S. aureus en CMC-EX-EC, CMC-EX, CMC.

133

Figura 7. Prueba capacidad antimicrobiana Salmonella en CMC-EX-EC, CMC-EX, CMC.


Candida en CMC-EX-EC, CMC-EX, CMC.

Figura 9. Medición de halos.

En el caso de la actividad antioxidan-te mostró mayor con 94.39-94.49 el extracto de xoconostle mostrándose estos en la Tabla 2.

Jiménez (2011) con base a su estu-dió presentó mayor actividad antimi-crobiana contra las bacterias gram (-): Salmonella typhimurium, Esche-richia coli y contra la bacteria gram (+): Staphylococcus aureus, fueron similares al estudio obtenido.

Al evaluar y comparar las propieda-des antioxidantes del extracto acuo-so, del fruto de capulín se observó una alta actividad con valores de 73.47±0.01% similares al realizado (Tabla 2).

En el caso de los resultados emitidos por Castillo (2009) los resultados emiti-dos inhibieron contra la bacteria E. coli y levadura exceptuando S. aureus don-de no se encontró actividad probada.

En concordancia con el poder reduc-tor (3.164±0.028), potencial redox en relación al estudio realizado (Tabla 3) y densidad óptica 0.921±0.08 com-parada con los resultados emitidos en la Tabla 3.

Tabla 1. Capacidad antimicrobiana de los ex-tractos y la PC.

MuestraMicroorganismos

S. aureus E. coli Salmonella Candida

EC 10.35±10.36 11.6±11.85 8.5±8.8 NP

EX NP NP NP NP

CMC+EX NP NP NP NP

CMC+EX+EC NP NP NP NP

Los valores son promedios± SD (n=2).NP= No presentó

134

Tabla 2. Caracterización de los extractos.

Extracto pHViscosidad

(cP)

Capacidad antioxidan-te (% de inhibición del

radical DPPH*)

EX 3.14± 0.15 12.5 ± 0.71 94.39 ± 0.10

EC 3.96 ± 0.02 487.0 ± 0.71 85.69 ± 1.54

EX-EC 3.47±

0.02

90.39 ± 0.20

Los valores son promedios ± SD (n= 2, 7, 2 respectivamente)

Tabla 3. Propiedades ópticas de la PC.

PC L a* b* C °Hue

CMC 93.13 ±

0.24

-0.10 ±

0.04

2.64 ±

0.46

2.64 ±0.46 92.04 ± 0.69

CMC+EX 87.70 ±

1.74

0.92 ± 0.40 14.61±

2.89

14.64 ± 2.90 86.55 ± 0.99

CM-

C+EX+EC

55.26 ±

3.60

31.40 ±

1.75

28.29 ±

1.78

41.84 ± 2.6. 40.96 ± 1.08

Los valores son promedios ± SD (n=3)

La acidez es una de las principales características de los frutos, en Tabla 2 se puede ver que el pH de la mues-tra del extracto de xoconostle se en-cuentra entre 3.14 y 3.29, que coinci-de con lo mencionado de Gorostiola (2015) y en el caso del extracto de capulín entre 3.96 y 3.98 también re-portado por Castillo (2009).

La combinación de ambos extractos promediando un pH de 3.47 y 3.49; donde disminuye notoriamente el pH del extracto de capulín, pero aumen-ta el pH del extracto de xoconostle.

Efecto de la PC sobre manzana Perón Golden Chihuahua y jitomate durante su vida útil

Decaimiento visual

En la Tabla 4, Figura 11 y 12 se mues-tran los resultados de acidez y pH.

Tabla 4. Desarrollo del pH de las películas y el control

T

Tiempo de almacenamiento (días)

1 5 10 15 20

Control 3.58±0.05 ---- ---- ---- ---

PCM2 3.57±0.06 3.57±0.06 3.57±0.05 3.55±0.03 3.58±0.05

PCM12 3.57±0.04 3.57±0.06 3.58±0.05 3.58±0.05 3.57±0.05

PCM14 3.58±0.05 3.58±0.05 3.58±0.05 3.58±0.05 3.57±0.06

Control 4.0±1.0 ---- ----

PCJ2 3.8±1.2 4.2±0.9 4.0±1.0 ---- ----

PCJ12 4.0±1.0 4.0±1.0 4.0±1.0 ---- ----

PCJ14 4.4±0.6 4.4±0.6 4.3±0.7 ----

T= tratamiento

Figura 10. Decaimiento visual de la manzana y jitomate con PC

Los valores son promedios ± SD (n=5,1)

Los parámetros físicos evaluados y realizados en el puré de las manzanas (Pyrus malus c.), jitomates (Solanum lycopersicum) y rebanadas cubier-tas de los mismos con las películas

135

a base de CMC- EC-EX -Gly, por lo que se escogieron 2 (PCM2) (PCJ2),12 (PCM12) (PCJ12) y 14 (PCM14) (PCJ14) y se compararon con el control.

La manzana no presenta formación fúngica, la cual se presenta en la Figu-ra 10. apreciando que las rebanadas de manzana cubiertas por la película, mantiene un equilibrio de pH resaltan-do la acidez normal comparadas con rebanadas de manzana sin cubrir.

Figura 11. Desarrollo de acidez en las pelícu-

las y control.

Los valores son promedios ± SD (n=6,1)

Figura 12. Desarrollo de °Brix en las películas y control.

Los valores son promedios ± SD (n=1, 4)

4. CONCLUSIONES

Al combinar los extractos (capulín y xoconostle) notoriamente el pH del extracto de capulín disminuyó signi-ficativamente, aumentando el pH del extracto de xoconostle.

La extracción acuosa del xoconostle logró determinar las propiedades an-tioxidantes de la PC.

Al combinar la extracción acuosa del xoconostle con el extracto de capu-lín, mejoró la inhibición de radicales libres DPPH.

El extracto acuoso del capulín mostró actividad antimicrobiana en las bac-terias Gram positiva y Gram negati-vas probadas. Sin embargo, no se observó inhibición del crecimiento radial en la levadura.

No se logró determinar la compara-ción de los parámetros físicos entre el control y las rebanadas de jitoma-te; debido a que este presento creci-miento fúngico visible; en el caso de las rebanadas de manzana cubiertas por la película lograron un perfil de pH semejante con el de control.

La presente investigación conclu-ye que, en la obtención del extracto acuso del capulín puede incluirse en el uso versátil con otros productos y la innovación de nuevas aplicaciones alimentarias para prolongar la vida útil en los alimentos, aprovechando la actividad antioxidante y microbiana, presentes en este.

136

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138

Elaboración de botana funcional a base de chapulines (Sphenarium purpurascens) y charales (Chirostoma)

D. Casio-Valdez, A.A. López-Urbina

RESUMEN

Se prevé que para 2050 la población aumentara a 9 mil millones de personas, por lo que el reto es alimentarlas en un planeta con recursos limitados, la incorporación gradual de la mujer en el campo laboral ha contribuido a incre-mentar la producción de alimentos chatarra y comida rápida, alimentos ricos en grasas y almidones, pero pobres en macro y micronutrientes. La presente invención consistió en la elaboración de un producto de alto valor nutrimental, a través del cual se generó un aumento en el contenido proteínico de una bota-na crujiente de cebada (Hordeum vulgare), mediante la inclusión de chapulines (Sphenarium purpurascens) y charales (Chirostoma jordani); conservando las propiedades organolépticas originales, las cuales permiten cumplir con están-dares alimenticios que contrarrestan diferentes tipos de enfermedades como la obesidad, al presentar alto contenido de proteínas que favorece a la pérdida de peso, por el impacto que brinda al metabolismo. Surge como una respues-ta a la necesidad de brindar elementos que coadyuven a elevar la calidad nutrimental de la población, es una botana que por su sabor puede deleitar el paladar de las personas emulando otros tipos de productos convencionales, además, el consumir alimentos ricos en proteínas produce un efecto saciante prolongado, que llega antes que el que se produce al consumir alimentos alta-mente calóricos, pudiendo controlar el apetito y la ansiedad por comer.

Palabras clave: Proteínas, insectos, calidad nutrimental.

139

1. INTRODUCCIÓN

La palabra “botana” proviene de la palabra bota (recipiente que sirve para guardar vino y otros líquidos), la cual procede del latín buttis (botella de cuero) y esta a su vez de bos, bo-vis, (buey), (Española, 2018).

De acuerdo con la NOM-187-SSAI/SCFI-2002 (Secretaría de Salud, 2003), las botanas son los productos de pasta de harinas, cereales, legu-minosas, tubérculos o féculas; así como de granos, frutas, frutos, semi-llas o leguminosas con o sin cascara o cutícula; que pueden estar fritos, horneados, explotados, cubiertos, extruidos o tostados; adicionados o no con sal y otros ingredientes op-cionales y aditivos para alimentos; sin embargo, por el incremento de la demanda de estos productos, la ma-yoría de las grandes industrias bota-neras, han modificado los ingredien-tes y elaboración, (Enríquez-Rubio y Aguilar-Romo, 2003).

Para los mexicanos una botana, re-presenta un aperitivo y también una comida ligera. Al pasar de los años, la esencia de cada botana y golosi-na que consumimos representa los sabores más característicos de una zona o espacio, desde algo picoso, hasta algo salado o dulce (Énfasis Ali-mentación, 2013).

Desde la antigüedad se han utilizado a los insectos comestibles como recurso natural renovable, pues este ha sido aprovechado con fines auténticos dentro de la medicina, gastronomía,

y como modelos de comportamiento y organización.

“La antropoentomofágia es una práctica ancestral que ha prevaleci-do hasta la actualidad. Los insectos son consumidos por seres humanos de todas las razas, edades o sexos” (Rostro, 2014).

En el caso de los insectos, y de acuerdo a Flores (2018) los chapuli-nes que son recolectados en cultivos de maíz y alfalfa principalmente, son del género: Sphenarium purpuras-cens. El consumo de insectos ha sido trascendente y muy importante den-tro de la cultura mexicana, aunque es más común en las zonas rurales, conforme a su valor en nutrientes y propiedades, los insectos superan a la carne y el pescado en cantidad y calidad de proteínas, además, son al-tos en oligoelementos (cobre, hierro, magnesio, fosforo y zinc).

Al respecto, Navarro Ocaña (2015) refiere que los antiguos mexicanos poseían gastronomía variada, a base de vegetales, carnes blancas e insec-tos, a lo que se sumaban los produc-tos obtenidos de granos como trigo, maíz y cebada, (Vásquez, 2016).

Estudios previos realizados por Elor-duy (2015) establecen que los cha-pulines poseen un alto contenido en proteínas que son muy fáciles de digerir y de asimilar: por cada 100 gramos de chapulines hay 67.02 gra-mos de proteína (sólo superado por el pescado y otros insectos), mientras que 100 gr. de carne de res contienen

140

de 54% a 57% de proteínas (Guz-mán, 2018).

Por otro lado, el charal o pescados blancos, pertenecientes al género Chirostoma jordani, han sido alimen-to de la población mexicana desde tiempos prehispánicos hasta nues-tros días. Son consumidos en forma de tamal, secos o como boquerones (Aguilar-Pérez y Navarrete, 2017).

Asimismo, la Comisión Nacional de Acuacultura y Pesca (CONAPESCA) asegura que los charales (Chirosto-ma) son un alimento rico en calcio, potasio, fósforo, sodio, hierro, mag-nesio, yodo, niacina, vitaminas C, B, E y A; además de tener altas canti-dades de proteínas y Omega 3, de acuerdo a CONAPESCA (2018).

El charal (Chirostoma jordani) es ori-ginario de México, con un conteni-do bajo en calorías, 100 gramos de charales secos contienen 327 calo-rías, en 30 gramos de charal fresco, hay 708 miligramos de calcio; por su carne magra y de fácil digestión, se pueden incluir en los regímenes ali-menticios para perder peso y en los de personas convalecientes (Salga-do, 2017).

Por otra parte, la cebada (Hordeum vulgare), es una planta monocotile-dónea anual, perteneciente a la fami-lia de las poáceas (gramíneas), a su vez es un cereal de gran importancia tanto para animales como para hu-manos, siendo actualmente el quinto cereal más cultivado en el mundo (53 millones de hectáreas) (Coello Baños, 2010). Es uno de los cereales alta-

mente digeribles y con un elevado poder nutrimental. Previene la des-calcificación de los huesos gracias al contenido de calcio y fósforo en una relación equilibrada; por su contenido de ácidos grasos esenciales ayuda al metabolismo de los lípidos y por tan-to facilita el control de peso; también es útil en periodos de crecimiento, en la falta de apetito, desarrollo muscu-lar y mental, y en caso de infecciones repetitivas (Coello Baños, 2010).

En Estado Unidos descubrieron en la cebada presencia de sustancias inhi-bidoras que bloquean la producción hepática de colesterol LDL (conside-rado como malo). El efecto anticoles-terol (beta glucanos) de la cebada se potencia por su contenido de fibra soluble (Pérez, 2016).

Con base en la idea anterior, realizar una botana con chapulines y charales pretende generar un impacto social, económico, agropecuario y sobre todo que resulte saludable para todo el que la consuma, se innovará y rea-lizará un producto diferente a lo que generalmente se oferta en el merca-do, mejorando la composición quími-ca, reduciendo calorías y porciones grasas que perjudican la salud; otro punto a considerar es que con la re-colección de los chapulines, reduci-rá el uso de insecticidas empleados para su control cuando se convierten en plaga.

2. METODOLOGÍA

El desarrollo del producto comienza por la recolección, selección, lavado

141

y desinfección de la materia prima, metodología propuesta por INVIMA (2015), en este caso la cebada, los chapulines y los charales, organis-mos y materias presentes en regiones pertenecientes al municipio de Joco-titlán, Estado de México, coordena-das GPS: Longitud (dec): -99.922500. Latitud (dec): 19.760278. La localidad se encuentra a una mediana altura de 2600 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.) (Nuestro México, 2017).

2.1 Acondicionamiento de los mate-riales.

Cebada: Se obtuvo 1kg del cereal, in-corporando el grano a un horno eléc-trico Record TY09A, a una tempera-tura de 193°C durante 15 minutos, para obtener un tueste claro.

