Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la
elaboración de películas basadas en almidón de Canna indica L.
Liliana Ávila Martín
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Bogotá D.C., Colombia
2018
Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la
elaboración de películas basadas en almidón de Canna indica L.
Liliana Ávila Martín
Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería de Materiales y Procesos
Director:
Jairo Ernesto Perilla Perilla
Ingeniero Químico, M.Sc. Ph.D.
Línea de Investigación:
Biomateriales
Departamento Ingeniería Química y Ambiental
Grupo de Procesos Químicos y Bioquímicos.
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Bogotá D.C., Colombia
2018
“Si no conozco una cosa, la investigaré”.
Louis Pasteur
A mi mamá por su apoyo constante e incondicional. A Dios por poner a disposición, los medios y
personas que me acompañaron y fueron inspiración
en los momentos difíciles.
Agradecimientos
Agradezco a mi director de tesis el profesor Jairo Ernesto Perilla Perilla por la excelente dirección de este trabajo, así como su apoyo constante durante todo el tiempo de la maestría, en los que la investigación y el esfuerzo han fomentado mi
formación científica y humana.
Al profesor Jorge Orlando Manrique Perdomo por permitirme hacer uso de los
laboratorios de ingeniería química
A los profesores Hugo Martín Galindo Valbuena y Rúben Darío Godoy Silva, por el préstamo de equipos sin los que esta tesis no hubiese sido posible.
. Agradezco al profesor Rodolfo Rodríguez Baracaldo por su apoyo y por compartir
sus conocimientos en la caracterización mecánica de materiales.
A Ricardo Cortez Segura, auxiliar del laboratorio, por su gran colaboración en el préstamo de materiales y asesoría en el uso de equipos del laboratorio.
Al departamento de Ingeniería Química y Ambiental, y al financiamiento parcial
bajo el proyecto 37454 de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.
A mis compañeros del grupo de investigación en procesos químicos y bioquímicos por su amistad y apoyo durante este tiempo.
Resumen y Abstract IX
Resumen
La búsqueda de nuevas fuentes para el desarrollo de plásticos naturalmente degradables,
ha llevado al estudio de biopolímeros como el almidón, que en su estado nativo posee una
estructura cristalina que le impide tener un comportamiento plástico, por esta razón se
están realizando diversos estudios con aditivos para conferir las propiedades necesarias
que le permitan competir con los plásticos convencionales. Por lo tanto, en este trabajo
evaluamos el efecto de la adición de ácido cítrico (CA) y aislado de proteína de suero de
leche (WPI), en propiedades de película basadas en el almidón extraído del rizoma achira
(Canna indica L.). Primero, se realizó la caracterización del almidón, luego las
suspensiones gelatinizadas con la adición de AC y WPI, y finalmente la caracterización de
las películas preparadas por “colada casting” con diferentes concentraciones de AC y WPI
individualmente, y su interacción. Los métodos empleados fueron microscopia SEM,
difracción de rayos X, espectroscopia FTIR, ensayo de tracción, permeabilidad al vapor de
agua (WVP), entre otras. Se encontró que el almidón de achira presenta propiedades que
permiten una adecuada formación de película, como un alto contenido de amilosa
aparente (37.7%), además se hallaron los parámetros cinéticos para la desintegración
térmica de los gránulos: energía de activación (E) 175.63 KJ/mol y factor preexponencial
(A) 36.9 Ln A( min-1), a partir de las curvas de TGA. Se encontró que AC disminuye la
temperatura de gelatinización Tp, mientras que WPI tiende a aumentarla, tanto AC como
WPI reducen la viscosidad de las suspensiones gelatinizadas. La adición de AC dentro de
las condiciones trabajadas presento un efecto plastificante en la formación de películas,
aumentando la WPV y reduciendo los porcentajes de cristalinidad y módulos de
elasticidad. La proteína redujo las propiedades mecánicas y aumento la WVP. La adición
simultanea de AC y WVP en bajas concentraciones con respecto al almidón 6% y 1/8 p/p
respectivamente mejoraron las propiedades mecánicas y redujeron la retrogradación de
las películas.
Palabras clave: Almidón de achira, proteína aislada de lactosuero, ácido cítrico, películas,
propiedades mecánicas, permeabilidad, cristalinidad, retrogradación.
X Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de películas
basadas en almidón de Canna indica L.
Abstract
The search for new sources for the development of degradable natural plastics, has led to
the study of biopolymers such as starch, which in its native state has a crystalline structure
that prevents it from having a plastic behaviour, for this reason various additives are being
studied to confer the necessary properties to compete with conventional plastics.
Therefore, in this document we evaluated the effect of the addition of citric acid (CA) and
whey protein isolate (WPI), in film properties based on the starch extracted from the achira
rhizome (Canna indica L.). First, the characterization of starch was made, next gelatinized
suspensions with addition of AC and WPI, and finally films characterization prepared by
“solvent casting” with different concentrations of AC and WPI individually and their
interaction. The methods used were SEM microscopy, X-ray diffraction, FTIR
spectroscopy, tensile test, water vapour permeability (WVP), among others. It was found
that achira starch has properties that allow an adequate film formation, such as a high
content of apparent amylose (37.7%), in addition we calculate their kinetic thermal
degradation parameters: activation energy (E) 176 KJ / mol and pre-exponential factor (A)
36.9 In A (min-1), from the TGA curves. It was found that AC decreases the temperature
of gelatinization Tp, while WPI tends to increase it, both AC and WPI reduce the viscosity
of the gelatinized suspensions. The AC addition within the conditions worked shows a
plasticizing effect in the formation of films, improves the WPV and reduces crystallinity
percentages and elasticity module. The simultaneous addition of AC and WVP in low
concentrations respect to starch 6%p/p and 1/8 p / p respectively improved mechanical
properties and reduced retrogradation of the films.
Keywords: Achira starch, isolated whey protein, citric acid, films, mechanical properties,
permeability, crystallinity, retrogradation.
Contenido XI
Contenido
Introducción ........................................................................................................................ 1
Objetivos .............................................................................................................................. 1 Objetivo general ............................................................................................................ 1 Objetivos específicos .................................................................................................... 1
1. Materiales y métodos .................................................................................................. 3 1.1 Reactivos ................................................................................................................ 3 1.2 Métodos .................................................................................................................. 3
1.2.1 Tamizado ............................................................................................................ 3 1.2.1 Gránulometría ..................................................................................................... 4 1.2.2 Microscopia electrónica de barrido .................................................................... 4 1.2.3 Difracción de rayos X (DRX) .............................................................................. 4 1.2.4 Contenido de amilosa aparente por colorimetría. .............................................. 5 1.2.5 Porcentaje de Humedad ..................................................................................... 6 1.2.6 Análisis Termogravimétrico (TGA). .................................................................... 7 1.2.7 pH........................................................................................................................ 7 1.2.8 Calorimetría de barrido diferencial (DSC) .......................................................... 7 1.2.9 Propiedades reológicas ...................................................................................... 8 1.2.10 Preparación general de películas ....................................................................... 9 1.2.11 Espectroscopia de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR). ................ 11 1.2.12 Ensayos de tensión .......................................................................................... 11 1.2.13 Permeabilidad al vapor de agua (WVP) ........................................................... 13 1.2.14 Análisis estadístico ........................................................................................... 14
2. Resultados y Análisis ............................................................................................... 15 2.1 Caracterización del almidón de achira................................................................. 15
2.1.1 Características físicas de los gránulos de almidón. ........................................ 16 2.1.2 Cristalinidad del gránulo. .................................................................................. 18 2.1.3 Contenido de amilosa. ...................................................................................... 19 2.1.4 Parámetros térmicos y cinéticos por Análisis Termogravimétrico (TGA). ....... 20 2.1.5 Humedad .......................................................................................................... 23
2.2 Caracterización de suspensiones gelatinizadas. ................................................ 25 2.2.1 Propiedades de almidones y efectos de plastificantes con diferentes tamaños moleculares. ................................................................................................................ 29 2.2.2 Concentración del almidón en relación al plastificante.................................... 32 2.2.3 Gelatinización con diferentes concentraciones de AC .................................... 33 2.2.4 Gelatinización con diferentes concentraciones de WPI .................................. 35
2.3 Caracterización de películas ................................................................................ 38 2.3.1 Propiedades de películas de almidón de achira. ............................................. 41 2.3.2 Propiedades de películas con adición de ácido cítrico (AC) ........................... 45
XII Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
2.3.3 Propiedades de películas con adición de WPI ................................................ 54
3. Conclusiones y recomendaciones .......................................................................... 63 3.1 Conclusiones ........................................................................................................ 63 3.2 Recomendaciones ............................................................................................... 66
Bibliografía ........................................................................................................................ 71
Contenido XIII
Lista de figuras
Pág.
Figura 1. Determinación de porcentaje aparente de cristalinidad en curva DRX ............... 5
Figura 2. Soluciones de amilosa en diferentes concentraciones con adición de Lugol para
curva de calibración. ............................................................................................................. 6
Figura 3. Curva de gelatinización en DSC. .......................................................................... 8
Figura 4. Método de la copa húmeda (ASTM E 96) .......................................................... 14
Figura 5. Micrografía (800x) de almidón de achira (izquierda) y papa (derecha). ............ 16
Figura 6. Índice de circularidad gránulos de almidón Achira y Papa. ............................... 17
Figura 7. Tamaño de gránulo Achira y Papa. .................................................................... 17
Figura 8. Patrones de difracción de rayos x para almidón de achira y papa. ................... 18
Figura 9. Cambios en la degradación térmica de almidón de achira, con varias
velocidades de calentamiento. (Las curvas se encuentran desplazadas para facilitar la
observación)........................................................................................................................ 20
Figura 10. Ganancia de peso en porcentaje de humedad del almidón con respecto al
tiempo.................................................................................................................................. 24
Figura 11. Tp Almidones con diferentes plastificantes. ...................................................... 31
Figura 12. Efecto de la relación en masa almidón/ masa plastificante agua (a) y glicerina
(b), en la gelatinización. ...................................................................................................... 32
Figura 13. Efecto de la adición de AC en las curvas de gelatinización por DSC. Al-Agua
(0%AC), Al-Agua-AC (12% AC), Al-Agua-Gly (0% AC Gly), Al-Agua-Gly-12%AC (12%
Gly) y Al-Agua-Gly-36%AC (36% Gly) ............................................................................... 34
Figura 14. Efecto de la concentración de AC en suspensiones gelatinizadas de almidón.
............................................................................................................................................. 35
Figura 15. DSC de (a) Gelatinización de suspensiones de almidón con WPI; (b)
Desnaturalización de WPI, imagen tomada de [89] ........................................................... 36
Figura 16. Viscosidad en suspensiones gelatinizadas de almidón con adición de WPI. (a)
WPI-agua-Gly comparada con mezcla de Al-agua-Gly-AC y WPI-Al-agua-Gly-AC. (b)
Efecto de la relación entre WPI y Almidón. ........................................................................ 37
Figura 17. Efecto de la concentración de glicerol en el módulo elástico de almidón de
achira................................................................................................................................... 42
Figura 18. Cambio en el módulo elástico de películas con diferentes almidones en las
semanas 1, 3, y 6 después de preparadas. ....................................................................... 42
Figura 19. Micrografías de fractura de películas de almidón de achira con agua(12%AC),
con agua-AC (12%AC), con agua-glicerol (0%AC Gly), con agua-glicerol-12%AC
(12%AC Gly), y con agua-glicerol-36%AC (36%AC Gly) ................................................. 46
XI
V
Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Figura 20. Cambios en los picos cristalinos de las películas. Al-Agua (0%AC), Al-Agua-
AC (12% AC), Al-Agua-Gly (0% AC Gly), Al-Agua-Gly-AC (12% Gly) vs gránulos de
almidón de achira (Al. nativo) ............................................................................................. 47
Figura 21. Cambios en los picos cristalinos de las películas en relación a la concentración
de Ácido Cítrico (%p/p AC/Al). Al-Agua-Gly (0% AC Gly), Al-Agua-Gly-12%AC (12% Gly),
Al-Agua-Gly-24%AC (24% Gly) y Al-Agua-Gly-36%AC (36% Gly). ................................. 48
Figura 22. Efecto del AC en la cristalinidad de películas a 2 semanas y 1 año de
preparación. ........................................................................................................................ 48
Figura 23. Efecto de diferentes concentraciones de AC en el módulo elástico de películas
medido a 1 semana, 3 semanas y 6 semanas................................................................... 49
Figura 24. Efecto de diferentes concentraciones de AC en el esfuerzo de rotura (a) y en
la deformación (b), de películas medidas a 1 semana, 3 semanas y 6 semanas............. 50
Figura 25.Espectro de películas de almidón plastificadas con glicerol y con diferentes
concentraciones de AC ....................................................................................................... 51
Figura 26. Efecto de AC en la degradación térmica de películas de almidón. Las gráficas
se encuentran desplazadas para mejorar la visualización de estas ................................. 52
Figura 27. Efecto del AC en la permeabilidad al vapor de agua. ...................................... 53
Figura 28. Película 6/8 pro/Al fotografiada en microscopio óptico a 40x. ......................... 54
Figura 30. Difractogramas de (a) película de WPI a un mes y a un año de preparación, (b)
adición de WPI en diferentes proporciones, (c) efecto del tiempo con y sin adición de AC
en 1/8 p/p almidón; (d) y en 4/8 p/p almidón. ..................................................................... 55
Figura 31. Degradación térmica (TGA) de películas de almidón con adición de WPI en
presencia de AC y sin AC. .................................................................................................. 56
Figura 32. Propiedades mecánicas de películas de almidón con adición de WPI en
presencia de AC y sin AC. (a) Esfuerzo Máximo, (b) Deformación máxima (%) (c) Módulo
elástico. ............................................................................................................................... 58
Figura 33. Micrografías (2 Kx) por SEM de películas de WPI, almidón con adición de WPI
en diferentes relaciones (p/almidón), con y sin adición de AC. ......................................... 59
Figura 34. FTIR de películas de almidón con adición de WPI con y sin AC. (a) Rango
completo y (b) rango entre 800 y 1750 ampliado. ............................................................. 60
Figura 35. WVP de películas almidón con adición de WPI, con y sin AC.. ....................... 61
Contenido XV
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1. Designación de muestras y contenido de aditivos............................................... 11
Tabla 2. Contenido de amilosa aparente (%) determinado por colorimetría. .................... 19
Tabla 3. Modelos para determinar parámetros cinéticos. .................................................. 22
Tabla 4. Parámetros cinéticos de degradación térmica de almidón de Achira. ................ 23
Tabla 5. Humedad del Almidón .......................................................................................... 23
Tabla 6. Características fisicoquímicas de las moléculas de proteína de suero. Adaptado
de (Mulcahy, 2017) ............................................................................................................. 27
Tabla 7. Propiedades térmicas de almidones nativos con diferentes plastificantes por
DSC. .................................................................................................................................... 30
Tabla 8. Cambio en propiedades térmicas por DSC por cambio en la relación de
concentración con el plastificante....................................................................................... 33
Tabla 8. Propiedades térmicas de geles con adición de AC en diferentes
concentraciones. ................................................................................................................. 34
Tabla 10. Propiedades térmicas por DSC de suspensiones gelatinizadas de almidón con
adición de WPI. ................................................................................................................... 36
Tabla 11. Propiedades funcionales de proteínas de lactosuero. Modificado de (Sullivan, et
al., 2008). ............................................................................................................................ 39
Tabla 12. Efecto de la concentración con respecto al almidón del glicerol en propiedades
mecánicas. .......................................................................................................................... 41
Tabla 13. Contenido de amilosa y grado de polimerización almidones. ........................... 44
Tabla 14. Distribución de longitud de cadena (CL) de ramificaciones de amilopectina. ............. 44
Tabla 15. Cristalinidad de películas con AC, medidas a 1 semana y a 1 año. ................. 49
Tabla 16. Porcentajes de perdida de humedad y degradación de películas con AC. ...... 52
Tabla 17. Porcentaje de cristalinidad en películas de almidón con adición de WPI en
presencia de AC y sin AC. .................................................................................................. 55
Tabla 18. Porcentajes de perdida de humedad y degradación de películas con AC. ...... 56
Tabla 19. pH de suspensiones filmogénicas. ..................................................................... 69
Introducción
En los últimos años la investigación y el mercado de bioplásticos se ha
incrementado en todo el mundo debido al esfuerzo por encontrar materiales
biodegradables especialmente para artículos de vida útil corta como es el caso
de los empaques de alimentos. Dentro de las diferentes posibilidades para su
obtención, una de las fuentes que se está estudiando es el almidón, el cual es
un polímero natural de abundante disponibilidad, encontrándose en raíces,
tubérculos y cereales [1]. Los almidones se caracterizan por estar formados por
cadenas de dos polisacáridos denominados amilosa y amilopectina,
organizados en gránulos con características que varían de acuerdo al origen
botánico en composición, cantidad de componentes químicos y morfología; lo
que da lugar a espacios para diferentes aplicaciones y procesos industriales [2].