Posterior al tueste se introdujeron 500g de grano de cebada en un mo-lino eléctrico a velocidad progresiva durante 3 minutos. Pasados los 3 mi-nutos se introdujeron los 500g restan-tes, siguiendo el mismo procedimien-to, y posteriormente, ambas tandas en conjunto pasan por un proceso de molienda durante 30 minutos, en un molino eléctrico marca Hamilton Beach 80350R.

Chapulín: Se seleccionaron los me-jores ejemplares, teniendo en cuenta tamaño (de 1.5 a 3 cm de largo) y color (verduzco amarillento), pasaron por un proceso de lavado en una solución de hipoclorito de sodio al 5% para reti-rar basura, arena, y otros componen-tes que estuviesen adheridos a estos. Posteriormente pasaron por un proce-so de cocción durante 15 minutos a

una temperatura de 90 °C y se deja-ron escurrir en una zona estéril, con ayuda de un colador metálico grande (16 cm Φ), colocado sobre una olla de acero inoxidable (18x23.5 cm) previa-mente esterilizada. Una vez secos, se colocaron en un sartén, añadiendo 30 ml de aceite, a fuego lento (85 °C) y con movimientos constantes, se es-peró durante 25 minutos para presen-tar una apariencia firme y crujiente.

Charal: Se obtuvo el charal comer-cial seco, este tipo de charales, por ser de fácil obtención, ya paso por un proceso de deshidratado al sol, que es favorecido con la incorporación de sal. Al ser una materia prima que fue incorporada a un proceso comer-cial para su manufactura, requiere de lavado. Por cada kg de charal se re-quiere de 1.75L de agua estéril o agua potable, el lavado se realizó 2 veces, una vez lavado, se desinfectó en una solución de hipoclorito de sodio al 5%, esté paso se realiza, ya que du-rante su almacenamiento o recolec-ción pudieron adherirse agentes ex-ternos (insectos, piedras, basurillas, etc.) que afectan al producto final.

2.2 Pulverización de materia prima chapulines y charales

Se usó un molino Fditt Molino de grano, de acero, con llave de mano (capacidad para 8 kg), para facilitar la pulverización de los chapulines, previamente deshidratados y poste-riormente se llevó a cabo este mismo proceso, con los charales.

2.3 Elaboración de la mezcla

142

Se realizó la mezcla en una cacero-la Ekco 31022 (22 cm) incorporando todas las harinas (cebada, chapulín y charal) se añadieron 250 ml de agua potable, por cada ¾ de harina y se hizo la mezcla con ayuda de una batidora Oster-Manual a velocidad mínima.

2.4 Elaboración del totopo

Se realizó un desinfectado (con ja-bón, esponjas y alcohol) del área de preparación y con ayuda de una prensa para tortillas metálica HIC, se hicieron las tortillas.

A manera de protección se introdujo un hule dentro de la prensa para evi-tar el contacto directo entre la masa y el metal; se añade un poco de la mezcla, a manera de esfera con un diámetro aproximado de 1.8 cm, se hace presión, se desprende y se in-corpora a una bandeja para hornear Wilton 2105-5747.

2.5 Proceso de horneado

Se precalentó el horno eléctrico Re-cord TY09A a 180 °C. Una vez hechas las tortillas se pusieron en ambas cha-rolas considerando una distancia de 3 a 5 mm una de otra, el grosor de cada tortilla debe ser delgado y no exceder de 1.5 mm, paso recomendado para facilitar el tueste, lo ideal es que todas las tortillas tengan el mismo grosor para que se cocinen uniformemente.

2.6 Evaluación sensorial de la muestra

Se determinaron los atributos orga-nolépticos de la botana todo esto a través de una evaluación sensorial con jueces no entrenados, haciendo uso de escalas hedónicas y de una minuciosa prueba de satisfacción (proceso realizado en 2 ocasiones a 25 personas cada una). Llevada a cabo en un área cerrada, limpia y con una iluminación pertinente.

Se consideraron 25 ciudadanos per-tenecientes al municipio de San Feli-pe del Progreso, en un rango de edad de 9 a 35 años, distribuidos por edad y de manera aleatoria, se les propor-cionó un cuestionario, presentando una Tabla con una escala de 5 pun-tos (Tabla 1) calificando cada atributo (apariencia, grasosidad, dureza, ran-cidez y masticabilidad).

Tabla 1. Atributos de calidad (Escala 5 puntos).

2.7 Evaluación de características mi-crobiológicas en producto final

El Análisis microbiológico se reali-zó de acuerdo a lo establecido en la Norma Oficial Mexicana NOM-110-SSA1-1994 (Secretaría de Salud, 1995).

Se determinó la presencia de hongos,

143

y levaduras, aerobios mesófilos y Co-liformes totales de acuerdo a Coello Baños (2010) para esto se utilizó agar PDA, McConkey, Salmonella Shige-lla, Caldo lauril sulfato de sodio y Cal-do E. coli, todos de la marca DIBICO.


Si bien en la formulación del produc-to se utilizó un tipo de cereal básico, empleado también en diversos tipos de elaboraciones a nivel industrial (cebada), también se agregaron otras materias primcas que realizaron un importante aporte de nutrientes.

Se llevó a cabo un análisis bromato-lógico en función de la determinación de contenido nutrimental de la bo-tana, tomando como referencia una bolsa con 100 gramos del producto como se muestra en la (Tabla 2).

Tabla 2. Contenido nutrimental.

Componente Unidad 1

Proteína % 21.66

Grasas % 0.12

Grasas Saturadas % 0.03

Fibra % 2.27

Minerales % 4.76

Carbohidratos dispo-nibles

kcal/100 g 67.31

Calorías % 356.96

Azúcar % 0.01

Fósforo % 0.13

Sodio % 0.08

Humedad % 3.88

Con base en esto, se puede determi-

nar que la botana tiene un alto conte-nido proteínico, comparado con pro-ductos alimenticios tipo snack, como es el caso de las papas Sabritas, que de acuerdo a Fatsecret México (2014) una bolsa con un contenido total de 40 gramos contiene: 4% de proteí-nas, 57% de grasas y 39% de carbo-hidratos, además su contenido pro-teínico supera considerablemente la cantidad de proteínas que brindan las carnes de consumo cotidiano, siendo el caso de la carne de res, carne de cerdo y algunas carnes blancas (Guz-mán, 2018).

Por otra parte, la aceptación senso-rial del producto fue alta (Figura 1) en escolares de distintos niveles so-cioeconómicos, lo cual sugiere que tendrá alta aceptación en programas alimentarios para escuelas, reempla-zando a las actualmente utilizadas; además su consumo será compatible con el ritmo de la vida urbana actual.

Figura 1. Aceptación de atributos

4. CONCLUSIONES

144

La botana desarrollada, ofrece una al-ternativa de alimento saludable para diversificar la pobre oferta de produc-tos de colación; durante el proceso de elaboración se observó que se cumplió con lo planteado en los obje-tivos, pues se incorporan de manera correcta todos los elementos, pese a la consistencia de cada materia pri-ma. Es importante mencionar que, para cumplir completamente con la formulación, se requieren análisis bromatológicos y sensoriales, con la finalidad de asegurar la funcionalidad de la botana, siendo la textura y una firmeza del producto terminado, pro-piedades características que permi-ten darle el nombre de botana.

Por otra parte, el producto fue desa-rrollado con materias primas de ori-gen nacional y con amplia disponibi-lidad a nivel local, se podría fomentar el apoyo a gran parte de la industria agroalimentaria a nivel regional y co-adyuvar al control de plagas genera-do en el ambiente por la presencia de los chapulines en los cultivos, al adquirir parte de estos directamente y por ende reducir el uso de insecti-cidas implementados para la elimina-ción de chapulines.

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Desarrollo de producción e innovación de alimento para trucha arcoíris a base de gusano Tenebrio molitor

E. Pineda-Hernández, A.L. Esquivel-León, A. Fierro-Álvarez, A. Gonzá-lez-Flores

RESUMEN

La región de Valle de Bravo está integrada por nueve municipios del Estado de México, entre los que destacan Amanalco de Becerra, Villa Victoria y Donato Guerra; una de las principales actividades económicas es la producción de la trucha arcoíris, en esta región existe una gran cantidad de unidades de produc-ción de esa especie, sin embargo, con la infraestructura mínima para realizar dicha actividad. El principal problema que encuentran los productores es la ob-tención de alimento que representa una parte importante en costos de produc-ción; dicho insumo se obtiene de un único proveedor en el Estado de México.

El proyecto consistió en analizar si el gusano de la harina podría ser una alter-nativa en la elaboración de alimento para la producción de trucha arcoíris en la región de Valle de Bravo; por ello primeramente se realizaron pruebas con la finalidad de conocer la cantidad de producción del gusano que se requería y en un segundo momento para ver si las características bromatológicas, de la bibliografía de este gusano pudieran ser susceptibles de aprovecharse en el desarrollo de la trucha. El principal objetivo es abaratar el costo del principal insumo que se tiene en la producción de alimento para trucha. Asimismo, se lograría sustituir la importación de la harina de pescado que se utiliza como insumo en la preparación de alimento para trucha y otras especies pesqueras. Sin duda, que los resultados obtenidos de esta investigación permiten deducir que el gusano de la harina puede ser susceptible de utilizarse como materia prima para la elaboración de alimento; con la necesidad de continuar investi-gando acerca de la producción del gusano en gran escala, de tal forma que la misma pueda sostener las actividades productivas en la industria regional del alimento para trucha.

Palabras clave: Alimento, trucha arcoíris, producción, proteína, insumo, bajo costo, provee-dor, productores, gobierno, sociedad.

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1. INTRODUCCIÓN

Una de las principales actividades económicas en la región de Valle de Bravo es; la producción piscícola, siendo la trucha arcoíris la principal especie que se cultiva en la región. En el país se capturan 245, 761 tonela-das de pescado anuales de las cuales 9, 738 toneladas son de trucha (casi el 4%), esto en los estados con lito-ral y sin litoral (Martínez et al., 2015). El Estado de México es el líder en la producción acuícola de los 14 esta-dos sin litoral, tanto en volumen de producción como primer productor de carpa, trucha y rana toro. Asimismo, la producción acuícola se realiza en 42 municipios del estado y se estima que 3 mil acuicultores se dedican de ma-nera directa a esta actividad. Al mismo tiempo existen 44 organizaciones que agrupan a 514 productores.

En el territorio estatal, la región Va-lle de Bravo es el mayor productor de especies acuícolas ya que cuen-ta con un gran número de granjas y cuerpos de aguas importantes que sirven a esta actividad dentro del te-rritorio. En esta región se registra la mayor población de granjas acuíco-las en el municipio Amanalco de Be-cerra (Martínez, et al., 2015)

Ante este panorama, se tiene la in-tención de buscar alternativas para la producción de alimento para la trucha arcoíris de bajo costo y de un alto va-lor nutricional. Dicha propuesta debe-rá de estar basada en la utilización de insumos que de manera innovadora pudieran integrarse a la composición del alimento, respetando sus caracte-

rísticas proteicas y sobre todo de fácil y eficiente aprovechamiento (Arévalo y Lannacone, 2015).

La trucha arcoíris es una especie de pez carnívoro, es decir que come proteínas de origen animal principal-mente, sin embargo hay estudios que muestran que existe la posibilidad de alimentarlas con una dieta basada en productos de origen vegetal, entre ellas destaca la soya que, en forma de harina ha sido utilizado en algunas experiencias (Hernández y Fernán-dez, 2009); asimismo, se han realiza-do estudios en utilizar como principal fuente de proteínas para consumo de la trucha a la harina de frijol, produc-to agrícola que también ha mostrado un potencial importante en la sustitu-ción de alimento para trucha, aunque debe sustituir en un porcentaje de hasta el 45% a la harina de pescado (Rodriguez-Miranda, 2016).

También, hay estudios de proveer alimento a los peces a través de una fuente proteica obtenida de los insec-tos, pudiendo ser grillos, saltamontes o gusanos de harina (Schlup y Brun-ner, 2018).

Desarrollar un alimento para trucha arcoíris elaborado a base de insec-tos que permita abaratar los costos de producción para los dueños de las granjas piscícolas de la región de Valle de Bravo, podría resolver uno de los problemas a los que se enfrentan los productores. De esta manera, los deficientes esquemas de organización en la compactación de la demanda de insumos, ocasio-na elevados costos de producción

148

por concepto de alimento (Moranchel Bustos y Carbajal Suárez, 2018); con-siderando que para su elaboración se requiere proteína de origen animal que generalmente es de importación, situación que encarece el costo del alimento para trucha.

2. METODOLOGÍA

La metodología que se utilizó es de tipo experimental y descriptiva, en un primer momento se consideró la utili-zación del gusano de la harina; dicho diseño, contemplando el tiempo en las diferentes fases de desarrollo de este insecto, se vio la susceptibilidad al clima y alimentación para su pro-ducción, por lo que se adquirieron en una primera fase 1000 ejemplares y posteriormente otros 15000, los cua-les fueron desarrollados en cautiverio en seis anaqueles de plástico de 20 cm de ancho por 35 cm de fondo y 20 cm de alto.

Materiales:

• 16,000 gusanos tenebrio molitor en etapa de larva.

• 6 anaqueles de plástico de 20 cm de ancho, 35 cm de fondo y 20 cm de altura.

• Alimentos: avena, papa, zanaho-ria y lechuga.

• Aserrín.• Cartón/ hojas de papel.• Cuarto para laboratorio.

La segunda fase del proyecto con-sistió en realizar pruebas de alimen-tación para el gusano proporcionan-do diferentes tipos de alimento entre los que se incluyó avena, manzana y

lechuga, registrando la cantidad de avena que era consumida, de donde se obtenía los principales nutrientes.

También se hicieron pruebas en es-tanques directamente en las granjas de la región de Amanalco de Becerra para analizar el nivel de aceptación que tiene la trucha arcoíris al consu-mir este tipo de especie de insecto vivo; por lo que se diseñó un expe-rimento con 10 sesiones de suminis-tro del gusano vivo, estas pruebas se hicieron en pilas de concreto, con 30 truchas al interior.

Materiales:

• Estanques (pilas de concreto de 1 m de ancho, 2 m de largo y con una profundidad de 1 m).

• 1000 gusanos.• Bitácora.

En cada sesión se experimentó arro-jando 100 insectos. Sin embargo, se pudo observar que muchos gusanos no eran devorados por la trucha ya que se iban al fondo del depósito de-bido a que es carnívora y solo come lo que flota.

Con estos resultados, se procedió a modificar el diseño de este expe-rimento, que consistió en realizar las mismas 10 pruebas con la misma cantidad de truchas en el estanque y 30 minutos después, al término de cada prueba se procedió a drenar el estanque y se contabilizaron los gusanos muertos que estaban en el fondo del depósito obteniéndose los datos registrados en la Tabla 1.

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Los materiales en esta fase fueron los siguientes:

• 5,000 gusanos en estado de larva.• Un sartén.• Licuadora.• Estufa.• Cronometro.• Bitácora.• Bascula.

Los resultados obtenidos son los que se presentan en la Tabla 2 y Tabla 3.

Tabla 2. Composición nutrimental gusano vivo.

Aminoácidos Esenciales

Tenebrios mólitor g/kg materia seca

Isoleusina 24.7

Leusina 52.2

Lisina 28.8

Metionina 6.3

Fenilalanina 17.3

Treonina 20.2

Triptofano 3.9

Valina 28.9

Semiesenciales

Arginina 25.5

Histidina 15.5

Metionina + cisteina 10.5

Tirosina 36.0

No esenciales

Alanina 40.4

Ácido aspártico 40.0

Cisteina 4.2

Glisina 27.3

Ácido glutámico 55.4

Prolina 34.1

Serina 25.2

Taurina (mg/kg) 210

Fuente: (Entomo Solutions, 2016)

Tabla 1. Insectos muertos en estanque en cinco pruebas.

No. de prueba I n s e c t o s

agregados

Insectos muertos

en el fondo

Primera 100 39

Segunda 100 45

Tercera 100 38

Cuarta 100 29

Quinta 100 41

Fuente: Elaboración propia.

Con la información de la Tabla 1, se obtuvo el estadístico siguiente:

Media: 38.4Error típico: 2.64Desviación estándar: 5.89

La última fase del proyecto consis-tió en realizar un análisis nutrimental del gusano en su fase de larva, por lo que se procedió a conocer cuál es el contenido nutrimental del gusano Tenebrio molitor, con revisión de la literatura correspondiente.

Cabe señalar que dicho análisis se hizo en dos condiciones: con gusa-no vivo y con gusano desecado, para esto se procedió a realizar el tostado de los gusanos en un periodo de se-cado y otro de tostado, por lo que se pusieron 5000 gusanos en un sartén de acero inoxidable a fuego lento du-rante 10 minutos, una vez enfriados se hizo el tostado por otros 10 minutos, finalmente se licuó todo en una licua-dora quedando una harina fina que es la que se presentó en el evento de la Feria de Ciencias e Ingenierías del Es-tado de México. FECIEM 2019.

150

La última parte del proyecto fue el análisis nutrimental de la harina del gusano Tenebrio molitor del cual se obtuvieron los datos indicados en la Tabla 2.

Los materiales utilizados en estas dos últimas fases, tanto para determinar el contenido nutrimental del gusano vivo y ya convertido en harina que pudiera servir como insumo para la produc-ción de alimento para trucha en sus diferentes fases de desarrollo fueron:

• 500 gusanos Tenebrio molitor en estado de larva, vivos.

• Bibliografía científica.• Harina de gusano tenebrio moli-

tor (5000 gusanos en estado de larva convertidos en harina).

Tabla 3. Composición nutrimental harina te-nebrio molitor adulto.

Contenido Unidad mg/g proteína cruda

Aminoácidos

esenciales

Treonina 81.24

Isoleucina N/D

Leucina 49.36

Lisina 56.06

Metionina 6.08

Cisteina 19.52

Fenilalanina 71.06

Tirosina 28.84

Valina 57.15

Histidina 108.03

Contenido Unidad mg/g proteína cruda

Aminoácidos

No esenciales

Alanina 39.41

Ácido aspartíco N/D

Ácido glutámico 36.96

Glicina 33.81

Prolina 39.20

Serina 4.83

Glutamina 3.18

Fuente: (Pérez, 2019)


De acuerdo a las actividades reali-zadas durante la presente investiga-ción, se encontró que el gusano Te-nebrio molitor puede reproducirse en cautiverio y ser alimentado con avena y algunas frutas y vegetales, el grano le proporciona los nutrientes necesa-rios para su desarrollo y los vegeta-les verdes, como la lechuga y frutas, como la manzana le proporcionan el agua necesaria para su desarrollo.

Asimismo, se pudo alcanzar la repro-ducción de los gusanos observán-dose que pasan por las tres fases de reproducción; gusano, pupa y esca-rabajo, siendo esta última, la ideal para reproducirse.

También es digno de considerar que los volúmenes de reproducción nece-sarios con la finalidad de atender la producción de alimento para trucha, son bastante altos ya que se requie-re de una gran cantidad de gusanos para producir el insumo necesario;

151

esa harina que actualmente proviene del extranjero.

4. CONCLUSIONES

De la presente investigación se pue-den obtener varias conclusiones, la primera es que, el gusano Tenebrio molitor vivo o en forma de harina pue-de ser utilizado como alimento para la trucha arcoíris, misma que puede ser insumo en la preparación de algunos alimentos.

El alimentar a la trucha con gusano vivo, resulta ser menos eficaz que en forma de harina.

La harina de gusano Tenebrio molitor puede sustituir a la harina de pescado como materia prima, fuente de pro-teínas en la preparación de alimento para esta especie, ya que la cantidad de proteínas y aminoácidos necesa-rios en el desarrollo de la trucha están contenidas en la harina del gusano. Es necesario concluir que los resul-tados obtenidos en esta investiga-ción pueden servir de sustento para futuras investigaciones que permitan efectivamente sustituir la importación del extranjero de la harina de pesca-do por la harina del gusano Tenebrio molitor.

5. REFERENCIAS

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fabricación del alimento para trucha, lo que permite inferir que se requieren varias granjas productoras de gusano o una con una capacidad instalada suficiente para atender la demanda potencial que pudiera tenerse.

Como parte de los experimentos realizados también se analizó que la trucha arcoíris acepta favorable-mente el consumo del gusano vivo, sin embargo, al ser la trucha un pez carnívoro que devora especies ani-males vivas flotantes y, en contras-te a que el gusano no flota, única-mente pueden ser comidos durante el trayecto al fondo del depósito de agua, ya en el fondo no formaban parte de su objetivo como alimento. Por lo que, a pesar de ser acepta-do por la trucha no sería una opción viable y factible económicamente el suministrarlo vivo, debido a que una cantidad significativa de gusanos se pierden en el fondo del estanque.

Con estos resultados y teniendo claro que el gusano Tenebrio molitor puede ser alimento para trucha, posterior a dos fases de disecado fue licuado, obteniendo 830 gramos de una ha-rina fina la cual, posteriormente fue presentada durante el evento de la FECIEM 2019, obteniendo un análisis nutrimental de la bibliografía que per-mite inferir que la harina de gusano Tenebrio molitor tiene la cantidad de proteína necesaria para servir como insumo en la preparación de alimen-to para la trucha arcoíris, misma que puede sustituir a la harina de pesca-do como insumo en la fabricación del alimento, siendo de beneficio por el hecho de sustituir la importación de

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Biosorbente sustentable para el tratamiento de agua contaminada con colorantes

O. M. G. Sierra-Mercado, M. C. Díaz-Nava

RESUMEN

Los colorantes son compuestos muy utilizados en industrias como las de papel, textil o cosméticos, entre otras. Los efluentes que producen estas in-dustrias han sido objeto de interés debido a los problemas ambientales que ocasionan, ya que en muchas ocasiones son vertidos a los cuerpos de agua sin tratamiento alguno, afectando los procesos biológicos de la vida acuática. El azul de metileno es un colorante de uso textil difícil de remover debido a su estructura compleja. La adsorción es un método eficiente para la remoción de colorantes de soluciones acuosas, el carbón activado es el adsorbente que más se utiliza, sin embargo, se requiere una gran cantidad de energía para su obtención. El objetivo de este trabajo fue obtener un biosorbente a partir de residuos celulósicos de Daucus carota y evaluar sus propiedades adsorbentes en soluciones acuosas de azul de metileno preparadas en el laboratorio. Me-diante un proceso muy sencillo se obtuvo un biosorbente con alta capacidad para la remoción de azul de metileno, adicionalmente se preparó un biocom-posito con residuos celulósicos soportado en una matriz de alginato, el cual presentó propiedades adsorbentes similares a las del biosorbente, con la ven-taja de que el biocomposito es más fácil de separar en el proceso de adsorción ya que no se necesita filtrar como en el caso del biosorbente.

Palabras clave: Biosorbente, biocomposito, azul de metileno.

155

1. INTRODUCCIÓN

La industria textil consume un volu-men considerable de agua y utiliza grandes cantidades de colorantes en sus productos. El azul de metileno es uno de los colorantes más usa-dos para dar color al algodón, seda y lana (Vadivelan y Vasanth, 2005). Este colorante se caracteriza por ser de difícil degradación, es perteneciente a los compuestos aromáticos sintéti-cos con una compleja estructura que hace que las plantas de tratamiento convencionales tengan un bajo por-centaje de remoción de éste; razón por la cual es vertido sin ser tratado (Kushwaha et al., 2011).

Se han reportado diferentes tipos de tratamientos para aguas contamina-das, entre los que destacan: adsor-ción, oxidación avanzada, tratamien-to biológico, coagulación-floculación y procesos de separación por mem-brana (Osma et al., 2007).

El proceso de adsorción se destaca de las otras técnicas de remoción, debido a que es más simple, econó-mico, y es capaz de tratar eficazmen-te los colorantes en una forma más concentrada (Aichour et al., 2019).

Por lo general para eliminar o redu-cir los niveles de los colorantes en el agua, se utiliza carbón activado como adsorbente, pero en los últimos años, se ha determinado que su uso se ve limitado debido al alto costo energé-tico para su obtención y a las conse-cuencias ambientales que genera el tratamiento posterior de sus residuos,

es por ello que se han buscado alter-nativas de solución a la problemática ambiental del vertido de colorantes de manera sustentable, y que ade-más permitan el aprovechamiento de residuos orgánicos dándoles un valor agregado (Narayana y Ravi, 2019).

Para reducir los daños ecológicos y económicos se requieren materiales amigables con el ambiente y a su vez un proceso que no genere subpro-ductos dañinos, por lo que se pro-pone utilizar residuos celulósicos de Daucus carota como biosorbente en el tratamiento de aguas contamina-das con colorante azul de metileno.

El objetivo de este proyecto fue ob-tener un biosorbente a partir de resi-duos celulósicos de Daucus carota y evaluar sus propiedades adsorbentes en soluciones acuosas de azul de me-tileno preparadas en el laboratorio.

2. METODOLOGÍA

2.1 Obtención del biosorbente

Para el acondicionamiento del biosor-bente se modificó el método reporta-do previamente por Kushwaha et al. (2011), el bagazo de zanahoria se ob-tuvo posteriormente de la extracción del jugo de zanahoria en un procesa-dor de jugos comercial, el bagazo es la parte sólida que comúnmente se desecha. El bagazo húmedo se secó en un horno a 60ºC por 24 horas.

La muestra obtenida se hirvió con agua desionizada por 45 minutos, transcurrido el tiempo, se separó la

156

parte sólida por decantación con ayu-da de una coladera y se secó nueva-mente en un horno de secado a 60 ºC por 24 horas.

La muestra seca hervida se molió en un procesador de alimentos por un minuto; las partículas de mayor tama-ño que no se llegaron a moler en el procesador, se molieron en un mor-tero de ágata. Posteriormente se ta-mizó y pesó la cantidad obtenida por cada malla.

2.2 Síntesis del biocomposito

Para obtener el material compuesto se preparó una solución de 50 ml de alginato de sodio al 2% y se agitó a 60 ºC por dos horas; se mezcló 1g de biosorbente en 50 ml de agua desioni-zada y se agitó por 1 hora a 60 ºC; se preparó 1 L de cloruro de calcio 0.1 M y se dejó enfriar en un refrigerador mien-tras se agitaban las otras soluciones.

Se mezcló la solución de alginato de sodio con la del biosorbente y se agi-tó por 2 horas a 30 ºC. Esta mezcla se goteó en la solución de cloruro de calcio con agitación constante y al momento de caer la gota se formaron perlas de biocomposito, las cuales se dejaron reposar en refrigeración por 24 horas. Posteriormente, las perlas se enjuagaron con agua desionizada, después de 24 horas de reposo para eliminar los cloruros restantes, se realizó una prueba de cloruros, para lo cual se tomó una alícuota de 10 ml del agua de lavado y se dejó caer una gota de nitrato de plata, si se observa

la formación de un precipitado color blanco, se confirma la presencia de cloruros, cuando ya no se forma el precipitado, se asume que los mate-riales lavados están libres de cloruros.

2.3 Caracterización del biosorbente

Para la caracterización del biosor-bente, se determinó el punto de carga cero, también se aplicaron técnicas como la espectroscopia de infrarrojo, microscopía electrónica de barrido y microanálisis elemental EDS.

2.4 Curva de calibración para la me-dición de azul de metileno por espec-trofotometría UV-Vis.

Previo a la curva de calibración, se prepararon soluciones de diferente concentración del colorante azul de metileno, desde 2 hasta 10 mg/L y se les realizaron barridos en el intervalo de 400 a 750 nm.

Una vez identificada la banda de máxi-ma absorbancia, se prepararon 5 es-tándares: 2, 4, 6, 8 y 10 mg/L a partir de una solución madre de 100 mg/L, los cuales se colocaron en celdas de cuarzo para su posterior lectura en un espectrofotómetro UV-Vis marca Per-kin-Elmer modelo Lambda 35.

A partir de los valores de absorbancia obtenidos en los barridos para cada concentración de azul de metileno, se construyó la curva de calibración que se utilizó para la medición de co-lorante en los sobrenadantes de las muestras problema.