Actualmente a nivel mundial existen diversas empresas de bioplásticos que se
basan principalmente en almidones extraídos de maíz, papa y yuca para la
producción de resinas y productos con propiedades similares a la de los
plásticos convencionales [3]. Colombia a pesar de caracterizarse por tener gran
diversidad de plantas con capacidad para producir almidón, aún no tiene
empresas dedicadas a la fabricación de resinas y empaques a partir de
polímeros naturales biodegradables como el almidón. Sin embargo, si reportan
investigaciones enfocadas a la producción de bioplásticos basados en almidón
de yuca [4] [5].
2 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Para conferir propiedades plásticas al almidón este necesita de plastificantes,
junto con condiciones de temperatura y presión, de tal forma que se modifique
la estructura cristalina formando un almidón termoplástico TPS (Thermoplastic
Starch). La función del plastificante en las películas es incrementar su
flexibilidad al reducir los enlaces de hidrógeno entre las cadenas de almidón
(Mekonnen, et al., 2013). El esfuerzo de ruptura y el módulo de elástico
disminuyen, mientras que el porcentaje de deformación aumenta cuando mayor
interacción presenta un plastificante con la matriz polimérica [6]. Uno de los
plastificantes más utilizados para lograr la desestructuración del almidón es el
agua [7] la cual aumenta la movilidad molecular del sistema disminuyendo la
viscosidad de la solución y aumenta la elasticidad del polímero [8]. Sin embargo,
la mejora en las propiedades no es significativa, razón por la cual se tiende a
utilizar con otros plastificantes como el glicerol, que ha sido ampliamente
estudiado en el desarrollo de biomateriales a partir de almidones con aplicación
prometedora en la industria alimentaria como envases biodegradables [9] [10].
Los plastificantes solubles en agua como el glicerol funcionan mejorando la
flexibilidad de las películas resultantes [11] y debido a su estructura presenta
alta penetración en los gránulos de almidón [12].
La estructura natural del almidón le confiere propiedades mecánicas y de
barrera reducidas debido a su semicristalinidad y rápida retrogradación, es
decir, la tendencia a reorganizar los puentes de hidrógeno y reorientar las
cadenas moleculares al estado semicristalino inicial desalojando los
plastificantes. Por lo anterior, se han venido desarrollado diversos estudios para
superar las desventajas de las películas biodegradables de almidón
manteniendo al mismo tiempo las propiedades deseables de estas [13], y que
permitan su procesamiento a gran escala. Estos se centran en mejorar las
películas, mediante modificaciones químicas, realizando mezclas con otros
polímeros de origen natural o sintético, o agregando a la matriz polimérica
materiales de refuerzo como fibras y nano arcillas. En investigaciones
Introducción 3
precedentes, se ha comprobado el uso de almidones como base para la
elaboración de materiales poliméricos [14] y [15], encontrándose resultados
promisorios como sustituyentes de los habituales materiales plásticos derivados
del petróleo, entre los que se encuentran empaques y recubrimientos para
alimentos, con importantes ventajas de carácter ambiental al ser
biodegradables y presentar un bajo consumo de energía en su elaboración [16],
[17], [18].
A pesar de los estudios realizados, el almidón termoplástico aún presenta
desventajas frente a los plásticos convencionales, tales como su solubilidad en
agua, alta absorción de agua, rápido envejecimiento debido a la retrogradación
y pobres propiedades mecánicas, lo cual limita sus aplicaciones como empaque
[19] por esta razón es necesario continuar buscando alternativas de
procesamiento y diferentes mezclas.
Dentro de los almidones empleados para elaboración de biopolímeros se
encuentra el obtenido a partir de la planta Canna Indica L. con sinonimia como
Canna Edulis ker (familia: Cannaceae), también conocida tradicionalmente
como achira, nativa de la región andina sudamericana [20]. Este almidón ha
sido uno de los menos estudiados en el campo de los bioplásticos,
encontrándose pocos escritos al respecto. Dentro de estos se han reportado
resultados satisfactorios para uso industrial como las películas preparadas con
glicerol, que presentan baja permeabilidad al vapor de agua y baja solubilidad
en comparación con las películas preparadas a partir de otros tubérculos como
el almidón de yuca y cáscara de la papa [21], [22] y [23] para reforzar las
películas se ha trabajado con fibras de celulosa [24].
4 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
El almidón de achira es extraído del rizoma de la planta. Químicamente se
caracteriza por altos niveles de amilosa y fósforo [25] [26], los cuales le
confieren mayores propiedades de empaste y retrogradación durante el proceso
de gelatinización en comparación con otros almidones [27] [28], así mismo el
alto contenido de amilosa le otorga mayor elasticidad debido al efecto de este
componente [29].Económicamente el almidón de achira en Colombia se destina
principalmente para producción artesanal e industrial del “bizcocho de achira”
[30].
El ácido cítrico se ha utilizado con diferentes almidones para generar
entrecruzamientos que favorecen la permeabilidad al agua en películas [31],
ademas se ha encontrado que mejora la resistencia a la tracción, la estabilidad
térmica y disminuye la disolución de las películas de almidón en agua y ácido
fórmico [32].
Las proteínas del suero son un residuo de la industria de derivados lácteos, que
usualmente son desechadas en efluentes, causando problemas de
contaminación. Se ha demostrado que posee excelentes propiedades para la
fabricación de películas y recubrimientos [33], debido a su capacidad para
formar enlaces intermoleculares entrecruzados. Sin embargo, las películas de
proteína de suero se caracterizan por un menor porcentaje de elongación y una
mayor permeabilidad al vapor de agua en relación con las películas de
polímeros sintéticos [34]. Existen pocos estudiós que utilizan la mezcla de
almidon y WP en la produción de películas [35], [36] , [37], [38], y recubrimientos
[39]; en todos utilizan almidones tipo A (Trigo y Maíz). Ninguno de los
mencionados analiza el efecto de la adición de AC, ni el efecto de la WPI sobre
la retrogradación del almidón. Al ser proteinas hidrofílicas se espera que puedan
ser mezcladas con el almidón y moleculas polares como el glicerol que se usa
Introducción 5
gneralmente como plastificante, permitiendo la formación de puentes de
hidrogeno entre estos.
Actualmente a nivel de laboratorio para evaluar mezclas poliméricas para
preparación de películas una de las técnicas más utilizada es “colada casting”
o “solvent casting” [22] [40] [21], esta consiste en la disolución de los
componentes de la mezcla en un solvente común, después se vierte la mezcla
sobre un molde y por último se espera la evaporación de dicho solvente para
obtener una película. Es un método simple y reproducible que no requiere
equipos costosos ni sofisticados.
Por lo anterior se plantea que la adición de ácido cítrico y WPI en películas
basadas en almidón de achira, permitirán mejorar sus propiedades mecánicas
y aumentarán su capacidad de barrera, sin presentar cambios significativos
debidos a la retrogradación del almidón en estas durante un periodo de un año,
resultando además en un material amigable con el medio ambiente.
En este trabajo de investigación se presenta la caracterización reológica,
térmica, mecánica y morfológica de mezclas para obtener un polímero
biodegradable a partir del almidón de achira (Canna Indica L) con la adición de
ácido cítrico y proteína aislada de suero de leche con el fin de evaluar los
cambios en las propiedades mecánicas (elongación y resistencia a la tracción)
y permeabilidad al vapor de agua, utilizando como plastificantes agua, y otros
compuestos polihidroxilados como el glicerol. Este trabajo es una base
importante para el desarrollo de polímeros biodegradables que den soluciones
a diferentes industrias como la alimentaria.
6 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
En el primer capítulo se presentan los materiales y métodos, en el segundo se
encuentran los resultados y análisis, organizados en tres partes, caracterización
del almidón, comparando sus propiedades con otras fuentes botánicas más
conocidas (maíz, yuca y papa), caracterización de la suspensión gelatinizada
utilizando solventes de diferente peso molecular (agua, etilenglicol y glicerol) y
caracterización de películas de almidón con adición de AC y la mezcla con AC
y WPI al final se encuentran las conclusiones generales y las recomendaciones.
Objetivos
Objetivo general
Desarrollar y caracterizar películas obtenidas por la técnica casting a partir de
mezclas de almidón de Canna indica L., con proteína aislada de suero y ácido
cítrico con el fin de identificar la metodología experimental que permita alcanzar
las propiedades potenciales que debe tener un empaque biodegradable.
Objetivos específicos
Caracterizar las propiedades estructurales, térmicas y fisicoquímicas del
almidón de Canna indica L.
Desarrollar un método apropiado a escala de laboratorio para la
obtención de películas de almidón con varias proporciones de
plastificantes, ácido cítrico y proteína aislada de suero de leche,
mediante la técnica de “solvent casting”.
Evaluar el comportamiento de las películas desarrolladas en función de
la variación de las mezclas de almidón y plastificante por medio de
ensayos de tensión y elongación.
Determinar las características microestructurales, térmicas y físicas de
los mejores tratamientos, por medio de microscopía electrónica de
barrido (SEM), espectrometría IR, TGA, DSC y ensayos de
permeabilidad al vapor de agua.
1. Materiales y métodos
1.1 Reactivos
Se trabajó con almidones nativos, el almidón de achira se obtuvo en el municipio
de Manta (Cundinamarca, Colombia), el de papa de White Chemical S.A.S, maíz y
yuca de fuentes locales. Como agentes modificantes se utilizaron ácido cítrico
monohidratado de Merk y proteína aislada de lactosuero grado farmacéutico USP.
100% Whey protein isolate Marca Pure Bulk.
Para la determinación del contenido de amilosa se utilizó: etanol absoluto de Merck,
hidróxido de sodio de Panreac, amilosa de Papa de Sigma-Aldrich, Lugol de
Biochem farmacéutica
En la evaluación de propiedades térmicas por DSC se empleó: Glicerina Anhídrida
marca J. T. Baker, etilenglicol 99% de Panreac y agua destilada.
La preparación de películas se realizó con glicerina USP de White Chemical S.A.S.
y agua destilada.
1.2 Métodos
1.2.1 Tamizado
El almidón se homogenizo en un tamizador mecánico utilizando una serie se seis
tamices ASTM siendo el de menor poro el N° 140.
4 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
1.2.1 Gránulometría
Para determinar la circularidad y la distribución de tamaño de gránulo del almidón
se tomaron 3 muestras y se observaron en 5 regiones diferentes cada una, con el
equipo Cytation™. Los datos se analizaron para obtener los histogramas de
tamaño y circularidad respectivamente utilizando el software Gen5 Image+ 2.08.
El sofware calcula la circularidad del objeto usando la fórmula:
circularidad = 4π (área / perímetro 2)
Generando resultados entre 1.0 y 0.0, donde valores cercanos a 1.0 indican un
círculo perfecto. A medida que el valor se acerca a 0.0, muestra un polígono cada
vez más alargado.
1.2.2 Microscopia electrónica de barrido
La morfología de los gránulos de almidón se caracterizó usando un Microscopio
electrónico de Barrido (FEI Quanta 200) operado en alto Vacío (3 x 10-7 torr). Las
muestras se observaron en el modo ambiental del equipo, sin recubrimiento.
Para observar la morfología de las superficies de fractura de las películas cada
muestra se trató con nitrógeno líquido para producir fragilidad, las superficies de
fractura se recubrieran con oro mediante una técnica de electrodeposición para
impartir conducción eléctrica, y se observaron a 2, 5 y 8 Kx.
1.2.3 Difracción de rayos X (DRX)
Para determinar el porcentaje de cristalinidad del almidón nativo y de las películas
se realizó el análisis de su patrón de difracción, obtenido mediante un difractómetro
X-Pert PRO MPD de la empresa Panalytical.
Materiales y métodos 5
La muestra se analizó operado en modo de reflexión a 30 Kv y 40 mA. EL polvo se
ubicó formando una delgada capa en un porta muestra de vidrio, y se expuso a
radiación de Cu-Kα a un ángulo de difracción (2θ) desde 10 a 30º con una velocidad
de barrido de 0,5º/min.
Para realizar las mediciones de DRX se usó la geometría de Bragg-Brentano. El
análisis de los patrones de difracción se llevó a cabo utilizando del software X´Pert
Highscore versión 2.1.2 elaborado por Panalytical B.V.
El porcentaje de cristalinidad se determinó restando el área amorfa del área total
resultante por integración de la curva original y de la curva de la línea base según
Figura 1. Determinación de porcentaje aparente de cristalinidad en curva DRX
Figura 1. Determinación de porcentaje aparente de cristalinidad en curva DRX
1.2.4 Contenido de amilosa aparente por colorimetría.
El contenido de amilosa se determinó por método colorimétrico simplificado según
[41]. El procedimiento se realizó por triplicado tomando 100 g de almidón en un
Erlenmeyer de 50 ml en el cual se agregó 1ml de etanol al 95% y 9 ml de NaOH
1N. Las muestras fueron calentadas por 10 minutos en un baño termostático hasta
6 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
la gelatinización del almidón, posteriormente se enfriaron y transfirieron a un balón
aforado de 100ml, y se completó el volumen con agua destilada. Luego, 5 ml de la
solución se adicionaron a un balón aforado de 100 ml, donde se agregó 1ml de
ácido acético 1N y 2 ml de solución de Lugol (solución de iodo metálico en ioduro
de potasio), se completó el volumen con agua destilada, se agitó y dejo en reposo
por 20 minutos. Finalmente se leyó la absorbancia de la solución a 620 nm en un
Espectrofotómetro UV-Vis Thermo Scientific Genesys 20. El contenido de amilosa
se determina usando la curva estándar con un patrón de amilosa de papa.