157

2.5 Cinéticas de adsorción

2.5.1 Cinética de adsorción del bio-sorbente

El biosorbente obtenido se puso en contacto con el colorante azul de me-tileno de concentración de 5 mg/L. Los experimentos de adsorción se llevaron a cabo para determinar la ca-pacidad de remoción del biosorbente con el colorante en función del tiempo de contacto.

Los experimentos se llevaron a cabo en 10 ml de solución de 5 mg/L de azul de metileno en frascos de vidrio color ámbar de 30 ml con 0.02g de adsorbente [20 mg adsorbente/10 ml colorante], a diferentes tiempos, des-de 15 minutos hasta 72 horas, cada muestra con su duplicado. Se colo-caron en un baño de agitación a 100 rpm y a una temperatura constante de 25 ºC, posteriormente se centri-fugó a 4000 rpm durante 5 minutos para separar el biosorbente de la so-lución de colorante.

Se separó el material adsorbente de la solución acuosa, se dejó secar en charolas pequeñas para poder obser-var visualmente la adsorción del colo-rante en el material. La concentración final de colorante en el sobrenadante se determinó en un espectrofotóme-tro de UV-VIS.

2.5.2 Cinética de adsorción del bio-composito

La cinética de adsorción del biosor-bente se realizó en condiciones simi-lares a las descritas en el apartado

2.5.1, sin embargo, en este caso, la masa de biocomposito utilizada fue de 0.2 g de biocomposito [200 mg adsorbente/10 ml colorante] y los tiempos de contacto fueron desde 15 minutos hasta 48 horas para cada muestra con su duplicado. Se colo-caron en un baño de agitación a 100 rpm y a una temperatura constante de 25 ºC. En el caso de los biocom-positos, la separación de los sobre-nadantes se realizó solamente por decantación.


3.1 Materiales

El biosorbente obtenido se presenta en la Figura 1. El biocomposito obte-nido se presenta en la Figura 2.

Figura 1. Biosorbente

Figura 2. Perlas de biocomposito

158

Como se puede observar en la Figura 1, la apariencia del biosorbente pre-senta una coloración naranja ligera-mente más clara que la del bagazo de zanahoria. El biocomposito obtenido presenta forma esférica con un diá-metro de aproximadamente 4 mm y una masa de 0.03 ± 0.01 g (Figura 2).

3.2 Caracterización de biosorbente

3.2.1 pH punto de carga cero

Se graficó la diferencia de pH final y pH inicial (pHf–pHi) vs pH inicial y el punto donde la diferencia de pHf – pHi es igual a 0 indica el punto cero de carga.

En este caso el punto cero de carga obtenido fue de 5.25 (Figura 3).

Figura 3. Punto cero de carga obtenido para el biosorbente.

3.2.2 Microscopia electrónica de ba-rrido (MEB)

Las imágenes de la microscopía elec-trónica de barrido se presentan en las Figuras de la 4 a la 6.

Figura 4. Microscopía del biosorbente sin

contacto aumento x100

Figura 5. Microscopía del biosorbente sin contacto aumento x2000.

Figura 6. Microscopía después de estar en

contacto x100.

159

La superficie del biosorbente presen-tan formas irregulares características de los materiales celulósicos, simila-res a las reportadas por Kushwaha et al. (2011), tal y como se puede obser-var en la Figura 4 y Figura 5.

En la Figura 6 se puede observar la superficie del biosorbente después de las pruebas de contacto con las soluciones de colorante azul de meti-leno, el material presenta una super-ficie aglomerada y lisa, en contraste con la superficie fibrosa (Figura 4), antes del contacto, este cambio se puede atribuir al proceso de hidra-tación y deshidratación (secado) del material separado de las soluciones sobrenadantes después de las prue-bas de contacto.

3.2.3 Microanálisis elemental por es-pectrometría de rayos X de energía dispersa (EDS)

El análisis EDS del biosorbente se presenta en la Tabla 1, antes y des-pués de estar en contacto con el co-lorante azul de metileno. En la com-posición del biosorbente se identificó que había mayor presencia de carbo-no y oxígeno antes y después de es-tar en contacto; y en menor medida el nitrógeno, sodio y potasio. También se puede observar que después de estar en contacto con el colorante, se presenta una ligera cantidad de cal-cio en el biosorbente.

El análisis EDS es una técnica pun-tual para conocer la composición de la superficie del biosorbente.

Tabla 1. Análisis de EDS del biosorbente an-tes y después de estar en contacto con el co-

lorante azul de metileno.

Elementos

Antes Después

Peso %

C 46.36 ± 1.48 40.71 ± 1.82

N 2.46 ± 4.27 11.18 ± 1.56

O 49.36 ± 2.99 54.34 ± 14.97

Na 0.4 ± 0.34 0.095 ± 0.19

K 1.42 ± 0.11 0.63 ± 0.18

Ca - 0.54 ± 0.13

3.2.4 Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (IRTF)

Los espectros IRTF del biosorbente antes y después de estar en contacto con el colorante se presentan en las Figuras 7 y 8, respectivamente.

Figura 7. Espectro IRTF del biosorbente antes del contacto con el colorante azul de metileno.

160

Figura 8. Espectro IRTF del biosorbente des-pués del contacto con el colorante azul de metileno.

Se puede observar que no se pre-sentan cambios significativos entre los espectros, únicamente la ban-da de 1600 cm-1 se ve más aguda en el biosorbente antes de estar en contacto, pero sigue siendo el mismo grupo funcional de alquenos, enlace C=C.

La banda más ancha de 3300 cm-1 hace referencia al enlace O-H, que in-dica la presencia de agua en la mues-tra. Además, se puede observar que en la banda 2350 cm-1 se presenta un enlace N=C=N, la de 1300 cm-1 representa aminas y la banda de 1000 cm-1 corresponde a compuestos de fosforo P-O-H.

3.3 Curva de calibración de azul de metileno por espectrofotometría UV-Vis. Se determinó la longitud de onda mediante barridos en el espectrofotó-metro de UV-Vis, obteniendo una lon-gitud de onda de 664.2 nm como se puede observar en la Figura 9.

Figura 9. Barridos de Azul de Metileno

A partir de la longitud de onda se determinó una curva de calibración, con un coeficiente de correlación de 0.999. En la Figura 10 se presenta la curva de calibración obtenida para los estándares seleccionados (Tabla 2).

Figura 10. Curva de calibración del colorante azul de metileno.

Tabla 2. Resultados de cinética de adsorción del biosorbente y del biocomposito

Biosorbente

Tiempo Cf ds %Re pH

0.25 1.14 0.006 76 7.0

0.5 0.94 0.022 81 7.0

1 0.78 0.031 84 7.0

3 0.70 0.009 85 7.3

5 0.50 0.050 90 7.2

161

Biosorbente

Tiempo Cf ds %Re pH

7 0.54 0.043 89 6.3

18 0.58 0.060 88 6.6

24 0.49 0.027 90 6.4

30 0.51 0.063 89 6.9

41 0.52 0.011 89 6.4

48 0.54 0.034 89 7.1

66 0.45 0.161 90 6.9

72 0.48 0.021 89 7.4

Biocomposito

Tiempo Cf ds %Re pH

0.25 4.06 0.092 13 7.4

0.5 3.63 0.275 25 7.4

0.75 3.67 0.041 26 7.1

1 3.32 0.198 31 6.8

3 2.16 0.065 56 7.1

6 1.79 0.214 61 7.0

9 1.45 0.020 69 7.1

12 0.93 0.106 78 7.1

18 1.16 0.026 75 6.9

24 1.16 0.059 75 7.2

36 0.99 0.162 78 7.2

48 1.17 0.093 73 6.9

Se puede observar que existe una co-rrelación lineal entre la concentración y la absorbancia, lo cual se demuestra con el valor del coeficiente de deter-minación (r2=0.999). Con esta curva de calibración se procedió a cuantifi-car las concentraciones del colorante.

Las concentraciones finales de las pruebas de contacto se obtuvieron de la curva de calibración de la Figura 10, también se midió el pH en los so-brenadantes y se calculó el porcenta-

je de remoción a diferentes tiempos de contacto (Ec. 1), los resultados se presentan en la Tabla 2 para el caso del biosorbente y para el biocompo-sito, respectivamente.

Ec. 1

%Re es el porcentaje de remoción del colorante durante las pruebas de contacto, ci y cf son las concentracio-nes de la solución del colorante inicial y final (mg/L).

Para el caso del biocomposito, el máximo porcentaje de remoción (78%) se obtuvo después de 12 ho-ras de contacto. En general se puede observar que en los primeros tiempos de contacto se presenta una baja re-moción de colorante, y desde las 3 horas el porcentaje de remoción fue superior al 56%, lo que en compa-ración con el biosorbente solo re-presenta una menor eficiencia. El pH también se mantiene en valores cer-canos a la neutralidad.

Para el caso del biosorbente, desde los 15 minutos de contacto, el por-centaje de remoción del colorante fue del 76%, y alcanzó un máximo de 90% a las 5 horas de contacto. Tam-bién se puede observar que el pH se mantuvo en valores cercanos a 7.

3.4 Cinética de adsorción

Para la cinética de adsorción, se cal-culó la cantidad de colorante adsor-bido por gramo de adsorbente a dife-rentes tiempos (Ec. 2).

162

Ec. 2

qt es la cantidad de colorante adsor-bido en el adsorbente al equilibrio [mg/g]. ci y cf son las concentracio-nes de la solución del colorante ini-cial y final (mg/L), V es el volumen de la solución que se puso en contacto del adsorbente (L) y m es la masa del adsorbente (g).

La capacidad de remoción del bio-sorbente para cada tiempo (qt), se obtuvo de los datos de la Tabla 2. En la Figura 11 se presentan las cinéti-cas de adsorción del biosorbente y del biocomposito.

Figura 11. Cinéticas de adsorción del biosor-

bente (·) y del biocomposito (·).

Se puede observar que para el bio-sorbente la capacidad máxima de adsorción fue de 2.14 ± 0.028 mg de colorante / g de biosorbente. Algo importante de notar es que el siste-ma alcanza el equilibrio a las 3 horas de contacto.

En un estudio para la remoción de azul de metileno con cáscaras de nuez de Brasil reportado por Mo-

desto de Oliveira Brito et al. (2010) se presenta una capacidad de remo-ción máxima de 1.1 mg / g, aunque es difícil de comparar estos resulta-dos, debido a que la composición y naturaleza de este biosorbente con los de la cáscara de nuez son dife-rentes, sí se puede resaltar que los residuos celulósicos de Daucus ca-rota ofrecen una buena capacidad de remoción, lo que los hace viables como una alternativa para la remo-ción de azul de metileno en solucio-nes acuosas.

El biocomposito presentó una capa-cidad de adsorción de 0.168 ± 0.0002 mg de colorante / g de biocomposito, que en comparación con el biosor-bente, es menor. En la Figura 11, se puede observar que el sistema alcan-za el equilibrio de adsorción a las 12 horas de contacto.

El biocomposito presenta la ventaja de una fácil separación del sólido por decantación, mientras que para el bio-sorbente se necesita filtración previa.

4. CONCLUSIONES

La capacidad de remoción del bio-sorbente fue de 2.14 ± 0.028 mg de colorante / g de biosorbente , la cual es mayor que la del biocomposito 0.168 ± 0.0002 mg de colorante / g de biocomposito.

Se puede concluir que los residuos celulósicos de Daucus carota ofrecen una alternativa eficiente para la remo-ción de azul de metileno en solucio-nes acuosas.

163

5. REFERENCIAS

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» Kushwaha, A.K.; Gupta, N. y Chat-topadhyaya, M.C. (2011). Removal of cationic methylene blue and mala-chite green dyes from aqueous solu-tion by waste materials of Daucus carota. Journal of Saudi Chemical Society. King Saud University. 18 (3), pp. 200–207.

» Modesto de Oliveira Brito, S.; Mar-tins, H.; Frota, L. y Pires de Azevedo, R. (2010). Brazil nut shells as a new biosorbent to remove methylene blue and indigo carmine from aque-ous solutions. Journal of Hazardous Materials, Elsevier, 174, pp. 84–92.

» Narayana-Saibaba, K.V. y Ravi Vital, K. (2019). Adsorption isotherm stud-ies on methylene blue dye removal using naturally available biosorbent. Rasayan J. Chem. 12 (4), pp. 2176-2182.

» Osma, J.; Saravia, V.; Toca-Herrera, J. y Rodríguez, S. (2007). Sunflower Seed Shells: A Novel and Effective Low-Cost Adsorbent for the Remov-al of the Diazo Dye Reactive Black 5 from Aqueous solutions. Journal of Hazardous Materials, Elsevier. 147 (2007), pp. 900-905.

» Vadivelan, V. y Vasanth Kumar, K. (2005). Equilibrium, kinetics, mech-anism, and process design for the sorption of methylene blue onto rice husk. Journal of Colloid and Inter-face Science, 286 (1), pp. 90–100.

165

Caracterización de nanopartículas de quitosán-tripolifosfato y su comportamiento en cultivos celulares de macrófagos

A. Cortés-Reséndiz, M. J. Ugarte-Orozco, J. L. Oliva-Ramírez

RESUMEN

Las nanopartículas sintetizadas a base de quitosán han ganado especial atención por su extensa aplicación en la liberación controlada de fármacos en métodos terapéuticos. El quitosán es un biopolímero biocompatible, bio-degradable y antimicrobiano que por diferentes métodos de síntesis es ca-paz de formar nanopartículas. Al ser degradadas en ambientes fisiológicos liberan las moléculas contenidas en el interior, de lo que se deriva su poten-cial como vehículo. Sin embargo, pocas metodologías estandarizan los pro-cedimientos para controlar el tamaño de partícula y la cinética de liberación del fármaco. Diferentes biomoléculas pueden ser encapsuladas en nanopar-tículas de quitosán en su forma funcional, permitiendo la entrega a diferentes compartimentos celulares ampliando la gama de las vías de administración. Uno de los grandes problemas que enfrentan los nanomateriales cuando se encuentran en contacto con sistemas in vivo es su reconocimiento como material extraño por los macrófagos. Esto ocasiona que dichas células del sistema inmune fagociten las nanopartículas, bloqueando la entrega efectiva del fármaco encapsulado. De los hallazgos de este estudio se conoce que a través de diferentes condiciones se puede ajustar el tamaño de partícula, así como su cinética de liberación cuando una proteína es encapsulada. Se busca caracterizar nanopartículas fabricadas por coacervación poli iónica y encontrar una relación entre el tamaño de partícula y la aceptación e inter-nalización por macrófagos, así como su biodistribución dentro de la célula. Este método de síntesis permite marcar las nanopartículas con moléculas fluorescentes para monitorear su localización en cultivos celulares. Se utiliza microscopía de fluorescencia para evaluar la disposición intracelular de es-tas estructuras.

Palabras clave: Entrega de fármacos, modelo predictivo, nanopartículas, quitosán, siste-ma fagocítico.

166

1. INTRODUCCIÓN

Caracterización de nanopartículas

Para la síntesis de nanopartículas de quitosán se utilizan varios métodos. Uno de los más usados es la coacer-vación poli iónica. El quitosán debe encontrarse protonado, disuelto en un medio ácido (pH<6.5), por debajo de su punto isoeléctrico. Se induce la for-mación de partículas por medio de la reacción química con un polianión (tri-polifosfato de sodio) y agitación a ve-locidad constante. Parámetros como la velocidad de agitación, peso mole-cular del quitosán, grados de desace-tilación, el pH y las concentraciones de ambos compuestos influyen en el tamaño de partícula, de tal manera que es posible estandarizar variables de proceso para un tamaño objetivo. Hussain y Sahudin (2016) obtuvieron relaciones directas entre el peso mo-lecular del quitosán, el pH de la solu-ción y el tamaño de partícula. Por otro lado, en ciertos rangos de velocidad de agitación observaron relaciones inversas con el tamaño de partícula. Adicionalmente, la incorporación de otros compuestos como polietilengli-col puede contemplarse para estabili-zar la partícula y realizar crosslinking.

Los parámetros de síntesis pueden modular la cinética de liberación de proteína y la estabilidad en medios fisiológicos, afectando también la efi-ciencia de encapsulación y la interac-ción de las proteínas con el exterior de la partícula. El comportamiento cinético de liberación de fármaco se monitorea por ensayos de cuantifica-ción de biomoléculas. Si este proce-

so cuantitativo se repite en diferentes tiempos, se puede obtener el compor-tamiento de liberación. Éste es único para las características fisicoquími-cas de la nanopartícula, así como la molécula que fue encapsulada, por lo que se requiere una caracterización rigurosa para cada caso. Las variables para la caracterización de estas nanopartículas contemplan su forma, carga superficial y tamaño. Las primeras se evalúan por medio de microscopía electrónica mientras los últimos por métodos de análisis de partículas.

Interacción con el sistema mononu-clear fagocítico

Una caracterización exitosa de nano-partículas que encapsulan moléculas de interés no es suficiente para ase-gurar su funcionalidad como vehículo de entrega. Se conoce que en siste-mas in vivo existen numerosas inte-racciones de estas estructuras con el sistema de monitoreo del organismo receptor de las partículas.

Los fagocitos son un factor determi-nante entre la exposición de nano-materiales y la aceptación y procesa-miento de estos. Los macrófagos son las células principales del sistema inmunológico innato y, como prime-ra línea de defensa, procesan las na-nopartículas la cuales son mediadas por respuestas antiinflamatorias. Para lograr diseñar un sistema de nano-partículas que sea ignorado por el sistema fagocítico mononuclear es importante comprender las interac-ciones entre nanopartículas y macró-fagos a nivel celular.

167

Se han descrito diversos mecanis-mos por los cuales puede suscitarse un reconocimiento del material ex-traño. Partículas zwitteriónicas o con cargas superficiales interactúan con moléculas polares del medio en que se encuentra el tejido blanco. Los po-lipéptidos pueden adsorberse en la partícula, lo que es detectable por el sistema inmune innato como una aler-ta de material extraño. No significa que en todos los casos el sistema inmune sea capaz de reconocer directamente la presencia de nanomateriales, sino los fenómenos que desencadena.

La morfología, estructura y carga de las estructuras son algunas de las va-riables que pueden modificarse para los procesos de adsorción de los na-nomateriales con proteínas.

Algunos nanomateriales presentan cargas superficiales que favorecen la opsonización de proteínas. Al adsor-berse en las partículas, las proteínas del medio sufren cambios estructura-les diversos. Gustafson et al. (2015) describieron las posibles modifica-ciones de las estructuras proteicas adsorbidas en nanopartículas que pueden desencadenar procesos de inactivación de materiales extraños. Esto puede modificar la conforma-ción de dichos péptidos, lo que me-dia la interacción con los receptores superficiales de macrófagos, influ-yendo directamente en el fenómeno de fagocitosis. Una explicación que se ofrece, es que el reconocimiento por proteínas adsorbidas en la na-nopartícula puede originarse por la exposición de epítopos que no se

encuentran accesibles en la proteína nativamente plegada.

Figura 1. Interacción de nanopartículas con las proteínas sanguíneas.

Las cargas superficiales de las nano-partículas, además de dictar su solu-bilidad en diferentes medios, median la interacción con otras moléculas con cargas disponibles para interac-ción, desencadenando fenómenos reconocibles por macrófagos. (Gusta-fson et al., 2015).

Los cambios conformacionales de las proteínas adsorbidas pueden diferir por efecto del tamaño de partícula, ya que se tiene una mayor o menor área de interacción con la nanoestructura.

Figura 2. Efecto de la curvatura y topografía de la nanopartícula.

Aspectos morfológicos que influyen en la adsorción de proteínas en las na-nopartículas. (Gustafson et al., 2015).

168

Aunque en algunos casos no se ha visto que la opsonización cause un gran impacto en la entrega y función de la nanopartícula, la unión de pro-teínas a la superficie puede enmas-carar grupos funcionales clave para la interacción con receptores celu-lares que son el blanco de la terapia (Getts et al., 2016).

Debido a que el material extraño que representan las nanopartículas puede ser inactivado por el sistema inmune innato, se ha comenzado a estudiar la estrategia ideal para diseñar una partí-cula ignorada por estas células. Si esto se logra, la proporción de nanopartí-culas que pueden cumplir su función en una aplicación terapéutica aumen-ta, permitiendo explotar al máximo los beneficios que los biopolímeros ofrecen como vehículo de entrega de fármacos. El conocimiento del efecto que tienen estas modificaciones so-bre el comportamiento celular abre la puerta a una ingeniería en cuanto al diseño de nanopartículas con propó-sitos diversos, con la finalidad de fa-vorecer o evitar la fagocitosis.

Los nanomateriales biodegradables han sido utilizados ampliamente en tratamientos terapéuticos. Para mejorar la entrega direccionada de fármacos se busca caracterizar na-nopartículas de quitosán portadoras de moléculas, comprendiendo la rela-ción que existe entre los macrófagos y el tamaño de la partícula creada, ya que este parámetro influye en su bio-distribución y reconocimiento. Estas interacciones determinarán el tiempo de retención de las nanopartículas en tejidos o células y su desempeño

dentro de un sistema in vivo después de internalizarlas. Sin embargo, las interacciones macrófago-partícula deben primero estudiarse en mode-los in vitro para determinar los me-canismos básicos por los que esto ocurre y así asegurar la entrega de las moléculas encapsuladas en la célula o tejido blanco en modelos in vivo.

En este trabajo se busca evaluar el efecto que tiene el tamaño de nano-partícula de quitosán en el reconoci-miento y posterior internalización por macrófagos para reducir el grado en que estas células inactivan este ve-hículo de entrega de fármacos. Asi-mismo, comprobar si la síntesis de nanopartículas de menor tamaño reducirá el reconocimiento en culti-vos de macrófagos, el cual se verá reflejado con menor internalización de nanopartículas en un tiempo de-terminado, por lo que serán capaces de permanecer en contacto por más tiempo con el tejido blanco, al no ser fagocitadas inmediatamente. De igual forma el sistema de predicción de la liberación permitirá saber el tiempo exacto que se requiere para liberar el fármaco previo a la internalización o degradación de las partículas.

2. METODOLOGÍA

2.1 Preparación de quitosán marcado con el fluorocromo isotiocianato de fluoresceína (FITC) y TPP

Las nanopartículas de quitosán se sintetizan de acuerdo con el método descrito por Jiang (2017) con modi-ficaciones. Se requiere una solución

169

concentrada de quitosán de bajo peso molecular que será marcado con un fluorocromo. Los grupos ami-no del quitosán facilitan la unión de FITC, por la que ocurre un marcaje. El quitosán se pone a reaccionar en oscuridad con FITC en condiciones ácidas durante 12 horas a tempera-tura ambiente. El grado de marcaje de las nanopartículas se controla con la relación quitosán-FITC y debe ser exactamente la misma para todas las preparaciones de tamaños de par-tícula. Posteriormente, se recupera el biopolímero marcado (CS-FITC) para su liofilización. Al recuperar el CS- FITC se requiere disolverlo en ácido acético 1% y preparar la so-lución a una concentración previa-mente determinada, según el tamaño de nanopartícula deseado, ya que la concentración de esta solución, así como la proporción másica CS-FIT-C:TPP es determinante del rango de tamaño final. Al terminar se debe fil-trar la solución. La solución del polia-nión TPP fue preparada a 1 mg/ml en ácido acético 1% y filtrada. Según el tamaño de partícula deseado la con-centración y proporción de estas so-luciones puede modificarse.

2.2 Preparación de nanopartículas fluo-rescentes

La síntesis comienza mezclando la solución de quitosán, a la cual se añade un volumen de solución de TPP por goteo a una velocidad de agitación constante que será deter-minada por el tamaño de partícula buscado. La agitación se mantiene a temperatura ambiente por un tiempo que afecta también el tamaño final.

Posteriormente, se recuperan las na-nopartículas por ultracentrifugación. Se descarta el sobrenadante y se resus-penden en DMSO o agua desionizada para someterlas a análisis de partícula.

2.3 Estandarización de las condicio-nes de síntesis con un tamaño de partícula objetivo

Se prepararon soluciones de CS y TPP a concentraciones de 2-3 mg/mL y 1 mg/mL respectivamente. Se buscó una relación másica CS:TPP que permitiera la formación de nano-partículas con un rango de tamaño de 100-200 nm, mientras el pH de sínte-sis se mantuvo constante. Por otra parte, a concentraciones constantes se determinó un valor de pH óptimo para ajustar el tamaño de partícula. Después de determinar proporciones másicas entre reactivos y pH de sín-tesis se evaluó el efecto de la veloci-dad de agitación, seleccionando tres de ellas, correspondientes a tres ta-maños finales de partícula distintos.

2.4 Observación de morfología de na-nopartículas por microscopía electró-nica de transmisión (TEM)

Algunos protocolos de preparación de muestras orgánicas para su obser-vación por TEM pueden variar. Para este caso se realiza una tinción ne-gativa con membrana de Formvar y ácido fosfotúngstico 1% (p/v). Se re-comienda un aumento de 150,000X. A diferentes velocidades de agitación y relaciones másicas CS:TPP se deben obtener tamaños distintos, pero mor-fología consistente.

170

2.5 Biodistribución de nanopartículas en cultivo de macrófagos

Para lograr la interacción entre nano-partículas y células se incubaron en medio RPMI con 1% de suero fetal bovino (SFB) que contenía nanopar-tículas fluorescentes (a concentracio-nes previamente determinadas) en placas de 6 pozos, a 37°C y 5% CO2 durante 4 horas. El medio de cultivo con nanopartículas se retiró y el pozo se lavó con PBS (pH 8.0) frío. Se tiñe-ron posteriormente con Mitotracker Red CMX Ros. Las células se fijaron después de la estimulación y fueron lavadas con PBS. Se observará la fluorescencia de nanopartículas mar-cadas con FITC en las estructuras celulares junto con las mitocondrias teñidas anteriormente. Las células se observaron con epifluorescencia en un microscopio Olympus BX51.

Figura 3. Captación intracelular de nanopartí-culas marcadas con FITC. (Jiang et al., 2017)

2.6 Citotoxicidad de nanopartículas de quitosán marcadas con FITC

Se debe preparar un cultivo de cé-lulas a una densidad conocida, para posteriormente reemplazar el volu-men de medio de cultivo con suero al 1% de SFB conteniendo nanopar-tículas a diferentes concentraciones. La incubación es a 37 °C y 5% CO2 por 36 horas. Un ensayo de MTT se hace para determinar viabilidad ce-

lular después del periodo de incuba-ción con nanopartículas.

2.7 Análisis de partícula por NanoSi-ght NS300

El conteo de nanopartículas por mi-lilitro se realizó a una dilución 1:1000 de la suspensión original. El equipo usado elabora gráficos de frecuencia del conteo de partículas por tama-ño, además de calcular parámetros estadísticos descriptivos. Para esto, se utilizó un láser Blue488 y, para la verificación del marcaje fluorescente, se colocó un filtro de 500 nm, dada la longitud de onda de emisión del fluo-rocromo.

2.8 Captación intracelular de nano-partículas fluorescentes

El cultivo celular debe incubarse en medio con 1% de suero que con-tiene nanopartículas marcadas con FITC. Después de 4 horas se retira el medio y se usa PBS para hacer un lavado. Para obtener datos cuantita-tivos, el cultivo se puede analizar con un citómetro de flujo la intensidad de fluorescencia, que será proporcional a la cantidad de partículas que han sido internalizadas en ese tiempo. Los eventos de interés serán los po-sitivos para el colorante intracelular y positivos también para la fluores-cencia por FITC. Este ensayo puede realizarse a diferentes tiempos para trazar el comportamiento cinético de la internalización de partículas. Así, los datos en un tiempo determinado son proporcionales a la cantidad de nanopartículas del tamaño utilizado que han sido captadas. Este ensayo

171

se realiza para cada tamaño de partí-cula propuesto.

3.DISCUSIÓN DE RESULTADOS

3.1 Síntesis y caracterización de na-nopartículas de quitosán-tripolifosfato

3.1.1 Morfología de nanopartículas por microscopía electrónica de trans-misión (TEM)

Se muestran algunas imágenes ob-tenidas durante los últimos meses de investigación (Figura 4).