Figura 2. Soluciones de amilosa en diferentes concentraciones con adición de Lugol para
curva de calibración.
1.2.5 Porcentaje de Humedad
El porcentaje humedad del almidón se determinó por triplicado, se pesaron
muestras de 0,5g utilizando una balanza de humedad Adam Equipment AMB 50.
Posteriormente se observó la ganancia de humedad en una balanza Mettler Toledo
AB 204.
Materiales y métodos 7
1.2.6 Análisis Termogravimétrico (TGA).
La degradación térmica del almidón se determinó utilizando un equipo Mettler
Toledo TGA 1 SF/1100/268. Las muestras entre 10 y 15 mg se calentaron desde
25°C hasta 800°C bajo una atmósfera de nitrógeno utilizando cuatro rampas de
calentamiento diferentes (10°C/min, 5°C/min, 2°C/min y 1°C/min). Las gráficas se
obtuvieron y analizaron utilizando el software STARe System.
Para determinar la estabilidad térmica de las películas se recortaron trozos
rectangulares de 4 mm por 3mm que se depositaron en un crisol de alúmina hasta
completar pesos entre 9 y 14 mg, Cada muestra se sometió a calentamiento desde
25°C hasta 500°C bajo atmosfera de nitrógeno, utilizando una rampa de
calentamiento de 10°C/min. Las gráficas se obtuvieron y analizaron utilizando el
software STARe System.
1.2.7 pH
Se midió el pH de las suspensiones filmogénicas que se encontraban a 40°C
previamente a la gelatinización, con un pH-metro SI Analytics Lab 860.
1.2.8 Calorimetría de barrido diferencial (DSC)
Para obtener la curva de gelatinización del almidón se utilizó un equipo Mettler
Toledo DSC ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., con una rampa
de calentamiento de 10°C/min, desde 25 a 150 °C bajo una atmósfera controlada
de Nitrógeno. Las muestras se prepararon en un crisol de aluminio de 40µL se
pesaron 1mg de almidón, se adicionó agua destilada y el plastificante a evaluar en
diferentes proporciones. Luego se selló el crisol, se agito la capsula y en seguida
dejó en reposo por 5 minutos antes de iniciar la medición. La temperatura Inicial
(To), Temperatura Pico (Tp), Temperatura Final (Tc) y la entalpía de gelatinización
8 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
(ΔHp) se obtuvieron del termograma resultante mediante el software STARe
System Figura 3. Curva de gelatinización en DSC.
Figura 3. Curva de gelatinización en DSC.
Este método se utilizó para comparar la gelatinización del almidón de achira con
almidones más reconocidos; analizar el efecto de la concentración de almidón en
relación a los plastificantes agua, etilenglicol y glicerol; y evaluar el efecto del ácido
cítrico (AC) y el de la proteína (WPI) en diferentes concentraciones.
1.2.9 Propiedades reológicas
Las propiedades reológicas de las suspensiónes gelatinizadas se midieron en un
reómetro rotacional Bohlin Instruments C-VOR 200 (Malvern Instruments). Las
medidas se realizaron en la celda Peltier en modo isotérmico (65 °C ±0,01),
utilizando geometría cono-plato de 4° y 20 mm de diámetro. Se evaluó el efecto de
la concentración de AC y el afecto de la adición de WPI. Las suspensiones
filmogénicas se elaboraron previamente a la medición manteniendo una
temperatura de 60°C.
Materiales y métodos 9
1.2.10 Preparación general de películas
Las películas se prepararon por el método de colada “casting”, para ello se
prepararon suspensiones acuosas de almidón (8% p/p) que se dejaron en reposo
por 10 minutos, luego se calentaron hasta 50°C, temperatura a la que se añadió el
plastificante (glicerina), se continuo con el calentamiento hasta alcanzar una
temperatura en la suspensión de 85°C y se mantuvo por 10 minutos, durante todo
el proceso se realizó una agitación mecánica de 200 rpm. Finalmente se dejó
enfriar la suspensión gelatinizada resultante hasta 60°C y se extendió en placas de
acrílico. Las placas se dejaron secar por 2 días a temperatura ambiente. Luego,
las películas obtenidas se retiraron del soporte y se almacenaron por una semana
para análisis posteriores. Para cada caracterización se cortaron las muestras en
formas específicas y se midieron los espesores con micrómetro digital (modelo
Mitutoyo 293-240-30).
Para evaluar el efecto del ácido cítrico se prepararon muestras con las siguientes
relaciones: almidón-agua al 8% p/p (AC 0%), almidón-agua con adición de glicerina
en un 30% p/p en relación a almidón (AC 0%-Gly), almidón-agua con adición de
ácido cítrico al 12%p/p en relación a almidón (AC 12%), almidón-agua-glicerina con
AC al 12%p/p (AC 12%-Gly) y almidón-agua-glicerina con AC al 36%p/p (AC 36%-
Gly) y se modificó el procedimiento cuando se agregó AC de la siguiente manera:
el AC en estado sólido se adiciono a soluciones de almidón al 40% sin gelatinizar,
las cuales se sometieron a calentamiento hasta 50°C con agitación magnética por
15 minutos. Luego se agregó el plastificante (glicerol) y el agua faltante para
obtener una relación del 8% p/p almidón/ solución acuosa y se continuo el
calentamiento hasta 85°C. Como control se utilizó una película con igual
preparación y proporción entre almidón, glicerol y agua, sin adición de ácido cítrico.
Se utilizaron placas de vidrio como molde.
Para la producción de películas compuestas de almidón-WPI se debieron tener en
cuenta limitaciones relacionadas con propiedades inherentes a cada componente;
por lo que se debieron analizar las condiciones de preparación relacionadas, al
10 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
orden de mezclado, miscibilidad, temperatura, pH (Anexo A) y agitación; teniendo
en cuenta los resultados de las pruebas anteriores.
Para permitir la miscibilidad de la proteína con el almidón, se requirió la
desnaturalización previa de esta a temperatura de 90°C en suspensión acuosa; se
mejora la apariencia de las películas cuando se adiciona glicerol a cada suspensión
antes del mezclado.
Como molde se encontró más apropiado el uso de placas de acrílico, en lugar de
las de vidrio debido a que se presenta menor adherencia.
Agitación alrededor de 180 rpm es la más apropiada debido a la fuerte tendencia
de la proteína a formar espuma. La temperatura de preparación de las películas se
redujo a 80°C para reducir la hidrólisis causada por el ácido cítrico.
La concentración de almidón en solución acuosa se mantuvo al 8% p/p, el glicerol
y el AC en concentraciones del 30%p/p y 6%p/p en relación al almidón
respectivamente. Las mezclas finales se elaboraron agregando la proteína en
relaciones de peso 1/8, 2/8, 3/8, 4/8, 6/8 y 8/8 con respecto al almidón, se realizaron
además muestras 1/8 y 8/8 si adición de AC, para estas se utilizó la metodología
descrita previamente y junto con el glicerol se adicionó la proteína en suspensión
acuosa al 8% (previamente llevada hasta 80°C y con adición de glicerol al 2.5%
p/peso WPI) se continuó el calentamiento hasta 80°C finalmente se dejó enfriar la
suspensión gelatinizada hasta 65°C, temperatura en la que se extendió en los
moldes.
Materiales y métodos 11
Tabla 1. Designación de muestras y contenido de aditivos.
Muestras Almidón (g) WPI (g) Glicerol (g) AC (g)
0% AC 8
12% AC 8 2.4 1
0%AC Gly 8 2.4
6% AC Gly 8 2.4 0.5
12% AC Gly 8 2.4 1
24% AC Gly 8 2.4 2
36% AC Gly 8 2.4 3
WPI 8 2.4
1/8 8 1 2.4
1/8 AC 8 1 2.4 0.5
2/8 AC 8 2 2.4 0.5
3/8 AC 8 3 2.4 0.5
4/8 AC 8 4 2.4 0.5
6/8 AC 8 6 2.4 0.5
8/8 AC 8 8 2.4 0.5
8/8 8 8 2.4
*Todas las muestras se prepararon en suspensión con 100 g de agua.
1.2.11 Espectroscopia de Infrarrojo por Transformada de
Fourier (FTIR).
Para el análisis de los enlaces formados entre el ácido cítrico y el almidón, se
empleó un espectrómetro IR Prestige-21 FTIR, Shimadzu, mediante la técnica, de
reflexión total atenuada ATR, para la cual se recortaron trozos de película de 2x2
cm.
1.2.12 Ensayos de tensión
Dentro de la evaluación de propiedades mecánicas de materiales, el ensayo de
tensión es uno de los más utilizados. Este busca determinar la resistencia a la
tracción, la que cual se define como la fuerza por unidad de área que resiste un
cuerpo antes de romperse. El ensayo consiste en aplicar una fuerza en el eje
12 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
longitudinal de una probeta estirándola hasta su fractura. El esfuerzo de rotura y la
deformación máxima son registrados por la máquina de ensayos y con estos se
obtiene el módulo elástico o módulo de Young, el cual es característico para cada
material y cuyo valor se calcula a partir de la pendiente de la zona lineal de la curva
resultante entre el esfuerzo de tensión y la deformación.
Se midieron las propiedades mecánicas de películas utilizando las condiciones de
la norma ASTM D 882, Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic
Sheeting.
Se realizó un acondicionamiento de las muestras de ensayo a 23 ± 2°C y 50 ± 10%
de humedad relativa por no menos de 24 h antes del ensayo, el cual se realizó en
una Máquina de ensayos Universales AG-IS Shimadzu, con celda de carga de 500
N, y mordazas con superficie de caucho. El laboratorio presenta condiciones de
temperatura de 22 ± 3°C y Humedad relativa 49 ± 7 %.
Las muestras se recortaron en forma de probetas rectangulares de 10 x 150 mm,
presentando espesores entre 0,9 y 0,11 mm, con variaciones de espesor a lo largo
de cada probeta de máximo 10%. Fueron medidas 8 probetas por muestra.
La longitud calibrada fue de 100 mm y la velocidad de tracción de 5 mm/min. Los
cálculos de fuerzas y desplazamientos, así como los valores de Módulo de Young,
se determinaron empleando el software TRAPEZIUM 2
Los ensayos de tensión se utilizaron en la primera fase para determinar las
condiciones de formulación que permitieran tener películas del almidón en estudio,
con un esfuerzo de tensión y deformación equilibrados, solo con el uso de glicerina
y agua como plastificantes, teniendo en cuenta que en general el aumento en la
flexibilidad de un material implica la reducción de la resistencia a la tracción.
Además, se evaluó el efecto del origen botánico del almidón en las propiedades
mecánicas, comparando achira frente otros almidones más comunes como lo son
maíz, papa y yuca; se observó, además el cambio en las propiedades mecánicas
Materiales y métodos 13
de las películas con respecto al tiempo, realizando mediciones a 1 semana, 3
semanas y 6 semanas después de la preparación.
Para la evaluación de propiedades mecánicas de las películas con diferentes
concentraciones de AC específicamente se utilizó una máquina de ensayos
universal Shimadzu AG-IS 5 KN a una velocidad de 5 mm / min con una célula de
carga de 50 N. Los datos proporcionados son promedios de los resultados de 5
muestras, cada una de las cuales mide 100 mm x 10 mm cortadas al azar. Se utilizó
una longitud calibrada de 50 mm y el cambio en esta se determinó con un
extensómetro. Antes de la prueba, todas las muestras se almacenaron en
condiciones secas a 48 ± 2% de humedad relativa y 22 ± 1 ° C durante 5 horas.
Para comparar la retrogradación de la película de almidón, se probaron las mismas
muestras de preparación después de una semana, tres semanas y seis semanas.
Para observar los cambios en la retrogradación de las películas con adición de WPI
se amplió el tiempo de medición, se ensayaron las mismas muestras de
preparación después de una semana, cuatro semanas y ocho semanas.
1.2.13 Permeabilidad al vapor de agua (WVP)
El ensayo se realizó de acuerdo con la norma ASTM E 96, utilizando el método de
la copa húmeda realizando 3 ensayos por cada muestra. Las copas fueron llenadas
con agua destilada, dejando 6 mm medidos desde el borde superior, sobre el cual
se montó la película de igual diámetro.
Las copas se colocarán en una cámara de intemperismo (LabTech, modelo LHT-
0150E) a %50 HR y 23 ºC y cada 24 horas y por un período de 21 días se registró
su cambio de peso utilizando una balanza electrónica.
Para calcular la permeabilidad al vapor de agua (WVP), se realizó el análisis lineal
del cambio de masa de cada copa en relación al tiempo transcurrido, la pendiente
de la gráfica resultante, representó la estabilización de la difusión de vapor de agua
14 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
a través de las películas por unidad de tiempo, y se utilizó en la ecuación¡Error!
No se encuentra el origen de la referencia.), donde: ∆𝑚/∆𝑡 peso de pérdida de
humedad por unidad de tiempo (𝑔/𝑠), 𝐴- área de película expuesta a la
transferencia de humedad en (𝑚2) , 𝑒- espesor de película (𝑚) y ∆𝑝 - diferencia
presión de vapor de agua entre los dos lados de la película (𝑃𝑎).
𝑊𝑃𝑉 =∆𝑚∙𝑒
∆𝑡∙𝐴∙∆𝑝 (1)
Figura 4. Método de la copa húmeda (ASTM E 96)
1.2.14 Análisis estadístico
Se realizaron análisis de variancia (ANOVA) usando las pruebas de Tukey y
Fisher (P <0,05), para comparar los resultados de pruebas con más de 2
repeticiones.
2. Resultados y Análisis
2.1 Caracterización del almidón de achira.
La achira es una planta herbácea con raíces ricas en almidón, el nombre científico
es Canna edulis Ker con sinonimia Canna indica L. [42] [43]; es nativa de la región
andina sudamericana, ha sido cultivada con fines alimenticios desde hace más de
4000 años [44], actualmente los cultivos se extienden desde México hasta
Argentina y Chile. Adicionalmente existen sembradíos en China, Taiwán,
Indonesia, Filipinas, Vietnam, Japón, India y Australia. En Estados Unidos se ha
cultivado principalmente con fines ornamentales debido a sus vistosas flores. A
pesar de esto no es un cultivo de gran producción en la economía mundial, siendo
creciente en Perú, Ecuador y Colombia el consumo de las raíces y la elaboración
de postres con el almidón, en Asia por otra parte a aumentado su producción con
fines industriales en pequeñas compañías de noddles.
Existen varios estudios que indican que el rizoma de la achira puede tener gran
potencial en la industria farmacéutica y de empaques [45] , adicionalmente la planta
presenta prometedoras características agronómicas, como gran adaptabilidad.
Tolera un rango amplio de condiciones climáticas se cultiva desde el nivel del mar
hasta 2000 m s. n. m., que incluyen zonas climáticas templadas subtropicales y
cálidas. Su aspecto es similar a un lirio de hojas grandes y crece 2 m de altura o
más. Es una planta de fotoperiodo neutro, es decir que no se ve afectada por la
duración de las horas de luz u oscuridad. La planta es perenne y puede crecer
durante muchos años, suponiendo que el clima no es demasiado frío, es resistente
y presenta baja incidencia de plagas y enfermedades. [46].