De esta observación de morfología se puede verificar la formación de nano-partículas y estimar su tamaño. Las imágenes sugieren que las nanopartícu-las tienen una tendencia a agregarse a ciertas condiciones del microambiente.

Figura 4. Nanopartículas observadas en microscopio electrónico de transmisión a 150000x. Observación directa de nanopartí-culas sobre rejilla de cobre. Tamaño promedio de partícula 27.7 nm con morfología uniforme.

El quitosán es soluble a pH menores a 6.5, por lo que una pérdida de acidez en la solución induce a la formación de agregados. La Figura 4 muestra el análisis cualitativo de la síntesis que aparece en la Figura 5. La diferencia de tamaños detectada por el analiza-dor de partículas puede deberse a la presencia de estos conglomerados.

3.1.2 Análisis de marcaje de nanopar-tículas-FITC

Los primeros ensayos de síntesis se realizaron a condiciones no estan-darizadas, verificando únicamente la presencia de nanopartículas y su dis-tribución de tamaño (Figura 5).

Figura 5. Concentración y tamaño de nano-partículas por mL de suspensión (1:1000). Distribución de tamaño de nanopartículas obtenidas por análisis en NanoSight NS300 usando un láser Blue488.

3.1.3 Determinación de tamaño de partícula según la velocidad de agi-tación

Se sintetizaron nanopartículas a di-ferentes velocidades y se analizó la distribución de tamaño a estas con-diciones. Se obtuvieron los diámetros de 142.0 +/-13.3 nm con una moda de 112.8 +/- 40.6 nm (Figura 6), 155.3

172

± 2.5 nm con una moda de 125.1 ± 8.6 nm (Figura 7) y 123 ± 23.7 nm con una moda de 70.1 ±16.7 nm (Figura 8). La razón por la cual se eleva el valor del promedio y se aleja de la moda en este último caso es la presencia de aglomerados que no se lograron elimi-nar. Éstos son causados por el tiempo de almacenamiento de la muestra an-tes de los análisis instrumentales.

Figura 6. Concentración y tamaño de nano-partículas por mL.

Diámetro promedio de 142.0 +/- 13.3 nm con una moda de 112.8 +/- 40.6.

Lo que se muestra en la figura 7 con-cuerda con lo reportado por Hussain y Sahudin (2016), donde una proporción másica de quitosán-TPP de 6:1 propi-cia la formación de nanopartículas de 187 ± 23 nm a un pH equilibrado a 4.8.

Figura 7. Concentración y tamaño de nano-partículas por mL.

Diámetro promedio de 155.3 ± 2.5 nm con una moda de 125.1 ± 8.6 nm.

La variación en el tamaño obtenido con respecto a lo reportado por Hus-sain y Sahudin (2016) puede ser cau-sada por la diferencia en el pH de en-capsulación. El cambio de diámetro promedio dependiente de la acidez del medio fue también caracterizado por Sahudin (2016) y es otra variable para modular un tamaño de partícula deseado. En este estudio no se ajus-tó la acidez del medio, sino que se realizó con una solución de quitosán disuelto en ácido acético en concen-traciones porcentuales (1%). Si el me-dio de encapsulación es más ácido, tiende a observarse un decremento ligero en el tamaño de partícula mien-tras todas las demás condiciones de proceso son constantes (Sahudin et al., 2016). Como tendencia, se puede observar que el tamaño final a una ve-locidad de agitación mayor es consi-derablemente menor.

Figura 8. Concentración y tamaño de nano-partículas por mL. Diámetro promedio de 123 ± 23.7 nm con una moda de 70.1 ± 16.7 nm.

173

3.1.4 Síntesis de nanopartículas con marcaje fluorescente

Se sintetizaron nanopartículas fluo-rescentes con una distribución de tamaño que se muestra en la Figura 10. Basado en la longitud de onda de emisión del FITC, se determinó utili-zar el filtro de 500 nm. De 500 mg de quitosán marcado se logró recuperar el 6% másico. La Figura 9 correspon-de a una captura de un video tomado por el equipo al analizar la muestra. Se confirmó también con nanopartículas elaboradas sin marcaje fluorescente que no eran detectadas por el anali-zador colocando el filtro de 500 nm (Figura 9).

Figura 9. Primera síntesis con el método modificado, observación de partículas por movimiento en fluido. Nanopartículas de qui-tosán-tripolifosfato visualizadas en el ana-lizador de partículas NanoSight NS300, con un láser Blue488 y un filtro de 500 nm. A) sin marcaje fluorescente por FITC. B) Con mar-caje fluorescente por FITC.

La distribución de tamaño, por otra parte, se mostró dispersa (Figura 10), por lo que para homogeneizar el tama-ño se hicieron algunas modificaciones sobre el tratamiento de la solución de quitosán marcado previo a la encap-sulación. Estas modificaciones se en-focaron en la separación selectiva de las cadenas de quitosán de acuerdo con su peso molecular.

Figura 10. Concentración y tamaño de par-tícula de la primera síntesis realizada por el método modificado. Distribución de tamaño de nanopartículas marcadas con FITC obte-nida por análisis en NanoSight NS300 usando un láser Blue488 y filtro de 500 nm.

Después de estos ajustes se analizó una segunda síntesis, mostrando me-nor dispersión de tamaño (Figura 11), resultado de una membrana de rango de exclusión conocido y una filtra-ción más rigurosa. El diámetro pro-medio de este segundo ensayo fue de 168.4 ± 4.3 nm con una moda de 150.8 ± 20.9 nm. Esto indica eventos más centrados al valor de la moda y menor formación de partículas atípi-camente grandes. Se confirmó la pre-sencia de FITC utilizando el filtro de 500 nm (Figura 12).

Figura 11. Concentración y tamaño de partí-cula de la segunda síntesis realizada por el método modificado. Distribución de tamaño

174

de nanopartículas marcadas con FITC obte-nida por análisis en NanoSight NS300 usando un láser Blue488 y filtro de 500 nm.

Figura 12. Segunda síntesis con el método modificado, observación de partículas por movimiento en fluido. Nanopartículas de quitosán- tripolifosfato con marcaje fluores-cente por FITC visualizadas en el analizador de partículas NanoSight NS300, con un láser Blue488 y filtro de 500 nm.

Se puede determinar con el análi-sis anterior con y sin marcaje que el acoplamiento de FITC al quitosán no afecta de manera significativa en el ta-maño de nanopartícula. En la siguiente tabla (Tabla 1) se resumen las caracte-rísticas obtenidas con los parámetros empleados.

Tabla 1. Resumen de tamaños y concentra-ción de partícula obtenidos de acuerdo con las condiciones de síntesis.

3.2 Evaluación in vitro de la interacción del tamaño de nanopartículas con el sistema fagocítico

3.2.1 Establecimiento de cultivos con estímulo de nanopartículas en tres ta-maños diferentes

Para observar el comportamiento de las nanopartículas en células monocí-ticas, se sintetizaron tres tamaños de partículas a diferentes velocidades de agitación las cuales, posteriormente, se resuspendieron en medio RPMI con 1% de suero. Se seleccionaron estas condiciones ya que, de acuerdo con Hussain y Sahudin (2016), bajo ciertas condiciones de síntesis tales como tiempo, velocidad y concentración de quitosán se puede determinar que los tamaños de nanopartículas entra-rían en un rango de 70-150 nm. En las secciones anteriores se demostró que nuestras condiciones de síntesis son adecuadas para fabricar nanopartícu-las en este rango de tamaños.

Se estableció un cultivo celular con medio de cultivo RPMI y SFB al 1%, el cual posterior a 24 horas de incu-bación se remplazó con medio nuevo de la misma composición y se adi-cionaron 200 µL de nanopartículas. Al establecer el cultivo se verificó la morfología monocítica de dichos cul-tivos y se colocaron en incubación por 4 horas para posteriormente ob-servar el efecto del estímulo.

Sólo se encontraron algunas células con cambios morfológicos, propios de monocitos en activación cuando fueron estimulados con nanopartícu-las sintetizadas a mayor velocidad.

3.2.2 Análisis de internalización de nanopartículas por microsco-pia de fluorescencia

Posterior a las 4 horas de incuba-ción, aquellas células que entraron en

175

contacto con las nanopartículas sin-tetizadas de tamaño 70.1 ± 16.7 nm, presentan fluorescencia cercana al núcleo y mantienen una distribución homogénea y circular (Figura 13). Las partículas de mayor tamaño se loca-lizan en citoplasma o periferia de ta-maño 112.8 ± 40.6 nm y 150.8± 20.9 nm, muestran agrupaciones o conglo-merados que sugieren una macropi-nocitosis. Sin embargo, se requieren marcadores específicos para deter-minar si hay diferencias en el proceso molecular de internalización.

Figura 13. Localización de nanopartículas de quitosán-tripolifosfato con marcaje fluores-cente por FITC en la estructura celular. SE: sin estímulo; 112.8 ± 40.6 nm, 150.8 ± 20.9 nm y 70.1 ± 16.7 nm: estimulados con nano-partículas sintetizadas a esa velocidad de agitación.

Estructura revelada con Mitotracker Red CMXRos.

3.2.3 Captación celular de nanopartí-culas por citometría de flujo

La internalización fue analizada cuan-titativamente por citometría de flujo. Los datos obtenidos gráficamente por el control se pueden interpretar de acuerdo con los diferentes cua-drantes, donde se observa el Mito-tracker Red CMXRos (eje x) contra la

fluorescencia por FITC (eje y), por lo cual el cuadrante de interés con do-bles positivos es Q2.

Figura 14. Análisis representativo de quitosán intracelular por citometría de flujo. 1A) Mono-citos SE. 1B) Porcentaje en los cuadrantes. 2A) Monocitos con nanopartículas de 112.8 ± 40.6 nm. 2B) Porcentaje en los cuadrantes. 3A) Monocitos con nanopartículas de 150.8 ± 20.9 nm 3B) Porcentaje en los cuadrantes. 4A) Monocitos con nanopartículas de 70.1 ± 16.7 nm 4B) Porcentaje en los cuadrantes.

Después de 4 horas de incubación, se presentaron los siguientes porcen-tajes de dobles positivas: las células control un 0.06%, las células sin estí-mulo un 0.2%, las células con estímu-lo de 112.8 ± 40.6 nm un 36.09%, las células con estímulo de 150.8 ± 20.9 nm un 19.49% y aquellas con estímu-lo de 70.1 ± 16.7 nm un 20.83%.

En el gráfico comparativo de todos los análisis realizados (Figura 15), se muestra que las células internalizan más a aquellas nanopartículas que se encuentran en el rango de 100-120 nm.

Se observa que menos células inter-nalizan partículas de 150.8 ± 20.9 nm y 70.1 ± 16.7 nm respecto a 112.8 ± 40.6 nm. Esto sugiere que las partículas de mayor tamaño pueden ser internaliza-das con alta eficiencia, probablemente por su facilidad para ser reconocidas

176

por los monocitos como agentes noci-vos por receptores innatos.

Figura 15. Análisis porcentual de internaliza-ción de nanopartículas de quitosán. Repre-sentación gráfica de porcentaje de células que muestran fluorescencia de todos los en-sayos realizados (N=3).

Este fenómeno podría deberse a que la activación de los macrófagos no es un proceso lineal y la internalización se lleva a cabo mediante procesos de endocitosis mediados por clatrina (EMC). Este mecanismo consiste en la invaginación de la membrana plasmá-tica, transportando las nanopartículas al interior de la célula. De acuerdo con Kafshgari (2015) la internalización por EMC tiene una gran correlación con el tamaño de nanopartícula (50-200 nm) y tiene tendencia por transportar al lisosoma. Este mecanismo permi-te a las nanopartículas permanecer o retrasar el tiempo de degradación a comparación de la fagocitosis. A pe-sar de que el tamaño de nanopartícu-la es determinante del mecanismo de endocitosis, los resultados obtenidos sugieren que existen rangos de tama-ño para los cuales la internalización ocurre a un ritmo similar.

4.CONCLUSIONES

A diferencia del protocolo de marca-je reportado en la literatura, con esta innovación en el método de síntesis, se determinó un mayor rendimiento de recuperación de polisacárido des-pués de la reacción con el fluorocro-mo. El polisacárido que constituye las nanopartículas fue marcado exitosa-mente con isiotiocianto de fluores-ceína (FITC) facilitando su detección. Como se puede observar en los resul-tados (Figuras 13-16), el analizador de partículas sólo detectó aquellas elaboradas con quitosán marcado con FITC al colocar un filtro de 500 nm, de acuerdo con el espectro de emisión de esta molécula fluorescen-te, mientras que no fueron visibles aquellas partículas sin marca. Se lo-gró obtener un método de tratamien-to de las soluciones de quitosán mar-cado previo a la encapsulación que reduce la dispersión inicial obtenida. El tamaño de partícula fue estanda-rizado con las condiciones descritas en la sección anterior y confirmado a través de métodos analíticos.

Los cultivos celulares mostraron es-tabilidad bajo las condiciones de-terminadas. La morfología que se observó al microscopio es correcta, pero debe mejorarse el manejo de los materiales que entran en contacto con las células para evitar contami-naciones que puedan alterar el com-portamiento metabólico de la línea celular. En la Figura 13 se observó el mecanismo de endocitosis probable-mente mediado por clatrina, como ha sido reportado por Kafshgari (2015).

177

Se puede afirmar que las condiciones de síntesis influyen directamente en el tamaño de la nanopartícula.

En los monocitos aquellas sintetiza-das con mayor tamaño (150.8 ± 20.9 nm), aumentan la cantidad de nano-partículas internalizadas, probable-mente debido a los mecanismos de fagocitosis y al tiempo de contacto. Dos de los tamaños de partícula sin-tetizados muestran un grado de inter-nalización similar.

Con nuestro estudio proponemos que los parámetros de síntesis van a influir directamente a la captación de nanopartículas en compartimien-tos intracelulares proporcional a su tamaño (Figura 16), probando que a mayor tamaño aumenta la tasa de endocitosis. Esto, creemos, impacta-rá en los mecanismos y cinéticas de liberación de biomoléculas o fárma-cos encapsulados en nanopartículas de quitosán.

Figura 16. Influencia del tamaño de nanopar-tículas de quitosán sobre la endocitosis en monocitos y su posible relación con la libera-ción de biomoléculas.