16 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Los gránulos de almidón varían en tamaño y forma según la especie botánica de la
que provengan. En la achira incluso se han reportado diferencias en el tamaño de
los gránulos en diferentes segmentos del rizoma según el grado de madurez que
presenten [47]. Con el cambio en el tamaño también pueden cambiar algunas
propiedades como susceptibilidad a la hidrólisis y el contenido de fosforo entre
otras [48], por esta razón es importante realizar una evaluación de las propiedades
del almidón con el que se elaboraron las películas.
2.1.1 Características físicas de los gránulos de almidón.
La micrografía (SEM) Figura 5. Micrografía (800x) de almidón de achira (izquierda)
y papa (derecha).muestra un gránulo de gran tamaño de aspecto superficial suave
(sin defectos), sin poros, con tendencia hacia una forma ovalada, similar al gránulo
que de papa (Solanum tuberosum), los datos de índice de circularidad Figura 6
muestran que la achira tiene mayor tendencia hacia un gránulo alargado que el de
papa, ya que muestra una curva de distribución de circularidad ligeramente
inclinada hacia la izquierda con frecuencias más altas entre los índices 0.3 y 0.7,
por otra parte los gránulos de papa muestran una tendencia a mayor circularidad
Resultados y Análisis 17
ya que la gráfica muestra una distribución centrada a la derecha con frecuencias
más altas entre 0.4 y 0.9.
Figura 5. Micrografía (800x) de almidón de achira (izquierda) y papa (derecha).
Figura 6. Índice de circularidad gránulos de almidón Achira y Papa.
Se encuentra además que la achira presenta en general un tamaño de gránulo
mayor al de la papa, con una distribución que va desde 5 µm hasta 100 µm con
frecuencias más altas entre 35 y 50 µm, siendo la media de 43.94±0.87 µm;
mientras que los gránulos de papa mostraron una distribución entrada a la izquierda
con gránulos que van desde 5 µm hasta 90 µm con mayores frecuencias entre 15
y 30 µm, siendo la media 28.01±0.33 µm.
18 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Al comparar los resultados con los reportados por [47] se infiere que el almidón de
achira estudiado fue extraído en su mayoría de segmentos maduros del rizoma de
la planta, por el tamaño y la apariencia superficial suave sin porosidades lo que
indica que no se ha iniciado la descomposición enzimática.
Figura 7. Tamaño de gránulo Achira y Papa.
2.1.2 Cristalinidad del gránulo.
La cristalinidad en los almidones varía entre 15% y 45%, el difractograma
generalmente muestra varios picos cuyo patrón se utiliza para realizar una
clasificación de acuerdo al patrón presentado, en donde la mayoría de los
almidones de cereales dan el llamado patrón tipo A; algunos almidones de
tubérculos (por ejemplo, papa) y almidones de cereales ricos en amilosa producen
el patrón de tipo B, mientras que los almidones de leguminosas generalmente dan
un patrón de tipo C [49].
Resultados y Análisis 19
Figura 8. Patrones de difracción de rayos x para almidón de achira y papa.
La difracción de rayos x (DRX) mostró patrones de cristalinidad tipo B (Figura 8),
con picos característicos a 5.6°, 17°, 20° y un doblete a 22° y 24° propia de raíces
y tubérculos los cuales se han interpretado como una organización simétrica
hexagonal debida a la formación en doble hélice hidratada de la amilopectina [50],
los resultados son cercanos a los publicados por [26] quienes además infieren que
el tipo B de este material tiene una gran proporción de cadenas largas de
ramificaciones de amilopectina. Se encuentran además las cristalinidades relativas
de 22.04% y 18.18% para achira y papa valores más bajos que los reportados por
[51] y [52], pero bastante cercano al hallado por [53], por otra parte el resultado de
papa es cercano al encontrado por [54], quienes relacionan mayores porcentaje
de cristalinidad a un tamaño pequeño y uniforme de forma simétrica de los
gránulos, aunque esto no se aplica en el presente estudio ya que papa que exhibe
un tamaño pequeño y más uniforme que achira obtuvo una menor cristalinidad.
2.1.3 Contenido de amilosa.
El alto contenido de amilosa aparente encontrado para achira (Tabla 2) es cercano
al hallado por [55] y por [51] para almidón colombiano (40.1%), aunque más alto
que lo reportado por [56] y [57] esto además de la zona geográfica de origen se
puede atribuir a la maduración del rizoma de donde se extrajo ya que el almidón
20 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
proveniente de segmentos maduros del rizoma presentan porcentajes más altos de
amilosa [47], con respecto a los testigo de papa se encuentran resultados similares
a los reportados por [48]. Se infiere además que entre más alargada sea la forma
del gránulo mayor contenido de amilosa existirá, esto de acuerdo con estudios en
los que se ha estudiado amilomaiz encontrando gránulos con forma de filamento
[58]. Adicionalmente se determinaron los contenidos de amilosa aparente para
maíz y yuca.
Tabla 2. Contenido de amilosa aparente (%) determinado por colorimetría.
Almidón Amilosa Aparente (%)
Achira 37.7± 1.3
Maíz 28.0± 1.3
Papa 29.7± 4.2
Yuca 17.8± 2.1
2.1.4 Parámetros térmicos y cinéticos por Análisis Termogravimétrico (TGA).
Figura 9. Cambios en la degradación térmica de almidón de achira, con varias velocidades de calentamiento. (Las curvas se encuentran desplazadas para facilitar la observación)
Resultados y Análisis 21
Se analizó la influencia de la velocidad de calentamiento en la degradación del
almidón de achira a velocidades de calentamiento de 1, 2, 5 y 10 ºC/min en N2. En
las curvas TGA obtenidas (Figura 9) se observan 2 etapas de degradación, la
primera por perdida de húmedad y la segunda la degradación del almidón en sí,
indicando una cinética de primer orden. A velocidades de calentamiento lentas 1 y
2 °C/min se observan 3 etapas primero la perdida de humedad entre los 33 y 95
°C, segundo la pérdida de masa que inicia poco después de los 250 ºC, ocurriendo
de forma rápida hasta disminuir alrededor de 270 ºC donde inicia la tercera etapa
en la que la pérdida de masa sucede lentamente hasta cerca de los 370 ºC,
temperatura a la cual se ha perdido alrededor del 70 % de la masa inicial y empieza
a ralentizarse hasta estabilizarse. A velocidades mayores 5 y 10 °C/min la perdida
de humedad ocurre entre los 40 y 120 °C, la degradación del material empieza
sobre los 270 ºC y pérdida de masa muestra una caída más pronunciada hasta los
300 ºC momento en el que la velocidad de pérdida de masa empieza a disminuir,
para, ralentizarse alrededor de los 450°C temperatura donde ha perdido
aproximadamente el 80% de la masa inicial.
Par la degradación térmica de polímeros, el análisis cinético de los datos
temogravimétricos se basa en la siguiente expresión:
𝑑𝛼
𝑑𝑡= 𝑘(1 − 𝛼)𝑛 (2)
donde 𝛼 es la fracción de material descompuesta en el tiempo 𝑡, 𝑛 es el orden de
reacción, y 𝑘 la constante cinética. Combinada con la expresión empírica de
Arrhenius da la siguiente expresión:
𝑑𝛼
𝑑𝑡= 𝐴 𝑒𝑥𝑝
𝐸
𝑅𝑇(1 − 𝛼)𝑛 (3)
donde 𝐴 es el factor preexponencial o de frecuencia, 𝐸 es la energía de activación
y 𝑅 la constante de gas. Introduciendo la tasa de calentamiento β:
22 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
𝑑𝛼
𝑑𝑇=
𝐴
β 𝑒−𝐸 𝑅𝑇⁄ (1 − 𝛼)𝑛 (4)
S
i
e
n
d
o
R
E
F
_
R
e
f
5
1
2
8
0
3
0
1
5
\
h
\
*
Para el análisis cinético se tuvieron en cuenta los tres modelos matemáticos que
se muestran a continuación ya utilizados para evaluar almidones botánicos en [60],
[61] y [54].
Tabla 3. Modelos para determinar parámetros cinéticos.
Modelo Ecuación Gráfica
Coast Redfern
(modificado)
(CRm)
ln [𝛽
𝑇2 (1 − 2𝑅𝑇𝐸𝛼
⁄ )] = ln [
−𝐴𝑅
𝐸𝛼 ln(1 − 𝛼)] −
𝐸𝛼
𝑅𝑇
ln [𝛽
𝑇] 𝑣𝑠
1
𝑇
Flynn-Wall-
Ozawa (FWO)
[62]
log 𝛽 = log [𝐴𝐸𝛼
𝑅𝑔(𝛼) ] − 2.315 − 0.4567
𝐸𝛼
𝑅𝑇 log 𝛽 𝑣𝑠
1
𝑇
Kissinger-
Akahira-Sunose
(KAS) [63]
ln [𝛽
𝑇𝑚2 ] = ln [
𝐴𝑅
𝐸𝛼 ] −
𝐸𝛼
𝑅𝑇𝑚 ln [
𝛽
𝑇𝑚2 ] 𝑣𝑠
1
𝑇
Donde:
α = fracción reactante (adimensional), β = Tasa de calentamiento (K/min),
𝐸𝛼 = Energía de activación (KJ/mol),
A = Factor preexponencial
R = constante de gases (=8.316 J/(mol K)),
T = Temperatura absoluta (K),
Resultados y Análisis 23
T = Temperatura a máximo pico (K)
Los parámetros encontrados por los tres métodos son similares entre sí. Los
valores para 𝐸𝛼 son cercanos a los hallados para almidones de otros orígenes
según los trabajos ya mencionados; teniendo en cuenta que la 𝐸𝛼 se considera
como la energía necesaria para romper o redistribuir los enlaces que limitan la
velocidad de reacción, por lo que se relaciona con la estructura cristalina de los
gránulos, así como con los componentes de este; de acuerdo con Pineda-Gómez
2014, el tamaño de gránulo sería el factor principal que afecta esta magnitud, sin
embargo al comparar el resultado de 175.6 kJ/mol obtenido para achira y con el
resultado de papa del estudio mencionado donde se encuentra entre 195 y 205
KJ/mol no se encuentra correspondencia ya que el gránulo de achira presenta un
tamaño mayor al de papa; por lo cual se considera que la aproximación más
adecuada debe basarse en la relación de contenido entre amilosa y amilopectina
como lo estudia [64], en los que se encuentra una entalpia similar a la hallada
(alrededor de 170 kJ/mol) para Gelosa 50 con una relación 50/50
amilosa/amilopectina.
Tabla 4. Parámetros cinéticos de degradación térmica de almidón de Achira.
E A n
KJ/mol Ln A( min-1)
Coast Redfern (modificado) (CRm)
175.6 33.1 -
Flynn-Wall-Ozawa (FWO) [62] 176.0 35.9 -
Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) [63]
175.6 37.0 0.39
2.1.5 Humedad
El contenido de humedad del almidón en crudo se tomó como la pérdida de peso
calculado mediante la balanza de humedad y a partir de la curva de TGA,
24 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
expresado como un porcentaje del peso de la muestra original, los valores
encontrados son significativamente más altos que los reportados en otros estudios
[65], [51], se infirió que el almidón presenta una alta absorción de humedad del
ambiente, por lo cual se decide hacer una prueba de ganancia de humedad
ambiental, la cual después de medida la perdida de humedad en la balanza de
humedad, se pasa a una balanza de precisión Mettler Toledo y cada 5 minutos se
anota la ganancia de masa, esto se realizó por triplicado. La prueba se realizó el
laboratorio con una temperatura de 19.9 ° y una humedad relativa del 59.5%.
Tabla 5. Humedad del Almidón
Método % Humedad
Balanza Humedad 17,74±0.37
TGA 19.34±0.45
Se encontró que el almidón recupera aproximadamente el total del peso inicial
(antes del secado en la balanza de humedad), en un periodo de 50 minutos
aproximadamente. Lo que confirma que es altamente susceptible a la humedad del
ambiente. Además, se han reportado estudios con el almidón de papa en los que,
sin gelatinización, ha absorbido entre 0.48 – 0.53 g de agua por gramo de almidón
seco [58], gran parte de esta agua es retenida por los enlaces de hidrógeno de los
hidroxilos de las moléculas del almidón. La absorción de agua es dependiente del
tipo de conformación cristalina del gránulo, los tipos B son más susceptibles a
almacenar mayor cantidad de agua.
Figura 10. Ganancia de peso en porcentaje de humedad del almidón con respecto al tiempo.
Resultados y Análisis 25
2.2 Caracterización de suspensiones gelatinizadas.
Los geles son sistemas coloidales, en los cuales existe una fase continua sólida y
una fase dispersa líquida. La formación de geles de almidón involucra dos procesos
gelatinización y gelificación, el primero ocurre a altas temperaturas en las que un
solvente polar ocasiona la disrupción de los gránulos de almidón; los cuales están
organizados en forma de esferulita, con una parte cristalina formada principalmente
por cadenas de amilopectina (cadena ramificada) y una parte amorfa formada en
su mayoría por cadenas amilosa (cadena lineal). Durante la gelatinización el
solvente penetra los gránulos causando inicialmente un cambio en su estructura
cristalina, seguido de un hinchamiento de hasta 50 veces su tamaño [58], luego
inicia la lixiviación de la amilosa, seguida por la amilopectina hasta que finalmente
se lograr la desestructuración total del gránulo [66]; el segundo proceso inicia
cuando se enfría la suspensión y las cadenas de amilosa se asocian por enlaces
de hidrogeno dejando atrapadas moléculas del solvente.
El estudio de la gelatinización del almidón inicialmente se realizó observando
cambios en la birrefringencia de los gránulos, pero en la actualidad la técnica más
26 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
utilizada es la calorimetría diferencial de barrido (DSC) que permite calcular la
energía térmica necesaria para la disrupción total de los gránulos ΔHp. En la curva
DSC el inicio de la curva de gelatinización To muestra la temperatura de inicio del
hinchamiento de los gránulos continuando hasta la disrupción final de estos en Tc.
Por lo que la diferencia entre Tc y To, muestra la capacidad del solvente para
ingresar en el gránulo y causar la destructuración total de este.
La gelatinización por DSC del almidón de achira en agua ha sido previamente
estudiada por [47] [26] [51] [65] y [25] los valores de Tp encontrados han sido: en
concentraciones del 33%p/p entre 73.6 y 74.2°C para almidones extraídos de
rizomas con diferentes niveles de maduración; según el origen geográfico almidón
colombiano y almidón de Brasil (c.30%), 63.7±0.2 y 71.2 ± 0.2 °C respectivamente
con 14% de humedad gelatiniza a 92.1±0.2 °C, entre 67.7 y 68.9 °C según la
variedad botánica (c. 33% p/p); 67.1°C en relación 1:3 p/p. Con ΔHp entre 14 y 18
J/g, no se ha analizado el comportamiento con otros solventes, ni la viscosidad de
la suspensión gelatinizada en la temperatura pico de este fenómeno Tp. Se ha
reportado además una alta viscosidad para este almidón en comparación con otras
fuentes botánicas.