Se requieren más ensayos para encon-trar mecanismos moleculares como receptores de clatrinas, marcadores de activación monocítica, cambios metabólicos, y elementos presentes en fagosomas que sustenten nues-tros hallazgos. Asimismo, se requiere generar estrategias que mantengan a las nanopartículas en contacto con las células por tiempos prolongados sin que sean fagocitadas, para realizar liberación adecuada de biomoléculas. Estamos seguros de que nuestros ha-llazgos brindan un mecanismo estan-darizado y predictivo como paráme-tros que deben evaluarse para futuras tácticas de administración de fárma-cos o biológicos.

5. REFERENCIAS

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178

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179

Reconocimiento y purificación de bacteriocinas producidas por microorganismos aislados a partir de aguamiel

M. Pérez-García, E. Marrón-Montiel

RESUMEN

En la diversidad bacteriana presente en el aguamiel se encuentran bacterias capaces de producir compuestos bioactivos como: etanol, ácido láctico y algunos otros que pueden tener importantes aplicaciones biotecnológicas, como las bacteriocinas. Las bacteriocinas son péptidos antimicrobianos de bajo peso molecular secretadas por las células capaces de inhibir el creci-miento de algunas células presentes en el mismo medio, estos compuestos se han convertido en un gran campo de estudio debido a su amplio uso en la industria farmacéutica y alimentaria donde fungen como conservadores natu-rales. Las bacteriocinas producidas por bacterias ácido lácticas, son aplicadas en diversos alimentos mostrando su efectivo uso como conservadores natura-les. En este estudio se aisló una cepa a partir de aguamiel con características de bacterias ácido lácticas; bacilos grampositivo, catalasa negativa y por la producción de ácido láctico, además de la capacidad de incremento en con-tenido proteico después de las primeras 20 horas de incubación, siendo esta una razón para creer que uno de estos metabolitos excretados por la cepa aislada es el responsable de que se presente un efecto antagónico notable frente a microorganismos grampositivos; Bacillus subtilis y Staphylococcus aureus mediante la aparición de halos de inhibición. La identificación de la cepa se encuentra en proceso y el siguiente esfuerzo en esta investigación estará centrado en la purificación de la bacteriocina producida, capaz de ser empleada no solamente en la industria de los alimentos como conservador natural siendo un posible sustituto de conservadores sintéticos, sino en otras áreas como la farmacéutica.

Palabras clave: Bacteriocinas, aguamiel, bacterias ácido lácticas

180

1. INTRODUCCIÓN

Las bacteriocinas producidas por bac-terias grampositivas y gramnegativas, han sido estudiadas a fondo, especial-mente las producidas por bacterias ácido lácticas (BAL), estas proteínas han presentado características atrac-tivas para la industria, a continuación, se describen algunos ejemplos.

1.1 Bacteriocinas en la industria ali-mentaria.

La vida de almacenamiento prolonga-da de los productos alimenticios se debe principalmente a la producción de compuestos antimicrobianos que impiden su deterioro.

Se ha informado que diferentes bacte-riocinas actúan de forma sinérgica con-tra bacteriófagos y algunos microorga-nismos que afectan la calidad de los alimentos (Chikindas, et al., 2017).

La Nisina ha sido la única bacterioci-na que tiene la aprobación de la FDA (Food and Drug Administration) para el uso como conservante de alimentos, es producida por Lactococcus lactis sp, su mecanismo de acción es blo-quear las membranas de las células conduciendo a la lisis celular, puede evitar el crecimiento de Clostridim bo-tulinum y Bacillus cereus, además de ser resistente a tratamientos térmicos y pH ácidos (Juturu y Wu, 2018), se ha utilizado ampliamente en la indus-tria alimentaria como un conservante seguro y natural, y tiene el potencial de ser utilizada como biomedicina, ya que no solo es un agente antimi-crobiano, sino también una feromona

peptídica para inducir expresiones ge-néticas para su propia biosíntesis.

1.2 Bacteriocinas en la industria far-macéutica.

Las bacterias del ácido láctico, son un grupo de bacterias grampositivo, que producen ácido láctico como principal producto de la fermentación de ciertos carbohidratos.

Las bacteriocinas, han sido posicio-nadas también como anti-infeccio-sos, moduladores de la microbiota intestinal, convirtiéndose en aliados para el control de bacteriófagos, virus que infectan a las bacterias y que han sido considerados como una ame-naza en las fermentaciones lácticas (Martínez, et al., 2018).

Las bacteriocinas derivadas de las BAL, también han sido utilizadas como antibióticos orales, tópicos o desin-fectantes (Messaoudi, et al., 2013).

Los mecanismos antimicrobianos y los espectros de destrucción relativa-mente estrechos de las bacteriocinas los distinguen de los antibióticos tra-dicionales de amplio espectro, lo que los hace posibles candidatos para remplazar los antibióticos en el futuro (Zou, et al., 2018).

Un ejemplo de ello es la posibilidad de desarrollar bacteriocinas en anti-bióticos de nueva generación, acom-pañados con el rápido desarrollo de la genética y la nanotecnología, ex-pandiendo el camino a aplicaciones como el de crear sistemas de admi-nistración para el tratamiento contra

181

el cáncer, ya que algunas bacterio-cinas también han demostrado ser capaces de actuar selectivamente contra células cancerígenas y algu-nas otras con la capacidad de se-gregar lípidos, como las producidas por Bacillus subtilis, las cuales se ha comprobado poseen una actividad antiviral y espermicida contra la repli-cación de algunos virus (Chikindas , et al., 2017).

Debido a esto, se promueve investi-gar sobre la búsqueda de bacterio-cinas producidas por microorganis-mos aislados de fuentes naturales, para futuras aplicaciones en diversas áreas industriales.

2. METODOLOGÍA

2.1 Aislamiento de microorganismos a partir de aguamiel

Las muestras que se emplearon para el aislamiento de microorganismos fueron de aguamiel procedente de la comunidad de San Pedro Tlanixco, Estado de México, región donde esta bebida fermentada está disponible y es comercializada.

El aislamiento se desarrolló mediante la técnica de aislamiento por dilución, se utilizó Agar Man Rogosa Sharpe (MRS). El aguamiel se expuso a con-diciones gástricas simuladas con HCl (0.1M) durante 5, 10 y 15 minutos a 37 ºC en agitación constante. Se realizaron diluciones seriadas de las muestras de aguamiel inoculado en caldo MRS y con factor de dilución 1:10 hasta 1x10−5, posteriormente las

últimas 3 diluciones se sembraron directamente en caja Petri con agar MRS por extensión de placa, los cul-tivos se incubaron a 37 ºC por 72 ho-ras. Las cepas fueron seleccionadas de acuerdo a la morfología microscó-pica, tinción Gram y resultado de la prueba de catalasa que presentaron.

2.2 Evaluación de capacidad de pro-ducción de bacteriocinas de microor-ganismos aislados.

La evaluación de la capacidad de in-hibición de los microorganismos ais-lados contra microorganismos gram-positivos, se desarrolló mediante la técnica de zona de difusión descrita por Walker (2001).

Se realizó inoculando 20 ml de caldo MRS para cada una de las colonias de las cepas aisladas, los medios de cultivo líquido se incubaron a 37 ºC durante 72 horas. Se tomaron alícuo-tas de 3 ml pasadas 20, 30, 53 y 72 horas de cultivo. Las muestras fueron centrifugadas a 4000 rpm durante 15 minutos, las células fueron separadas del sobrenadante, para posteriormen-te realizar una siembra en forma de césped, ensayo de zona de difusión y la prueba de cribado en placa.

2.2.1 Siembra en césped

Se realizó una siembra en césped en placas de agar nutritivo con: Bacillus subtilis y Staphylococcus aureus, co-locando una gota de sobrenadante so-bre la placa, para posteriormente incu-bar a 37 ºC por 72 horas para verificar la presencia de bacteriocinas mediante

182

la aparición de halos de inhibición de crecimiento de los microorganismos.

2.2.2 Ensayo de zona de difusión

Para la prueba de zona de difusión se realizó una suspensión de Baci-llus subtilis y Staphylococcus aureus con NaCl (0.85%), se mezclaron 50 µL de suspensión en 4 mL de caldo MRS con agar (0.75%), la mezcla se vació en una placa con agar MRS, pasados 15 minutos, se realizaron pozos sobre el agar y se colocó den-tro de ellos 10 µL del sobrenadante de las cepas aisladas.

2.2.3 Prueba de cribado en placa

En una microplaca de 96 pocillos, se colocó 800 µL de sobrenadante de las cepas aisladas y 200 µL de Baci-llus subtilis y Staphylococcus aureus en suspensión. La microplaca se in-cubó a 35 °C por 24 horas, se leyó a 600nm en un espectrofotómetro para comprobar si la densidad ópti-ca disminuyó.


3.1 Aislamiento de microorganismos a partir de aguamiel y caracterización.

De acuerdo a las características mor-fológicas y microscópicas de las colo-nias crecidas (Tabla 1), se identificaron tres cepas que cumplían con carac-terísticas similares a las de bacterias ácido lácticas grampositivo, anaero-bias facultativas, catalasa negativa y por la producción de ácido láctico (González-Vásquez et al., 2015).

Tabla 1. Características Morfológicas y Mi-croscópicas de las cepas aisladas.

Figura 1. Morfología microscópica de 10CST

Figura 2. Morfología microscópica de 5CST

183

Figura 3. Morfología microscópica de 6MRS

3.2 Caracterización de microorganis-mos aislados

Las cepas aisladas presentan un re-sultado negativo a la prueba de la ca-talasa, no hubo presencia de burbu-jeo, se ha informado que las bacterias que presentan resultado negativo a la prueba de catalasa, son capaces de producir bacteriocinas (Silva, 2017).

Se ha demostrado que las bacterias probióticas, en su mayoría bacterias ácido lácticas en combinación con prebióticos crean una exitosa combi-nación importante para elevar la pro-ducción y secreción de biomoléculas como las bacteriocinas (Pranckute y Donaldas, 2016), por ello como par-te de su caracterización se evaluó la capacidad de producción de ácido láctico de las cepas aisladas.

Para construir la curva de calibración se colocó 10 g/L de ácido láctico (85%, d=1.2 g/mL), se realizaron di-

luciones de la solución de ácido lácti-co y se empleó una solución de FeCl3 (0.02%) para el desarrollo de la reac-ción, se midió la absorbancia a 390 nm (Figura 4).

Figura 4. Curva de calibración para determi-nación de ácido láctico.

La cepa 6MRS muestra una produc-ción de hasta 6.06 + 0.59 g/L después de 72 horas de cultivo (Figura 5).

Figura 5. Producción de ácido láctico cepa 6MRS.

3.3 Evaluación de capacidad de pro-ducción de bacteriocinas de microor-ganismos aislados

3.3.1 Siembra en césped

Las esporas de Bacillus subtilis han mostrado ser resistentes a tratamien-tos que incluyen desecación, calor, químicos, etc, causando así deterioro

184

Figura 7. Halos de inhibición contra Baci-llus subtilis

3.3.3 Prueba de cribado en placa

Después de leer las muestras a 600nm se observó una reducción de hasta el 51% de inhibición contra Staphylo-coccus aureus y un 77% contra Baci-llus subtilis.

3.4 Contenido Total de Proteína

La curva de calibración se construyó con albumina de huevo, utilizando 20.14g en 200ml de agua para tener una concentración de 0.1g/ml, se mi-dió a una absorbancia de 545nm (Fi-gura 8).

Los resultados obtenidos reportan un incremento en el contenido de proteí-na total, pasadas las 20h a partir de su inoculo en caldo MRS, la cepa 6MRS mostró un aumento de 27g/ML.

Figura 8. Curva de calibración para cuantifica-ción de proteína por reactivo Biuret.

en alimentos, provocando enferme-dades. Por lo tanto, se han generado diversos sistemas o tratamientos que permitan inactivar esporas de este tipo de manera efectiva (Rao et al., 2019).

Los halos de inhibición contra Ba-cillus subtilis fueron de aproxima-damente 1.0 cm de diámetro para 10CST, 1.2cm para 5CST y 1.1 para la cepa 6MRS como se muestran en la Figura 6.

Figura 6. Prueba de inhibición contra Baci-llus subtilis.

3.3.2 Ensayo de zona de difusión

Se observó la presencia de halos de inhibición únicamente de la cepa 6MRS contra Bacillus subtilis (Figura 7). La zona de inhibición se presenta a partir de las 24 horas, se sabe que la producción de bacteriocinas produci-das por bacterias ácido lácticas ocu-rre de forma natural durante la fase logarítmica del desarrollo bacteriano o al final de la misma, guardando una relación directa con la biomasa pro-ducida (Beristain Bauza et al., 2012).

185

5. CONCLUSIONES

Se aislaron tres cepas bacterianas a partir de aguamiel; 5CST, 10CST y 6MRS con características similares a las bacterias del ácido láctico de-bido a la morfología microscópica y colonial que presentan, además de la producción de ácido láctico, sin em-bargo solo la cepa identificada como 6MRS reportó mayor capacidad de inhibición sobre Bacillus subtilis, di-chos halos son más notables en un periodo de cultivo de entre 24 a 53 horas, lo cual está relacionado con la etapa logarítmica de crecimiento de las cepas aisladas, por ello se realizó la cuantificación de proteína repor-tando un incremento de hasta casi un 50% durante las primeras 20 horas de incubación.