El estudio de almidones gelatinizados con adición de ácidos por DSC no ha sido
muy investigado, la mayoría de artículos hacen referencia a la modificación ácida
de los gránulos, realizada previamente a la gelatinización con plastificantes. Los
reportes de gelatinización en presencia de ácido cítrico (AC), se han realizado por
medio de viscoamilografia, encontrando que su adición en almidón de papa
disminuye la viscosidad, pero en almidones de maíz la incrementaba [67] [68], esto
se atribuyó a la interacción que puede presentar el AC con los grupos fosfatos
presentes en las cadenas de almidón, los cuales están presentes en mayor
proporción en gránulos de tubérculos. Los estudios muestran que la adición de AC
durante la gelatinización facilita la fragmentación de los gránulos, y que los cambios
en la viscosidad también se relacionan con el tamaño de estos [69].
Resultados y Análisis 27
Las proteínas también tienen la capacidad de formar geles por lo que han sido
ampliamente estudiadas en la industria alimenticia. Estas tienen la capacidad de
gelificarse por acción de la temperatura y pH. La plastificación de almidón con
proteínas es un tema que se ha estudiado, pero en el cual aún queda mucho por
realizar debido a la gran diversidad que existe en estas macromoléculas y sus
propiedades. Por DSC se ha encontrado que la adición de proteína de soya en
almidón de maíz incrementa Tp y ΔHp, el incremento de agua en la suspensión
decrece estos parámetros. Los picos observados mostraron que la proteína
restringía la gelatinización cuando se encontraba en menor proporción, mientras
que el almidón prevenía la desnaturalización de la proteína al invertir la proporción
[70].
La proteína aislada de suero o Whey Protein Isolate (WPI), es la forma más refinada
que contiene un 90% o más de proteínas entre las que encontramos β-
lactoglobulina (β-LG, 48% -58%), α-lactoalbumina (α-LA, 13% -19%),
caseinomacropeptide (GMP, 12% -20%), albúmina sérica bovina (BSA), e
inmunoglobulinas de cadena pesada y ligera [71]. En forma nativa las proteínas del
suero tienen estructura globular compacta con grupos no polares, tales como
aminoácidos hidrófobos, en su mayoría dispuestos en el centro de las cadenas de
péptidos doblados. Dependiendo de la temperatura y el pH en el que se esté
trabajando cambia la solubilidad, en la Tabla 6 se muestra el pH isoeléctrico y
algunas características químicas de las principales proteínas contenidas en el
lactosuero.
Tabla 6. Características fisicoquímicas de las moléculas de proteína de suero. Adaptado
de (Mulcahy, 2017)
Molécula N° de
aminoácidos
pH
isoeléctrico*
N° de
residuos de
prolina.
N° de
residuos
de lisina.
N° de residuos de
lisina normalizados
(por 100 residuos)
N° de
residuos de
cisteína.
β-LG 162 5.2-5.8 8 16 9.9 5
α-LA 123 4.3-4.7 2 13 10.6 8
BSA 582 4.7-4.9 28 60 10.3 35
* las variaciones genéticas y la fosforilación variable representan algunos de los rangos dados
28 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Para la fabricación de WPI, existen dos métodos principales, la microfiltración (MF)
y el intercambio iónico (denominado IX o IE). Estos métodos crean una diferencia
mínima en los componentes no proteínicos como la grasa, la lactosa y los
minerales, pero por otra parte generan diferencias en el contenido de las especies
proteicas, y, por tanto, en la funcionalidad. Se ha encontrado que por IE se
producen altos niveles de β-LG y un contenido nulo de GMP [72] [73]. Por otra
parte, por MF se encuentra reducción en la concentración de β-LG, retención de
GMP y no existe modificación química. [74], [75]. Por MF si el proceso se da dentro
de temperaturas intermedias y sin ajuste de pH se obtendrán porcentajes altos de
proteínas sin desnaturalizar. A continuación, se describen algunas propiedades
importantes de las proteínas presentes en WPI procesada por MF:
La β-LG es el mayor componente del lactosuero y la más importante durante la
formación de película, con un peso molecular de 18362 g/mol [76]; se encuentra en
forma de monómeros y dímeros en equilibrio a 20°C, y con el incremento en la
temperatura por encima de 30°C genera la disminución de los dímeros y la
desprotección estérica de los radicales histidina, tirosina y triptófano, así como
incrementos en la reactividad de los grupos tiol. Adicionalmente, por encima de
80°C puede desnaturalizarse irreversiblemente [77], β-LG tiene una alta solubilidad
a pH bajo. A pesar de ser la proteína más hidrófoba del lactosuero, es soluble en
agua ya que los componentes apolares se encuentran en el interior de la estructura
y la mayoría de los polares en la superficie, razón por la que además tiene buenas
propiedades gelificantes, sus geles se caracterizan por ser flexibles, y su opacidad
varía según las condiciones químicas de preparación, principalmente afectados por
pH y fuerza iónica [78]. Para la formación de película, hay un grupo sulfhidrilo libre
importante, cisteína 121 (CYS121), en la secuencia de aminoácidos y dos enlaces
disulfuro entre cisteína 66 y cisteína 160 y entre cisteína 106 y cisteína 119. En la
forma nativa, CYS121 está oculto por la hélice α (Sawyer et al., 1999). Por lo que
es importante desnaturar la proteína para preparar las películas.
Resultados y Análisis 29
La α-LG es un polipéptido formado por una sola cadena, con un peso molecular de
14147 g/mol. Presenta una estructura terciaria globular muy compacta, que se
mantiene por cuatro puentes disulfuro, con una zona de hojas plegadas y otra de
hélice α [76]. Es una de las proteínas más termolábiles que se encuentran en la
leche. Con temperaturas mayores a 65°C empieza a desnaturalizarse, siendo
parcialmente reversible del 80% al 90% a temperaturas de 70°C, con una
reversibilidad prácticamente nula a temperaturas superiores a 100°C [77].
BSA es la proteína de suero de cadena única más larga, con un peso molecular de
66 kDa. Es propenso a la precipitación alrededor de 40-45 ◦ C debido al aumento
de la unión hidrofóbica entre las cadenas [79]
Caseinomacropeptido se denomina con frecuencia glicomacropéptido (GMP)
debido a su alto contenido de carbohidratos, o como péptido derivado de caseína
(CDP). Es hidrófilo C-terminal formado por 64 residuos de aminoácidos que
presenta hasta cuatro cadenas de carbohidratos (ácido siálico-galactosa-N-acetil
galactosamina), unidas a residuos de treonina en seis posiciones diferentes. Los
aminoácidos de cadena ramificada prevalecen en su estructura; sin embargo, hay
ausencia de aminoácidos aromáticos (fenilalanina, triptófano y tirosina).
Dependiendo de la variante de kappa-caseína que forma GMP, puede contener
fósforo hasta 0.4% y presenta una masa molecular aproximada entre 6.755 y 6.787
Da en su estado monomérico. Investigaciones recientes establecieron
concentraciones de GMP entre 20-25% de proteína de suero de leche. A pH por
debajo de 4.5, GMP se autoagrupa debido a interacciones hidrofóbicas que
finalmente conducen a la gelatinización. El tamaño del agregado y la gelatinización
aumenta aún más al disminuir el pH y en este papel del ácido siálico que retiene
una carga negativa a pH 2.2 es importante. Se ha concluido que las estructuras
autoensambladas formadas a temperatura ambiente son parcialmente permeables
al pH, pero los dímeros formados hidrof
óbicamente parecen ser resistentes a los cambios de pH una vez formados [75].
30 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
La interacción entre WPI y almidón ha sido estudiada encontrando formación de
fases separadas en las suspensiones gelatinizadas por DSC, e incrementos en la
viscosidad [80] [81], no se encontraron referencias que estudien la interacción de
almidón-AC con WPI.
En esta parte se analiza la gelatinización del almidón de achira con adición de agua
y glicerol, así como su comportamiento frente a almidones de maíz, papa y yuca
en relación a la adición de agua, etilenglicol y glicerol. Así como el efecto de la
adición de AC y WPI, y la interacción entre estos.
2.2.1 Propiedades de almidones y efectos de plastificantes con diferentes tamaños moleculares.
Se estudió el efecto que presentan el agua, etilenglicol y glicerol en la gelatinización
de los almidones de achira, Maíz, yuca y papa. En la Tabla 7 se muestran los
resultados del efecto de los tres plastificantes en los en las propiedades de Tp, ΔHp
y Tc-To. Se observa que a medida que se aumenta el peso molecular del
plastificante aumenta Tp en todos los almidones, lo que refleja la dificultad que
tendría el plastificante para ingresar al gránulo a medida que aumenta su tamaño
molecular.
Tabla 7. Propiedades térmicas de almidones nativos con diferentes plastificantes por DSC.
ESPECIE PLASTIFICANTE TO(°C) TP (°C) TC(°C) ΔHP (J.G–1) TC-TO
ACHIRA
Agua 60.2 ±1.2 65.3 ±1.6ac 73.0 ±0.2 13.0 ±1.2a 12.7 ±1.1ab
Etilenglicol 106.0 ±1.0 114.0 ±1.5d 123.0 ±0.6 5.6 ±0.6b 17.0 ±1.2de
Glicerina 114.4 ±1.2 122.9 ±0.5g 137.5 ±0.3 12.0 ±0.2a 23.1 ±1.0g
MAÍZ
Agua 63.9 ±0.4 74.9 ±1.3b 77.7 ±0.5 9.3 ±1.2c 13.8 ±0.4a
Etilenglicol 118.7 ±0.7 131.5 ±0.9e 134.8 ±0.5 7.3 ±0.6b 16.1 ±1.2d
Glicerina 125.3 ±1.0 137.2 ±2.4h 143.3 ±1.0 9.5 ±1.1c 18.0 ±1.3e
PAPA Agua 59.5 ±0.1 65.0 ±0.0c 71.1 ±0.0 14.5 ±0.8d 11.6 ±0.2b
Etilenglicol 91.2 ±3.2 101.6 ±3.6f 110.2 ±3.9 10.5 ±0.6e 18.9 ±0.7ef
Resultados y Análisis 31
Glicerina 111.3 ±1.1 121.2 ±1.5g 128.0 ±1.9 6.6 ±0.2b 16.7 ±0.9d
YUCA
Agua 55.5 ±0.5 68.8 ±1.4ac 74.9 ±0.3 11.2 ±0.5a 19.4 ±0.5c
Etilenglicol 108.8 ±0.4 123.3 ±1.3g 129.6 ±0.5 6.9 ±0.2b 20.8 ±0.0f
Glicerina 114.0 ±0.5 129.7 ±1.0i 136.0 ±0.3 8.1 ±0.6bc 22.0 ±0.2g
*To, Tp, Tc: Temperatura inicial, pico, y final, respectivamente; ΔHp: entalpia de
gelatinización; los datos representan el promedio de tres mediciones. Los resultados con
una misma letra no presentaron diferencias significativas (p<0.05)
Los valores mayores de Tp siempre los presento maíz, seguidos de los de yuca,
achira y papa (Tabla 7). De acuerdo con las referencias consultadas, se ha
encontrado que la disrupción de los gránulos se relaciona con el contenido de
monoesteres fosfatos, los cuales se ubican entre las ramificaciones más largas de
amilopectina; estos presentan cargas negativas que se repelen y por tanto
desestabilizan la estructura generando Tp bajos [82]. Lo que nos permitiría inferir
que achira y papa presentan cadenas de amilopectina con largas ramificaciones.
Figura 11. Tp Almidones con diferentes plastificantes.
Los valores de ΔHp hallados se encuentran dentro los intervalos esperados 5-20
J/g para gelatinizaciones de almidones con agua, de acuerdo con lo expuesto por
[66] quien además menciona que las propiedades térmicas de los almidones
dependen de alelos genéticos específicos y de factores ambientales, por lo que
ΔHp y Tp no muestran dependencia con contenidos de amilosa ni con el tipo de
formación cristalina esto también se aprecia en el trabajo de [83]. En los resultados
se observa que en general el etilenglicol permite un menor valor de ΔHp que la
32 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
glicerina, de nuevo se atribuye al menor peso molecular [84]. Por otra parte, se
observa que el agua es quien presenta el mayor valor, esto indica que no solo el
tamaño molecular influye, sino que además la cantidad de grupos –OH también
estaría relacionada ya que la disrupción en los gránulos de almidón involucra la
formación de nuevos enlaces de hidrogeno con el solvente. Además, debe tenerse
en cuenta la presencia de proteínas y lípidos que se encuentran generalmente en
la superficie de los gránulos y cuya función es proteger la estructura interna [58],
por lo cual al ser mayor la polaridad del agua que la de etilenglicol y glicerol, tendría
mayor dificultad para interactuar con los lípidos.
La sumatoria de los factores mencionados anteriormente afectan el intervalo de
tiempo que necesita cada almidón para la gelatinización completa (Tc-To), se
observan tendencias similares en los almidones con respecto a los plastificantes
siendo menor el tiempo requerido por el agua, seguido del etilenglicol y glicerina.
Aunque algunos almidones no presentaron diferencias significativas en este valor
respecto al plastificante.
2.2.2 Concentración del almidón en relación al plastificante.
Resultados y Análisis 33
a. b.
Figura 12. Efecto de la relación en p/p almidón/plastificante (a) agua y (b) glicerol, durante la gelatinización evaluada por DSC
Se observó el efecto de la concentración de almidón en relación al contenido de los
plastificantes agua y glicerol en las propiedades térmicas de gelatinización del
almidón (Tabla 8). Con glicerina existe un límite de concentración de almidón en el
cual el plastificante no alcanza a penetrar en los gránulos y conseguir la
gelatinización de estos, apreciándose en el tamaño del pico de 3/10 y 5/10, el cual
es menor a mayor proporción de almidón, fenómeno distinto al observado con agua
donde aumento el pico y la entalpia. Esto puede ocurrir por el mayor tamaño
molecular que restringe el movimiento dentro de la población de gránulos de
almidón, por lo que solo una parte de estos logra alcanzar la gelatinización,
quedando gránulos de almidón sin disrupción en la suspensión, observados en el
crisol posteriormente al calentamiento y enfriamiento.
Esto confirma lo observado por [85] quienes observaron mediante tratamiento de
calor-humedad la absorción de diferentes plastificantes por los gránulos de
almidón, concluyendo que con un plastificante de menor tamaño, una cantidad
mayor de este podría penetrar en los gránulos de almidón y, en consecuencia, se
podría obtener un mayor efecto plastificante.
34 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Tabla 8. Cambio en propiedades térmicas por DSC por cambio en la relación de concentración del almidón con el plastificante.
Relación Al/Plas.
TO
(°C) Tp
(°C) TC
(°C) ΔHp
(J.g–1) Tc-To
(°C)
Agua
1 a 10 61.4 66.8 71.7 11.82 10.3
3 a 10 59.8 65.3 70.3 33.21 10.5
5 a 10 59.3 66.9 74.2 60.89 14.9
1 a 10 115.8 126.0 137.2 10.46 21.4
Glicerol 3 a 10 109.6 124.3 137.0 35.01 27.4
5 a 10 113.6 118.9 124.2 31.76 10.6
2.2.3 Gelatinización con diferentes concentraciones de AC
Se observa en las curvas de gelatinización que el ácido cítrico (AC) no afecta la
temperatura pico de galatinización (Tp) (Figura 13), esto concuerda con los
resultados obtenidos por [86], sin embargo, cuando es adicionado en presencia de
glicerol se observa un cambio en Tp y en ΔHp (Tabla 8), lo que indica que en
compañía de polialcoholes puede afectar la disrupción de los gránulos de almidón,
posiblemente el polialcohol de menor peso molecular facilitaria la entrada de AC a
los granulos, y la ácides del AC a su vez facilitaria el rompimiento del granulo. La
diferencia entre Tc-To sugiere que la disrupción no ocurre en forma homogenea
interactuando de forma distinta con las cadenas de amilosa y amilopectina, por lo
cual la diferencia entre el inicio y final de la gelatinización es mayor.
Resultados y Análisis 35
Figura 13. Efecto de la adición de AC en las curvas de gelatinización por DSC. Al-Agua (0%AC), Al-Agua-AC (12% AC), Al-Agua-Gly (0% AC Gly), Al-Agua-Gly-12%AC (12%
Gly) y Al-Agua-Gly-36%AC (36% Gly)
Tabla 9. Propiedades térmicas de geles con adición de AC en diferentes concentraciones.
To (°C) Tp (°C) Tf(°C) ∆H
(J/g Al) Tf -To
AC 36% Gly 56.8 69.3 74.3 9.9 17.4
AC 12% Gly 62.9 69.0 77.7 12.1 14.8
AC 0% Gly 61.2 70.9 78.0 15.1 16.8
AC 12% 58.7 65.5 76.5 14.9 17.8
AC 0% 60.2 65.3 73.0 13.0 12.7
La suspensión gelatinizada de almidón a 65°C en general presentan un
comportamiento pseudoplastico Figura 14 como el descrito por [65], para
suspensiones (3%p/v) gelatinizadas y enfriadas hasta 25°C. La adición de AC
genera cambios reológicos en la suspensión, disminuyendo la viscosidad,
indicando que el AC facilita la movilidad de las cadenas del almidón. De acuerdo
con [87], existen dos razones posibles para este comportamiento; Siendo la
primera, las fuertes interacciones de unión del AC con el almidón por puentes de
hidrogeno debilitan la interacción de las moléculas de almidón, lo que facilita el
movimiento de deslizamiento entre las moléculas de almidón (efecto plastificante).
36 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Segundo, la acidólisis del almidón en presencia de ácido cítrico, genera cadenas
más pequeñas y por tanto mayor movilidad.
Figura 14. Efecto de la concentración de AC en suspensiones gelatinizadas de almidón.
2.2.4 Gelatinización con diferentes concentraciones de WPI
En la Figura 15 se observan las curvas de gelatinización de almidón con adición de
WPI con y sin AC, comparadas con los controles de almidón con agua y glicerina,
y almidón con agua glicerina y AC. La suspensión sin adición de AC mostró un pico
característico de gelatinización de almidón, en esta se requirió mayor temperatura
para iniciar la gelatinización, esto puede indicar que la proteína dificulta el acceso
de los plastificantes agua y glicerol a los gránulos de almidón, lo que concuerda
con lo reportado por [70] con proteína de soya.
Con adición de AC se observa que el pico se mantiene en la posición del control
sin proteína, por lo que puede ser un indicador de mayor interacción entre el
almidón con los plastificantes y WPI, esto debido a que el ácido cítrico reduce el
pH del medio, facilitando la solubilidad y desnaturalización de la proteína, ya que
Resultados y Análisis 37
de acuerdo con [88] WPI aumenta su solubilidad en pH menores a 4; por lo que en
el pico observado es posible que exista sumatoria del fenómeno de
desnaturalización con la gelatinización del almidón, teniendo en cuenta que [80]
[89] y [90], han reportado un pico característico para WPI entre 60 y 80°C.
(a) (b)
Figura 15. DSC de (a) Gelatinización de suspensiones de almidón con WPI; (b) Desnaturalización de WPI, imagen tomada de [89]
Tabla 10. Propiedades térmicas por DSC de suspensiones gelatinizadas de almidón con adición de WPI.
To (°C) Tp (°C) Tc(°C) ∆H (J/g Al)
Tf -To
½ WPI/Al Gly 72.9 80.1 86.1 12.6 13.8
½ WPI/Al AC-Gly 58.1 68.9 76.5 12.99 18.4
Los cambios en viscosidad respecto al aumento de la velocidad de corte de las
suspensiones filmogénicas de WPI-agua-glicerol (WPI), de almidón-agua- AC-
glicerol (6%AC Gly) y WPI-almidón-AC-agua-glicerol(1/8AC) se muestran en la
Figura 16a; y los cambios respecto a la concentración de WPI con y sin adición de
AC en la Figura 16b. A nivel general se observa que a medida que aumenta la
velocidad de corte, disminuye la viscosidad en las muestras que contienen almidón,
mostrando un comportamiento pseudoplastico.
La suspensión WPI presenta una curva irregular debido a la perdida de agua por el
calentamiento continuo a 65 °C ±0,01, esto generó aglomeraciones de proteína que
38 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
ocasionaron resistencia al flujo. La adición de WPI en la suspensión de almidón
(1/8 p/p almidón) aumenta la viscosidad indicando la formación de un gel de mayor
firmeza.
El aumento en la concentración de WPI respecto al almidón, presento un ligero
descenso en la viscosidad, sin embargo, las curvas tienden a superponerse con
altas velocidades de corte.
Por el contrario, la adición de AC en las suspensiones con WPI genero incrementos
en la viscosidad respecto a las sin AC. Se especula entonces que existen
interacciones entre las moléculas de WPI y al AC que generan mayor resistencia a
la fluidez de la suspensión gelatinizada. Considerando que la adición de AC en las
suspensiones que solo contenían almidón disminuyo la viscosidad.
(a) (b)
Figura 16. Viscosidad en suspensiones gelatinizadas de almidón con adición de WPI. (a) Película de WPI-agua Gly (WPI) comparada con mezcla de Almidón-agua-Gly-AC (6%AC
Gly) y WPI-Almidón-agua-Gly-AC (1/8 AC). (b) Efecto de la relación en peso de WPI/ Almidón.
Resultados y Análisis 39
2.3 Caracterización de películas
La habilidad de formación de película es una característica del almidón y las
proteínas de lactosuero, que puede utilizarse en la industria de empaque de
alimentos y en la farmacéutica como cobertura.
En el almidón la formación de película ocurre cuando los geles liberan las
moléculas del solvente, debido a las fuertes interacciones entre las cadenas de
amilosa que ocasiona el inicio de la recristalización. Por lo que mayores porcentajes
de amilosa favorecen la formación de películas, esta además proporciona mayor
resistencia mecánica, así como menor permeabilidad al oxígeno y al agua que la
amilopectina [91].
Las películas de almidón formadas con agua no poseen las propiedades necesarias
para competir con los polímeros convencionales, además sufren un proceso de
envejecimiento denominado retrogradación por la excesiva recristalización y
perdida del solvente; razón por la cual se emplea la adición sustancias
plastificantes, agentes de refuerzo y modificadores [15], dentro de estos últimos se
encuentran los agentes entrecruzantes como los ácidos carboxílicos que mejoran
propiedades mecánicas y la estabilidad del agua de los productos de almidón. Los
ácidos carboxílicos generalmente se utilizan para actuar como agentes
plastificantes o reticulantes. Entre los recientemente estudiados se encuentran el
ácido ascórbico, el ácido tartárico, el ácido cítrico (AC), el ácido fórmico y otros [92];
se ha reportado que el AC interactúa con las cadenas de almidón previniendo la
formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos hidroxilo del almidón
termoplástico en el estado amorfo [87], por lo cual el AC podría ser un buen
candidato para mantener la estructura de la película y prevenir la retrogradación
Existen investigaciones que analizan el efecto del AC sobre las propiedades de
películas basadas en almidón, que informan mejoras en la permeabilidad al vapor
de agua, resistencia a la tracción y mayores porcentajes de elongación [93], [32],
[94], [95] y [96]. Pero en los estudios reportados son escasos los que analizan la
estabilidad en las propiedades mecánicas con paso del tiempo [97], además se
40 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
encuentran resultados contradictorios con respecto a la temperatura apropiada
para que ocurra el entrecruzamiento, así como del tipo de función que desempeña
en la película, ya que se habla generalmente de tres posibles efectos:
entrecruzamiento, hidrolisis y plastificación.
Como agente de refuerzo para películas de almidón se ha planteado la adición de
proteínas, dentro de las cuales la adición de proteína aislada de lactosuero (WPI)
ha sido una de las menos estudiadas. Individualmente se ha encontrado que, la
fracción proteica del suero, especialmente de los aislados de α-LA y la β-LG, tienen
alto potencial para la elaboración de películas comestibles y envases flexibles
debido a su capacidad para formar enlaces intermoleculares entrecruzados, entre
otras funciones como las observadas en la Tabla 11¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia.; las propiedades de las películas son altamente
dependientes del pH y de la temperatura, y al igual que con el almidón la técnica
más utilizada para su elaboración es el de colada “casting”; para ello se realiza la
desnaturalización térmica de la proteína de suero de leche en solvente acuoso y
luego se vierte la solución en un molde que permite la formación de una película
reticulada después de la evaporación del agua [79].
Tabla 11. Propiedades funcionales de proteínas de lactosuero. Modificado de
(Sullivan, et al., 2008).
Función Propiedades de proteínas de lactosuero
Enlaces con agua Los enlaces con agua se incrementan con la desnaturalización de las
proteínas.
Solubilidad Son solubles en a varios niveles de pH, Si son desnaturadas, son
insolubles a pH 5.
Viscosidad Baja para proteína nativa; alta si es desnaturada.
Gelación El calor de gelatinización se encuentra en 70°C o más y es influenciado
por pH y sales.
Emulsificación Buena excepto a pH 4-5, si ha sido desnaturada por calor.
Espumado Buen espumado/excesivo, β-lactoglobulin mejor que α-lactalbumin.
Enlaces con
saborizantes
Retención de varios dependiendo del grado de desnaturación.
Resultados y Análisis 41
Se ha reportado que las películas basadas en WPI presentan propiedades
mecánicas adecuadas para la elaboración de empaques y recubrimientos de
alimentos, debido a las fuertes interacciones entre la cadenas de proteína, estas
características pueden variar con la adición de plastificantes [79] y [98] se
encuentran estudios comparativos como el de [99] en el que se describe que WPI
tiene mayor resistencia a la tracción que el almidón de arveja (40% amilosa), pero
bajo porcentaje de deformación. Además, la permeabilidad al vapor de agua es alta
debido al carácter hidrófilo de esta proteína (Ramos, et al., 2013).
Para WPI también se han realizado estudios de adición de plastificantes y
nanocompuestos, así como la mezcla con otros polímeros para generar películas
con mejores características, [100], [34] y [101]; entre los reportes de mezcla con
almidones [37] y [102] no se encuentran estudios con variedades botánicas con
gránulos tipo B que tienen generalmente mejores propiedades mecánicas a los de
tipo A, ni análisis del efecto de la adición de AC como agente modificante de las
películas.
Considerando lo anterior se analizara el efecto de diferentes porcentajes de AC y
de WPI de forma individual y la mezcla de estos, en la permeabilidad al vapor de
agua, propiedades mecánicas de resistencia a la rotura y porcentaje de
deformación, así como en la estabilidad con el paso del tiempo de películas
basadas en almidón de achira.
42 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
2.3.1 Propiedades de películas de almidón de achira.
Efecto de la concentración de glicerol en las propiedades mecánicas de almidón de achira.
Se aprecia en la Tabla 12 como la adición de glicerol afecta las propiedades
mecánicas de la película de almidón reduciendo el módulo elástico. Estos
resultados se relacionan con los obtenidos por [38], quienes hallaron que al
adicionar glicerol a almidón de maíz reduce la temperatura de transición vítrea y
aumenta la flexibilidad de los productos derivados, esto se debe a que al actuar
como plastificante penetra en las cadenas del polímero promoviendo mayor
movilidad en las cadenas de amilosa y amilopectina. Se encuentra que a
concentración del 20% no hay suficiente efecto plastificante ya que, aunque se
reduce el esfuerzo de tensión, el porcentaje de deformación no tiene un cambio
importante, por lo que las películas aún tienen un comportamiento frágil. En
concentraciones del 30% y 40% se observan deformaciones semejantes, pero
disminuye el esfuerzo el segundo. Considerando lo anterior la concentración que
permite un valor alto de deformación sin sacrificar en gran medida el esfuerzo es la
del 30%.
Tabla 12. Efecto de la concentración de glicerol respecto al contenido de almidón en propiedades mecánicas.
GLY ESFUERZO DE ROTURA
DEFORMACIÓN A ROTURA
M. ELÁSTICO
%P/P N/mm2 % N/mm2
0 17.87 ± 2.93 2.54 ± 0.46 788.93 ± 61.19
20 13.67 ± 0.98 3.41 ± 0.31 344.36 ± 76.70
30 7.03 ± 0.39 30.65 ± 3.00 161.50 ± 21.54
40 5.27 ± 0.35 30.33 ± 4.01 104.31 ± 16.06
80 0.97 ± 0.05 25.52 ± 2.13 5.09 ± 0.19
Resultados y Análisis 43
Figura 17. Efecto de la concentración de glicerol en el módulo elástico de almidón de achira.
Propiedades mecánicas de almidón de achira.
Se evaluó el cambio en el módulo de elasticidad, en las semanas 1, 3 y 6 después
de preparadas, de películas basadas en almidón de achira, maíz, papa y yuca;
cada suspensión acuosa al 8% p/p y con 24% p/p de glicerol en relación al almidón.
Figura 18. Cambio en el módulo elástico de películas con diferentes almidones en las semanas 1, 3, y 6 después de preparadas.
Se encontró que las películas de almidón de yuca en general presentan un módulo
de elasticidad menor al de los otros almidones, esto implica mayor elasticidad y
menor resistencia al esfuerzo mecánico. Las películas de almidones de maíz, yuca
44 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
y papa presentan comportamientos similares con respecto al tiempo ya que en la
tercera semana incrementan su módulo de elasticidad esto se atribuye al proceso
de retrogradación, ya que una mayor cristalinidad en el material implica un aumento
en resistencia a la tracción y una disminución en la elasticidad. Los cambios en la
sexta semana también pueden atribuirse a la retrogradación ya que al desplazar el
solvente las películas tendrán zonas de alta cristalinidad (cadenas de amilosa y
amilopectina) y zonas amorfas con alta concentración de solvente, lo que permitiría
elasticidad mayor respecto a la primera semana, pero a la vez menor esfuerzo de
tracción. En trabajos como el de [103] se observa como después de la
gelatinización por nucleación las cadenas de amilopectina y amilosa empiezan a
formar cristales.
En la Figura 18, se puede ver igualmente como las películas de papa son las que
presentaron mayor módulo, este resultado puede atribuirse al mayor peso
molecular de las cadenas de amilosa y amilopectina que han sido reportados para
este almidón, así como a su bajo contenido de amilosa (Tabla 13 y Tabla 14). El
módulo en achira es menor a papa entre las semanas 1 y 3 por tener entonces un
menor DP en amilosa, esto también podría facilitar la movilidad de estas cadenas,
explicando el porque se observa mayor retrogradación hacia la sexta semana, ya
que un módulo alto es consistente con un alto contenido de amilosa la cual permite
una estructura cristalina más estable [104], [105]. El módulo en maíz presentó un
incremento significativo hacia la tercera semana siendo consistente con una mayor
movilidad de las cadenas de amilosa y amilopectina por el DP bajo de estas. En
yuca se observan módulos más bajos acordes a menores contenidos de amilosa y
menores grados de polimerización en amilopectina, y se observa un aumento
significativo en la semana 3 indicando que existe alta retrogradación, este resultado
es diferente a la reportado por [106](Tabla 13).