6. REFERENCIAS

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Actividad antimicrobiana de la biopelícula con base en polisacáridos del xoconostle de la región mazahua

A. García-Sánchez, V.A. Gaona-Sánchez

RESUMEN

El objetivo de la presente investigación se basó en la evaluación y determina-ción de algunas características físicas, estructurales y funcionales (actividad antimicrobiana) de una biopelícula con base en los polisacáridos del xoco-nostle. A partir del mucílago y pectina extraídos del xoconostle se elaboraron soluciones formadoras de biopelículas de las cuales se obtuvieron biopelículas transparentes y flexibles, a las que se les evaluaron algunas características físicas y estructurales; la estructura superficial presentó aglomeraciones y/o formación de enlazamientos para ambas películas, las imágenes de la sec-ción transversal mostraron una estructura con aglomeraciones y parcialmente abiertas, pero en ambas biopelículas estuvieron ausentes las presencias de fracturas, grietas y poros. Al momento las películas con base en mucílago extraído del xoconostle, así como el mucílago en polvo también extraído del xoconostle se analizaron utilizando un espectrofotómetro infrarrojo. Los polvos y biopelículas con base a polisacárido de mucílago mostraron picos comunes entre ellos y acordes a mucilago. De acuerdo a las pruebas antimicrobianas de biopelícula con base en polisacáridos de xoconostle se tienen resultados donde las películas no presentan actividad antimicrobiana por sí sola, pero se cuenta con la posibilidad de agregar un compuesto antimicrobiano tal como bacteriocinas, aceites esenciales, polifenoles u otros para agregar estos adi-tivos en las películas de pectina o mucilago adquiriendo funcionalidad como materiales con actividad antimicrobiana.

Palabras clave: Xoconostle, Polisacáridos, Biopelícula, Actividad antimicrobiana.

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1. INTRODUCCIÓN

Una de las características y ventajas que posee México es la riqueza ge-nética como del género Opuntia spp. que por su diversidad de especies y cultivares es un recurso vegetal de gran importancia, que tiene como ca-racterística particular el desarrollarse en terrenos áridos o semiáridos, don-de pocas plantas pueden sobrevivir (Monroy et al., 2017). Opuntia spp. es un género complejo que incluye especies usadas para el consumo, conocidos en México como “nopali-tos”, así como los frutos: las tunas y los xoconostles (Majure et al., 2012).

Xoconostle (Opuntia spp.) es una especie de frutos ácidos, cuya baya es esférica, cilíndrica o piriforme, y presenta una depresión apical o re-ceptáculo, llamado (ombligo), con-tiene una proporción muy pequeña de pulpa, y pericarpio (pared de fruta que consta de dos capas: exocarpio y mesocarpio, o “piel” de la fruta) (Hernández-Fuentes et al., 2015; Pi-nedo-Espinoza et al., 2014; Álvarez y Peña, 2009). Son tolerantes a suelos pedregosos pobres y lluvias escasas después de madurar y han evolucio-nado hasta convertirse en cultivos formales (Gallegos et al., 2012).

De los compuestos químicos de Opuntia spp. el tejido que causa tales efectos beneficiosos solo se conoce parcialmente; algunos de ellos son carbohidratos (polisacáridos), como el mucílago, las pectinas y algunos otros compuestos como las vitami-nas y los polifenoles (Armenta, 2009). Las proteínas, los polisacáridos y sus

mezclas, como ejemplos de biopolí-meros naturales, son materiales ten-sos activos (Benichou et al., 2002).

Opuntia spp. ha sido hasta ahora la más explotada y comercializada en México (Ochoa, 2012). El xoconostle se utiliza generalmente como condi-mento en la comida mexicana, en la fabricación de dulces, mermeladas y bebidas. En los últimos años, varios productos de xoconostle han sido procesados, como polvos y salsas picantes, que han atraído la atención de los mercados internacionales, ha-ciéndose muy apreciados en varios países. (Guzmán et al., 2010), por lo cual, se ha incrementado los residuos de la cascara del fruto Xoconostle.

Las películas y recubrimientos comes-tibles, en varias frutas, se han utiliza-do durante siglos para evitar la pérdi-da de humedad. Las películas se han expandido rápidamente para retener la calidad de una amplia variedad de alimentos (Pavlath y Orts, 2009).

Por otra parte, las enfermedades transmitidas por los alimentos siem-pre han encabezado la lista de preo-cupaciones de seguridad alimentaria. Para inhibir el desarrollo de microor-ganismos patógenos o del deterioro, se puede utilizar el envasado con propiedades antimicrobianas. Es im-portante tener en cuenta que el uso de películas antimicrobianas no pre-tende ser un sustituto de las buenas prácticas de manejo, sino que debe mejorar la inocuidad de los alimentos como un impedimento adicional para el crecimiento de microorganismos patógenos y/o de deterioro.

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Por lo cual, las biopelículas podrían ayudar a minimizar el desarrollo de microorganismos patógenos o del de-terioro, se puede utilizar el envasado con propiedades antimicrobianas para extender la vida útil o mejorar las pro-piedades sensoriales o de seguridad, al mismo tiempo que mantiene la ca-lidad de los alimentos (Coma, 2008).

Salmonella spp., es una bacteria gram negativa que se puede transmi-tir a través del consumo de alimentos contaminados. Uno de los principales alimentos donde se encuentra es car-ne (pollo), mariscos, es responsable de casi la mitad de los casos de dia-rrea de origen bacteriano (De Carlos Rodríguez et al., 2002).

Listeria monocytogenes, es una bac-teria gram positiva que se puede transmitir a través del consumo de alimentos contaminados. Es causan-te también de infecciones no graves, como es la gastroenteritis febril que produce síntomas como diarrea, fie-bre, cefalea y mialgias, con un periodo de incubación corto (Muñoz, 2012).

Staphylococcus aureus, es una bac-teria gram positiva en alimentos preparados no industriales. Se ha convertido en la principal causa de infecciones en el torrente circulatorio e intoxicaciones ocasionadas por ali-mentos (Zendejas-Manzo et al., 2014).

Escherichia coli, es una bacteria gram negativa y reside en el intestino hu-mano y es encontrado en los alimen-tos tales como, carne, alimentos con-taminados por aguas, es la causante de enfermedades trasmitidas por ali-

mentos (ETAS) en el mundo, por es-tar asociada a cuadros clínicos que pueden cursar una diarrea no sangui-nolenta hasta una colitis hemorrágica (CH) (Franco-Anaya et al., 2013).

Por lo cual el objetivo del presente proyecto fue la determinación y eva-luación de actividad antimicrobiana de una biopelícula con base en poli-sacáridos del xoconostle de la región mazahua.

2. METODOLOGÍA

2.1. Material y métodos.

Polisacáridos extraídos de los residuos de xoconostle, pectina de la cáscara de cítricos, glicerol (G5516, Sigma- Aldrich, Méx), Tween 20 (P1379, Sig-ma-Aldrich, Méx), etanol al 96% (v/v) y agua destilada, Agar Miller Hilton, Agar nutritivo.

2.2. Obtención de biopelículas con base en polisacáridos del xoconostle.

Con el fin de seleccionar la concen-tración de polisacáridos y las condi-ciones de operación bajo las cuales se pudieran obtener muestras con características propias de una pelícu-la y semejantes a las obtenidas por el método de casting, se llevó a cabo la metodología propuesta por Gaona et al. (2016). Para ello y con base en la información publicada, se seleccio-naron las concentraciones de polisa-cáridos, plastificante y/o tensoactivo correspondientes. La solución pre-parada se agitó en una parrilla eléc-trica con agitación (Corning PC 320

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agitador de placa caliente, Tewks-bury, MA, EE.UU.) durante un lapso y a temperatura adecuada, posterior-mente se añade glicerol en un por-centaje de acuerdo a lo reportado en la literatura, con base al peso de los polisacáridos y se agitó durante más de tiempo.

Finalmente, a la solución se le agrego Tween 20 en una relación de acuerdo a lo reportado y se agitó durante unos minutos más. La solución de polisa-cáridos se vierte en placas. La solu-ción se somete a secado en horno (TERLAB, MAH25D, Mex.) a tempe-ratura y tiempo establecidos.

Las muestras para su acondiciona-miento y el análisis posterior se al-macenaron a temperatura ambiente dentro de un desecador que contenía una solución saturada de bromuro de sodio (NaBr) para mantener una hu-medad relativa de 57.9%.

2.3. Caracterización de biopelículas.

2.3.1. Microscopía Electrónica de Ba-rrido Ambiental (MEBA).

La estructura superficial y trans-versal de las películas obtenidas a través de la técnica de casting se estudia mediante Microscopía Elec-trónica de Barrido Ambiental (MEBA) con un microscopio electrónico de barrido ambiental.

2.3.2. Determinación de evaluación de espectroscopia FTIR.

Las películas seleccionadas fueron escaneadas con un espectrómetro FTIR. El espectro fue corrido en el rango de 400 a 4000 cm-1 con señal automática que se recorrió en 32 es-caneos a una solución de 4 cm-1 y fueron retirados contra un espectro de fondo grabado de la celda limpia y vacía a 25°.

2.3.3. Actividad Antimicrobiana.

La actividad antimicrobiana de las pe-lículas contra Echericha coli (ATCC), Salmonella spp. (ATCC), Staphylo-coccus aureus (ATCC), Listeria mo-nocytogenes (ATCC) fue efectuada por el método de difusión en disco, como medio de control positivo se inoculó con cada microorganismo en agar Mi-ller Hilton agregando 1 mL (106 CFU/mL) de cada uno (Echericha coli, Sal-monella spp., Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes).

Se cortaron discos de 10 mm de diá-metro de cada una de las películas. Una vez que los medios se solidifica-ron, se colocaron discos sobre ellos y se inocularon a tiempos y temperatu-ras de 37°C por 48 horas respectiva-mente la actividad antimicrobiana se determinó midiendo el lado de inhibi-ción formado alrededor de los discos.


3.2. Obtención de biopelículas con base en polisacáridos del xoconostle.

A partir de los polisacáridos extraídos del xoconostle (mucílago; pectina), y

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de las soluciones formadoras de pe-lículas utilizadas para la técnica de vaciado en placa (Casting) y bajo la metodología propuesta, fue posible elaborar biopelículas simples tanto de pectina (Figura 1A) y mucílago (Fi-gura 1B) por casting de 53.34 ± 18.8 micras (µ) y 60.96 ±2.54 µ de espe-sor respectivamente, obteniendo una película flexible, transparente y ama-rillenta (Figura 1A y Figura 1B) y cu-yas películas se retiraban de la placa fácilmente, pero las cuales presenta-ban ciertas aglomeraciones o impu-rezas. De los espesores obtenidos se tiene que estos se encuentran por debajo de los reportados por Muñoz (2012) para películas de mucílago de Salvia hispanica, así como las repor-tadas por Espino-Díaz et al. (2010) para películas de mucílago de Opun-tia ficus-indica.

Figura 1. Biopelículas con base en polisa-cáridos del xoconostle. Película con base en pectina (A) y mucílago (B).

3.3. Microscopía Electrónica de Barri-do (MEB).

Para obtener una vista de la homoge-neidad y heterogeneidad de las pelí-culas pectina (Figura 2A) y mucílago (Figura 2B), se realizaron exploracio-nes de MEBA de la superficie de las

mismas, así como de la sección trans-versal. Las microscopias de la super-ficie demostraron que las biopelículas elaboradas con base en polisacáridos (pectina; mucílago) del xoconostle uti-lizado presentan una superficie hete-rogénea con aglomeraciones (círculos en la imagen) debidas probablemente a impurezas en los polisacáridos ex-traídos, así como la formación de re-des o enlazamientos (flecha en la ima-gen) en las biopelículas obtenidas de las soluciones de pectina, dichas re-des o enlazamientos no se observan en las películas de mucílago, sin em-bargo, en ambas biopelículas se tiene ausencia de fracturas y/o grietas que afecten la integridad de las mismas.

Figura 2. Imágenes superficiales de MEBA de biopelículas de pectina y mucílago (de izquierda a derecha). Las flechas indican formación de redes o enlazamientos y círcu-los indican los agregados o aglomeraciones

(X300).

En cuanto a las microscopias de la sección transversal tanto de las pe-lículas de pectina (Figura 3A) y mu-cílago (Figura 3B) se puede observar estructuras parcialmente abiertas y aglomeraciones, posiblemente debi-do a las impurezas de los polisacári-dos obtenidos o a la pérdida de agua

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por evaporación de la superficie, dando como resultado un gradiente de concentración de agua fenómeno que es explicado por Murillo-Martí-nez et al. (2011).

Figura 3. Imágenes MEBA de la sección transversal (con una ampliación de 1000x) de biopelículas de pectina y mucílago (de iz-quierda a derecha).

3.4. Análisis FTIR.

Los espectros de IR de los extractos de mucílago de polvo y biopelícula con base a mucilago se muestran en la Figura 4. Esta técnica se considera una información útil para la caracte-rización parcial de polisacáridos los polvos y biopelículas (Madhaiyan y Rajasulochana, 2012). Los polvos y biopelículas con base a polisacárido de mucílago presenta picos constan-tes pocos comunes.

Se detectó la ocurrencia del pico en el estiramiento asimétrico C-H 2925 cm−1. Así como 3400–3423 cm−1 (es-tiramiento de O-H) y 2922–2926 cm−1 (estiramiento de CH). En el presente estudio se observa un pico fuerte y muy agudo a 1646 cm−1, denotación de formación por amida I estiramien-to asimétrico C-O. Así que estas ban-das de IR confirman que es un polisa-cárido (Prado-Fernández et al., 2003).

Figura 4. Los espectros de IR de los extractos de mucílago de polvo y biopelícula con base a mucilago.

3.5. Actividad antimicrobiana.

La actividad antimicrobiana de los discos de mucílago y pectina se pre-sentó en cualquiera de los microor-ganismos probados. En este sentido, muchas investigaciones, usando pec-tina o mucilago sea llevado a cabo al agregar un compuesto antimicrobia-no tal como bacteriocinas, aceites esenciales, polifenoles u otros (Atares y Chiralt, 2016; Rossi-Marquez et. al., 2009; Escamilla-García et. al., 2018) abriendo con esto la posibilidad para agregar estos aditivos para las pelí-culas de pectina o mucilago, adqui-riendo funcionalidad como materiales con actividad antimicrobiana.

4. CONCLUSIONES

Los resultados de la presente inves-tigación demuestran el potencial de los polisacáridos extraídos de los residuos de xoconostle para la ela-boración de biopelículas, las cuales, aunque por si solas no presentan actividad antimicrobiana, tienden a ser viables de aplicarles algún com-ponente que le otorgue dicha propie-dad, sin que este último se aplicado directamente al alimento.

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CEREMONIA DE INAUGURACIÓN

EXPOSICIÓN DE PROYECTOS

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EXPOSICIÓN DE PROYECTOS

CEREMONIA DE CLAUSURA Y PREMIACIÓN

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200

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