Resultados y Análisis 45
Tabla 13. Contenido de amilosa y grado de polimerización almidones.
Origen % Amilosa
Aparente*
% Amilosa
absoluta**
%Retrogradación** Grado de
Polimerización
(DP)
Fuente
Almidón tipo A
Maíz Normal 28.01± 1.27 22.5 47.6 830 – 960 [107]
Yuca 17.82± 2.08 17.18 25.3 2660 – 3390 [58]
Almidón tipo B
Papa 29.74± 4.18 16.9 43.4 4850 y 6340 [58]
Achira 37.69± 1.25 22.7 45.2 1650-1590 [108]
*Resultados del presente estudio. ** Resultados obtenidos por [106], Amilosa absoluta calculada como: C = (IAS – IAAP+IC)/{0.20 – (IAAP+IC/100)} donde C es el porcentaje de amilosa absoluta, IAS es la afinidad del almidón entero desgrasado con el yodo, y IAAP+IC es la afinidad de amilopectina y la mezcla de componentes intermedios. %Retrogradación se calculó por DSC a partir de las entalpias de gelatinización.
Tabla 14. Distribución de longitud de cadena (CL) de ramificaciones de amilopectina. Modificado de [106]
Origen Pico DP Promedio % distribución Mayores DP detectados
I II CL DP 6-9 DP 6-12 DP 13-24 DP 25-36 DP≥37
Almidón tipo A
Maíz Normal 13 48 24.4 3.85 17.9 47.9 14.9 19.3 80
Yuca 12 49 27.6 4.68 17.3 40.4 15.6 26.7 79
Almidón tipo B
Papa 14 52 29.4 3.53 12.3 43.3 15.5 28.9 85
Achira 15 52 28.9 3.41 11.7 45.3 16.2 26.8 85
2.3.2 Propiedades de películas con adición de ácido cítrico (AC)
46 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Dentro de los agentes modificadores de película recientemente se han realizado
estudios con ácido ascórbico, el ácido tartárico, el ácido cítrico (AC), el ácido
fórmico y otros [92]; se ha reportado que el AC interactúa más fuertemente con el
grupo CO que los polioles, y consecuentemente previene la formación de enlaces
de hidrógeno entre los grupos hidroxilo del almidón termoplástico en el estado
amorfo [87], por lo cual el AC podría ser un buen candidato para aumentar el rango
de propiedades mencionadas. La prevención de la formación de enlaces de
hidrógeno además produciría como resultado un bajo grado de recristalización
(retrogradación), evitando que las películas de almidón se vuelvan frágiles con el
paso del tiempo.
Existen escasos estudios que analizan la estabilidad en las propiedades mecánicas
con paso del tiempo [97], además se encuentran resultados contradictorios,
respecto a la temperatura apropiada para que ocurra el entrecruzamiento. Por esta
razón se decide estudiar el efecto del ácido cítrico en la retrogradación de películas
de almidón.
Microestructura (SEM)
La Figura 19, muestra las micrografías de la superficie de fractura, obtenidas por
SEM, las películas mostraron superficies lisas sin evidencia de las formas
granulares del almidón, por lo que la temperatura y tiempo de calentamiento
utilizados en su producción de la suspensión filmógena permitieron la
desintegración completa de los gránulos. Con glicerol (0%AC Gly) se observa una
superficie más homogénea que con agua, esto se debe al efecto plastificante que
permite una mayor dispersión de las cadenas amilosa y amilopectina en la película.
La adición de AC sin presencia de glicerol, produjo una película poco homogénea
con porosidades y grietas grandes, posiblemente las fuertes interacciones entre el
almidón y AC dificultan la movilidad de cadenas generando mayor fragilidad en las
películas. El aumento de la concentración de AC en presencia de glicerol produce
Resultados y Análisis 47
películas con superficies más suaves y homogéneas indicando mayor miscibilidad
en los componentes de la película.
0%AC 12% AC 0% AC Gly
12% AC Gly 36% AC Gly
Figura 19. Micrografías de fractura (2kx) de películas de almidón de achira con agua(12%AC), con agua-AC (12%AC), con agua-glicerol (0%AC Gly), con agua-glicerol-
12%AC (12%AC Gly), y con agua-glicerol-36%AC (36%AC Gly)
Cristalinidad de películas
Las películas de almidón con agua-glicerol (0% AC Gly) y con adición de AC (12%
AC Gly) mostraron picos de difracción en posiciones iguales a los de los gránulos
de almidón (Al. Nativo) en 17°, 20°, 22° y 24°, pero con intensidad menos marcada
con respecto al área amorfa, especialmente en el pico en 24°, esto indica que
durante la formación de películas no se cambió el tipo de cristal del almidón, cambio
48 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
el porcentaje de cristalinidad, el mismo efecto ha sido reportado por [109], en
películas de almidón de maíz gelatinizadas con glicerol y con Anhídrido trimelítico.
La formación de película solo con agua (0% AC) mostró cambios en la cristalinidad
del almidón ya que en su difractograma los picos en 20°, 22° y 24° presentan muy
baja intensidad indicando alta disrupción estructural, ocurre un comportamiento
similar al agregar AC sin la presencia de glicerol (12% AC), aunque en este se
observa un menor porcentaje de cristalinidad (Tabla 15), probablemente causado
por efecto de hidrolisis del AC en las cadenas de almidón, esto origino fragilidad en
las películas. El aumento en la intensidad de difracción de algunos de los picos,
pero disminución en el porcentaje de cristalinidad con la adición de AC de acuerdo
con [32], sugiere que algunas de las regiones amorfas pueden estar mejor
orientadas después de la formación de película.
Figura 20. Cambios en los picos cristalinos de las películas. Al-Agua (0%AC), Al-Agua-AC (12% AC), Al-Agua-Gly (0% AC Gly), Al-Agua-Gly-AC (12% Gly) vs gránulos de almidón de achira (Al. nativo)
A medida que aumenta la concentración de AC en presencia de glicerina disminuye
la cristalinidad de las películas, este se puede atribuir a fuertes interacciones por
puentes de hidrogeno entre el AC, glicerol y las moléculas del almidón que
disminuyen el proceso de recristalización.
Resultados y Análisis 49
Figura 21. Cambios en los picos cristalinos de las películas en relación a la concentración de Ácido Cítrico (%p/p AC/Al). Al-Agua-Gly (0% AC Gly), Al-Agua-Gly-12%AC (12% Gly), Al-Agua-Gly-24%AC (24% Gly) y Al-Agua-Gly-36%AC (36% Gly).
Con el tiempo (Figura 22) se observan cambios en la estructura cristalina de las
películas siendo más notorios los picos, en la Tabla 15 se observa además que la
cristalinidad aumenta en la película sin adición de AC (0% AC Gly) y con bajo
porcentaje de este (12% AC Gly); con la adición de AC en alta concentración 24%
y 36% la formación de picos es menos pronunciada y la cristalinidad disminuye,
esto puede ocurrir por un efecto de hidrolisis que genera degradación de las
cadenas almidón, lo que podría dificultar la recristalización del almidón durante la
retrogradación.
Figura 22. Efecto del AC en la cristalinidad de películas a 2 semanas y 1 año de preparación.
50 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Tabla 15. Cristalinidad de películas con AC, medidas a 1 semana y a 1 año.
% Cristalino
Muestra 1 semana 1 año
Almidón Achira 22.0 -
Película
0% AC 24.6 -
12% AC 10.5 -
0% AC Gly 15.0 22.3
12% AC Gly 19.7 23.2
24% AC Gly 15.2 14.6
36% AC Gly 16.3 11.1
Propiedades mecánicas
En la Figura 23, se observa la reducción del módulo elástico con el aumento en la
concentración de AC, además a altas concentraciones el módulo se tiende a
mantener estable con el paso del tiempo. Estos resultados indican que el ácido
cítrico puede haber promovido la movilidad de cadenas del almidón, lo que explica
la reducción en el módulo elástico, como lo mencionan [93], quien observo que el
AC residual puede actuar como un plastificante, reduciendo los enlaces de
hidrógeno entre las cadenas de almidón y debilitando la estructura de la mezcla.
El efecto sobre la retrogradación del almidón corrobora los resultados obtenidos
por DRX, ya que, en altas concentraciones, al impedirse la recristalización del
almidón el módulo no presento cambios significativos.
Resultados y Análisis 51
Figura 23. Efecto de diferentes concentraciones de AC en el módulo elástico de películas medido a 1 semana, 3 semanas y 6 semanas.
(a) (b)
Figura 24. Efecto de diferentes concentraciones de AC en el esfuerzo de rotura (a) y en la deformación (b), de películas medidas a 1 semana, 3 semanas y 6 semanas.
Es importante mencionar a la sexta semana (Figura 24a) se presenta un aumento
en el esfuerzo de tensión y este no presenta diferencias significativas entre las
películas sin AC y las películas a 12% y 36%, pero si se observan diferencias en la
deformación especialmente en altas concentraciones. Este resultado puede ser
causado por la re-asociación de las cadenas en la película por la retrogradación, y
la alta deformación (Figura 24b) con el aumento de la concentración de AC muestra
el efecto plastificante que presenta el AC en las películas. En el trabajo de Khan,
2007[97] estudiaron las propiedades mecánicas en los días 1, 7 y 14, encontrando
descenso gradual en el esfuerzo de tracción y aumento en la deformación,
52 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
fenómeno que atribuyeron a la ganancia de humedad asociada a las interacciones
con los plastificantes.
Espectroscopia de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR).
En la Figura 25, se pueden ver los cambios en los espectros por FTIR para películas
con diferentes concentraciones de AC. La Figura 25.a muestra el entrecruzamiento
del almidón con el ácido cítrico que se caracteriza por la formación de un grupo
C=O, este se observa en la banda a 1724 cm-1 [32], esta banda aumenta su
intensidad con el contenido de AC, también en altas concentraciones se observa
un pico más débil a 1205 cm-1 (Figura 25.b) que se atribuye al estiramiento del
enlace C-O del grupo C-OH en los residuos de ácido; además se puede ver un
cambio en el pico entre ubicado entre 1000 y 1050 cm-1, que pasa de ser uno
sencillo a uno doble con el aumento en la concentración de AC, confirmando una
menor cristalinidad en la película, de acuerdo con lo planteado por [110], quien
estudio los cambios en espectros IR con cambio en la cristalinidad de geles de
almidón de papa; el cambio en el pico 1024 cm-1 también ha sido asociado a menor
presencia de vibraciones (C-O-C), con incrementos en el pico 1149 cm-1 por mayor
presencia de vibración (C-O-H) producto de la hidrólisis del almidón por el AC con
temperaturas de 85°C, según [93] y [96].
Resultados y Análisis 53
(a) (b)
Figura 25.Espectro de películas de almidón plastificadas con glicerol y con diferentes concentraciones de AC (a) Espectro entre 4000 y 400 cm-1 (b) ampliación segmento entre
1400 y 700 cm-1.
Propiedades térmicas (TGA)
En las Figura 26a y Figura 26b se observan las curvas obtenidas por degradación
termogravimetrica, puede observar que las películas tienen un menor porcentaje
de humedad que el almidón nativo; en la Tabla 16 se muestran los cambios en el
contenido de humedad, estos pueden asociarse a la posibilidad de realizar
asociaciones con moléculas de agua del medio, de tal forma que las películas que
presentan AC y glicerol tienen un menor asociación ya que este forma puentes de
hidrogeno con el almidón, disminuyendo los espacios de asociación con agua. Los
cambios en el porcentaje de humedad entre las muestras con aumento de la
concentración de AC no son significativos.
La degradación de las películas ocurre a temperaturas levemente más altas en
relación con el contenido de AC y la adición de glicerol (Tabla 16), lo que indica
que mejora la resistencia a la degradación térmica, por el aumento en las
interacciones Almidón-Agua-Glicerol y Almidón-Agua-Glicerol-AC. Aunque, los
porcentajes de degradación en las películas modificadas con glicerol y con glicerol-
AC es mayor posiblemente a causa de la reducción en la cristalinidad; [32],
encontraron resultados similares en los que se alcanzó una temperatura pico de
degradación en 320°C para películas con almidón de maíz.
54 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
(a) (b)
Figura 26. Efecto de AC en la degradación térmica de películas de almidón. Las gráficas se encuentran desplazadas para mejorar la visualización de estas
Tabla 16. Porcentajes de perdida de humedad y degradación de películas con AC.
Película Humedad DTGh Degradaciónmáx DTGmáx
(%) (°C) (%) (°C)
0% AC 5.1 101 56.8 273
12% AC 7.2 110 57.8 277 0% AC Gly 6.0 78 74.0 301
6% AC Gly 7.3 85 79.7 310
12% AC Gly 5.0 87 71.5 309
24% AC Gly 4.8 81 70.3 310 36% AC Gly 8.4 92 73.6 319
Resultados y Análisis 55
Permeabilidad al vapor de agua
Figura 27. Efecto del AC en la permeabilidad al vapor de agua.
Se observa que el contenido entre 24 % y 36% de AC aumenta la permeabilidad
ya que el volumen libre de las cadenas de almidón se incrementa debido al efecto
plastificante. En concentraciones bajas 6% y 12%, no se observan cambios
significativos (p<0.05) en la permeabilidad con respecto al control (0%AC Gly).
56 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
2.3.3 Propiedades de películas con adición de WPI
Apariencia
Las películas con WPI presentaron una apariencia brillante amarillenta, siendo más
intensa la coloración con porcentajes de proteína superiores al 50% en relación al
peso del almidón, pero con menor resistencia por formación de agregados de
proteína (Figura 28). Razón por la cual en la mayoría de análisis solo se
considerarán las relaciones en masa 1/8 pro/Al, 2/8 pro/Al y 4/8 pro/Al.
Figura 28. Película 6/8 pro/Al fotografiada en microscopio óptico a 40x.
Cristalinidad
La película de WPI muestra un difractograma característico de una sustancia sin
formaciones cristalinas (Amorfa) Figura 29(a); cuando se adiciona en las películas
de almidón predominan las formas cristalinas del almidón nativo Figura 29(b), este
resultado difiere del reportado por [102], quienes encontraron en películas de
almidón de maíz con WPI, la recristalización generaba estructuras tipo-Vh, esta
diferencia se puede atribuir al procesamiento de la película, ya que en el presente
estudio las películas se realizaron por solvent casting y en el del estudio reportado
utilizaron extrusión. Otro factor podría ser el origen botánico del almidón.
Con la adición de WPI en la relación 1/8 p/almidón no se presentaron diferencias
significativas en el porcentaje de cristalinidad, medido en la primera semana
respecto a las muestras de almidón sin AC (0% AC Gly) y con AC (12% AC Gly),
sin embargo, la adición AC provoca una tenue reducción en la cristalinidad después
de un año.
Resultados y Análisis 57
(a) (b)
(c) (d)
Figura 29. Difractogramas de (a) película de WPI a un mes y a un año de preparación, (b)
adición de WPI en diferentes proporciones, (c) efecto del tiempo con y sin adición de AC
en 1/8 p/p almidón; (d) y en 4/8 p/p almidón.
Tabla 17. Porcentaje de cristalinidad en películas de almidón con adición de WPI
en presencia de AC y sin AC.
Cristalinidad (%)
Película 1 semana 1 año Diferencia
0% AC Gly 15.03 22.3 7.27
12%AC Gly 19.71 23.22 3.51
1 a 8 14.87* 19.97 5.1
1 a 8 AC 20.43* 12.31 -8.12
4 a 8 AC 23.3* 20.55 -2.75 *Evaluadas a un mes de preparadas
58 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Descomposición térmica por TGA
Figura 30. Degradación térmica (TGA) de películas de almidón con adición de WPI
en presencia de AC y sin AC.
Tabla 18. Porcentajes de perdida de humedad y degradación de películas con AC.
Película Humedad DTGh Degradación 1 DTG1 Degradación2 DTG2
(%) (°C) (%) (°C) (%) (°C)
0% AC Gly 6.0 78 - - 74.0 301
6% AC Gly 7.3 85 - - 79.7 310
WPI 11.5 78 18.74 220 48.9 312
1/8 11.4 63 18.37 179 53.6 312 1/8 AC 12.3 65 17.42 186 50.4 311
4/8 AC 11.2 69.8 7.93 179 52.6 305
Las películas con WPI presentan tres etapas de degradación, la primera con
pérdida de aproximadamente un 11.5 % de peso con temperatura pico entre 63 y
78°C, que es característica de evaporación de agua. La segunda con temperatura
pico ente 179 y 220°C puede asociarse con descomposición de glicerol y
componentes menores de la proteína con un porcentaje de degradación de 18%,
Resultados y Análisis 59
con excepción de la película 4/8 AC en la que el valor fue menor (7.93%). La tercera
etapa ocurrió entre 305 y 312 °C con una pérdida de peso alrededor del 50%, el
cual se atribuye a la descomposición final de los compuestos orgánicos presentes
en la película.
La adición de proteína en baja concentración mostró un retraso en la
descomposición final de la película, este es ocasionado por la mayor resistencia a
la degradación presentado por WPI, aunque este cambio no fue significativo
respecto a la película de almidón con adición de AC (6% AC Gly), el incremento en
la concentración de WPI generó un ligero descenso de este valor, esto indicaría
que en altas concentraciones de esta se reduce la interacción con los otros
componentes, permitiendo una descomposición más temprana.
Propiedades mecánicas
En la Figura 31 se observa que en general las películas de WPI presentan
propiedades mecánicas inferiores a las de las películas de almidón de achira (Al-
Gly) en las misma condiciones. Aunque muestran mayor estabilidad en las
diferentes semanas de medición.
La adición de WPI genera reducción del esfuerzo máximo (Figura 31(a)) y del
porcentaje de deformación de las películas de almidón (Figura 31(b)), esto podría
indicar que las cadenas de proteína reducen la movilidad de las cadenas de
almidón ocasionando por tanto un comportamiento frágil, este resultado concuerda
con el reportado por [102] para almidón de arveja y WPI, es importante mencionar
que la reducción de las propiedades mecánicas en la películas del trabajo citado,
fue mayor a la expuesta en el presente estudio ya que las películas fueron
procesadas por extrusión y las altas temperaturas generaron mayores pérdidas de
plastificantes, que las que pueden ocurrir por solvent casting.
Se observa en la Figura 31(c), que las películas con adición de proteína en general
presentan menos cambios en los diferentes tiempos de medición que las películas
60 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
control de almidón, mostrando entonces que en proporciones adecuadas WPI
puede reducir la retrogradación de las películas de almidón.
(a)
(b)
(c)
Figura 31. Propiedades mecánicas de películas de almidón con adición de WPI en presencia de AC y sin AC. (a) Esfuerzo Máximo, (b) Deformación máxima (%) (c) Módulo elástico.
Resultados y Análisis 61
La adición de AC genera esfuerzos máximos más altos, junto con mayores
deformaciones y estabilidad respecto al tiempo en películas con baja concentración
de proteína (1/8*), en comparación con las películas sin adición de AC en la misma
proporción (1/8). Esto podría implicar mayor interacción en las cadenas de proteína
y almidón.
Características microestructurales
WPI 1/8 1/8 AC
4/8 4/8 AC
Figura 32. Micrografías (2 Kx) por SEM de películas de WPI, almidón con adición de WPI en diferentes relaciones (p/almidón), con y sin adición de AC.
En la Figura 32, se puede ver que en general en la escala trabajada, películas
presentan una matriz homogénea, sin separación de fases, esto indica alta
miscibilidad en los componentes que forman la película.
62 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
Espectroscopia de Infrarrojo por Transformada de Fourier
(a) (b)
Figura 33. FTIR de películas de almidón con adición de WPI con y sin AC. (a) Rango completo y (b) rango entre 800 y 1750 ampliado.
En la Figura 33.a se observa que la película de proteína (WPI) presenta un pico
terminado en punta afilada entre (3000 y 3600) cm-1, este se asocia con vibraciones
de estiramiento N-H (3350 cm-1) con superposición de las vibraciones de
estiramiento O-H que ocurren por retención de agua en la película. Se observan
además picos de gran intensidad en 1550 y 1640 cm-1 estos están relacionados
con las estructuras amina secundaria y amina primaria respectivamente, presentes
en una proteína. Entre 1000 y 1500 cm-1 son notorios picos característicos de
carbohidratos que se pueden asociar a la presencia de glicerol como plastificante.
Las películas de almidón con adición de WPI en diferentes concentraciones
muestran un pico con terminación más curva entre (3000 y 3600) cm-1,
posiblemente por mayor afinidad al agua y cambios en los picos entre 1000 y 1500
cm-1, que se aprecian de mejor forma en la ampliación de la Figura 33.b, con una
relación baja de proteína (1/8 WPI/Al) se observa que el pico entre 1500 y 1600 cm-
1 aumenta su ancho lo que se atribuye a la combinación con el pico de
entrecruzamiento del almidón (1724 cm-1) producido por la adición de AC; al
incrementar la concentración de (8/8 WPI/Al), se observan los picos de las aminas
en baja intensidad y con la adición de AC estos cambian su intensidad, por lo cual
Resultados y Análisis 63
esto puede indicar asociación de este grupo con el sistema AC-almidón. Con la
adición de WPI también se observa cambio en el pico ubicado alrededor de 1049
cm-1, el cual en el segmento anterior se había atribuido a cambios en la cristalinidad
de las películas, estas se asocian a cambios en las interacciones entre las cadenas
del almidón. El desplazamiento del pico alrededor de 1040 cm-1, ha sido atribuido
a interacción entre las moléculas formadoras de película por [40].
Permeabilidad al vapor de agua
En la Figura 34 se observa que las películas con WPI en general presentan mayor
permeabilidad esto se asocia con el carácter hidrófilo de esta mencionada
anteriormente; con mayores concentraciones aumenta la permeabilidad, indicando
mayores espacios en la matriz polimérica y mayor absorción, el resultado es similar
al obtenido por [102] y [37], los cambios en la matriz polimérica podrían relacionarse
con la reducción en la cristalinidad de las películas y menores propiedades
mecánicas. La adición de AC reduce la permeabilidad, confirmando mayor
asociación en las cadenas de las cadenas de almidón y de proteína.
Figura 34. WVP de películas almidón con adición de WPI, con y sin AC..
3. Conclusiones y recomendaciones
3.1 Conclusiones
El almidón de achira posee estructura granular caracterizada por tamaños de
gránulo entre 5 y 100 micras y forma ovalada La estructura cristalina es de tipo B,
similar a las presentada por el almidón de papa. Presenta un contenido de
humedad en equilibrio cercano a 18%. El grado de cristalinidad es de 22%, el cual
es claramente mayor al de otras especies vegetales. El contenido de amilosa es de
38%, lo que proporciona propiedades adecuadas para la formación de películas. El
almidón de achira gelatiniza con agua a una temperatura de 65 °C, determinada
por DSC. Estas propiedades indican un potencial de aplicación industrial además
de los usos tradicionales en el área alimenticia.
La estabilidad térmica del almidón de achira se determinó por análisis
termogravimétrico, indicando que la estructura es estable hasta 250°C. La
descomposición térmica del almidón sigue una cinética de primer orden
caracterizada por una energía de activación de 176 kJ/mol.
Se estudió la gelatinización térmica de almidón de achira en presencia de otros
plastificantes con posibilidades de formar enlaces de hidrógeno con las moléculas
de amilosa y amilopectina. Se encontró que, para glicerina, la temperatura de
gelatinización aumentaba con respecto al agua en 58 °C. Esto es explicado por el
mayor tamaño molecular y diferencias en viscosidad que afectan la difusión de la
66 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
molécula dentro del gránulo. Igualmente, la glicerina presenta un carácter menos
polar que igualmente tiene un efecto sobre la compatibilidad con los polisacáridos.
Este efecto se reflejó igualmente con etilenglicol el cual tiene un tamaño menor que
la glicerina y produjo un aumento en la temperatura de gelatinización de 49 °C con
respecto al agua. Este hecho requiere un estudio más amplio que actualmente se
está adelantando al interior del grupo de investigación.
Las películas de almidón preparadas por colada “casting”, se caracterizan por una
alta fragilidad. El uso de glicerol en la formulación, les impartió a las películas mayor
flexibilidad con un aumento significativo de la deformación a ruptura y una
disminución en el módulo de tensión. El efecto plastificante de la glicerina se explica
por la formación de puentes de hidrógeno con los grupos hidroxilo de las moléculas
de amilosa y amilopectina, el aumento del volumen libre y su baja volatilidad.
Igualmente se encontró una correlación entre el grado de cristalinidad de las
películas y su comportamiento mecánico. En películas sin plastificante, solamente
con el agua de equilibrio, la cristalinidad fue del 25% y se redujo al 15% con la
adición de glicerina.
El ácido cítrico produce un efecto de plastificación y estabilización de las películas
con glicerina. Uno de los cambios más notorios son la reducción en el proceso de
recristalización que afecta el comportamiento mecánico de las películas. La
inclusión de hasta 24% de ácido cítrico en las formulaciones, presentó un grado de
cristalinidad de 15% después de un año de preparada la película, comparada con
22% de la formulación sin este compuesto. La presencia de grupos carbonilo e
hidroxilo en el ácido cítrico, aumenta la posibilidad de formación de puentes de
hidrógeno con la amilosa evitando la recristalización. El efecto plastificante y de
estabilización se reflejó también en las propiedades mecánicas, donde la inclusión
del ácido cítrico aumento la deformación y redujo el esfuerzo en el punto de rotura.
Conclusiones 67
El uso de lactosuero aumenta el potencial de aplicación de películas de almidón en
la industria de alimentos, debido a su carácter proteico. Aumenta el carácter
biodegradable de las películas a pesar de la modificación con plastificantes como
glicerina y ácido cítrico. El lactosuero por sí mismo, forma películas con
características mecánicas muy débiles lo que dificulta su uso en forma aislada, la
adición de almidón genera películas con propiedades mecánicas más fuertes,
aunque menores a las de las películas de almidón.
Se prepararon películas de almidón de achira, lactosuero, glicerina y ácido cítrico
desde soluciones acuosas. Se observaron buenas características filmogénicas,
con películas de mayor opacidad a medida que aumenta el contenido de
lactosuero. Mecánicamente, las películas con relaciones lactosuero/almidones
menores a 1/8 presentan propiedades mecánicas comparables a las de las
películas preparadas usando solamente glicerina y agua, pero presentan mayor
estabilidad de las propiedades con el paso del tiempo.
Una de las propiedades más importantes de las películas para uso alimenticio está
en su permeabilidad al vapor de agua. La permeabilidad al vapor de agua de
películas almidón/glicerina presentó un valor de 1.4x10-9 g/(m s Pa). Esta
permeabilidad se mantuvo aproximadamente estable con la adición de ácido cítrico,
pero se aumentó más del 30% en el sistema que incluía el lactosuero. Las proteínas
que componen el lactosuero se caracterizan por ser altamente hidrófilas y
adicionalmente pueden aumentar los espacios de difusión en las películas al
interactuar con las moléculas del almidón. Estos valores deben ser tenidos en
cuenta cuando se proyecten las aplicaciones de las películas.
68 Efecto de la adición de ácido cítrico y proteína de lactosuero en la elaboración de
películas basadas en almidón de Canna indica L.
3.2 Recomendaciones
Es importante caracterizar más profundamente el almidón, cuantificando el
contenido fosfolípidos, grado de polimerización y ramificación de los polisacáridos,
explorar otros métodos para cuantificación de amilosa y microdureza de los
gránulos.
La gelatinización de almidones y su posterior retrogradación ha sido ampliamente
estudiada, pero quedan vacíos en el conocimiento, especialmente los relacionados
con el efecto de solventes diferentes al agua. Esto representa una oportunidad de
investigación que debe ser valorada.
Es importante evaluar además de glicerol, otros plastificantes como sorbitol, xilitiol,
1,3-propanodiol y otros, que puedan aportar otras prestaciones a las películas.
En el presente estudió se utilizó proteína obtenida por microfiltración. Se
recomienda realizar estudios comparativos con proteína obtenida por intercambió
iónico ya que esto cambia la proporción de componentes menores que pueden
tener efecto en los resultados.
El ácido cítrico presenta una alternativa adecuada para la preparación de películas
comestibles de almidón y lactosuero. Sin embargo, puede ocasionar, por su
carácter ácido, hidrólisis en el almidón y cambios en la solubilidad de la proteína.
Se sugiere estudiar estos posibles efectos y su influencia en las propiedades de la
película.
Conclusiones 69
Con el fin de estandarizar la estabilidad de las películas, es recomendable iniciar
un estudio que determine la evolución de las propiedades mecánicas con respecto
al tiempo, y compararlas con mediciones de cristalinidad.
Es recomendable explorar técnicas más precisas para evaluar la permeabilidad de
las películas tanto al vapor de agua, como a otros componentes como dióxido de
carbono, acetileno y oxígeno.
Se recomienda iniciar investigaciones para la producción de películas a mayor
escala usando métodos de procesamiento continuos como tape casting.
A. Anexo: pH de suspensiones
Tabla 19. pH de suspensiones filmogénicas.
Muestra pH 0% AC Gly 5.9
6% AC Gly 2.31 WPI 6.15
1/8 WPI/Almidón 6.55 2/8 WPI/Almidón 6.70
4/8 WPI/Almidón 6.65 1/8 WPI/Almidón AC 3.81
2/8 WPI/Almidón AC 3.84 4/8 WPI/Almidón AC 3.82
Las suspensiones de almidón se encuentran al 8%, se adiciono glicerina en 30% p/p con
respeto al almidón. Ácido cítrico (AC) con concentración del 6% respecto al almidón. WPI
hace referencia a la suspensión de proteína al 8%p/p en agua, con adición de glicerina
en 30% p/p con respeto a la proteína. Finalmente se muestra el incremento del contenido
de WPI en relación al almidón sin AC y con adición de este.
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