departamento de ciencia de los alimentos y...
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UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y FARMACÉUTICAS DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE LOS ALIMENTOS Y TECNOLOGÍA QUÍMICA
INCORPORACIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE ARCILLA EN PELÍCULAS COMESTIBLES DE QUITOSANO-QUÍNOA
(Chenopodium quinoa Willd.)
Profesor Patrocinante: Cristián Tapia Villanueva
Departamento de Ciencia de los Alimentos y Tecnología Química Universidad de Chile
Directores de Memoria: Lilian Elizabeth Abugoch James
Departamento de Ciencia de los Alimentos y Tecnología Química Universidad de Chile Cristián Tapia Villanueva Departamento de Ciencia de los Alimentos y Tecnología Química Universidad de Chile
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO EN ALIMENTOS
LUIS PABLO ABARCA FLORES SANTIAGO-CHILE
2012
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“Muchos han hecho notar la rapidez con que Muad’Dib
aprendió las necesidades de Arrakis. Las Bene Gesserit, por
supuesto, conocen los fundamentos de esta rapidez. Para los
demás, diremos que Muad’Dib aprendió rápidamente porque la
primera enseñanza que recibió fue la certeza básica de que
podía aprender. Es horrible pensar cómo tanta gente cree que
no puede aprender, y cómo más gente aún cree que el
aprender es difícil. Muad'Dib sabía que cada experiencia lleva
en sí misma su lección"
De << La humanidad de Muad'Dib>> por la Princesa Irulan
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AGRADECIMIENTOS
- Gracias a mis padres y hermano por su apoyo, compresión y cariño.
- A los profesores Cristián Tapia y Lilian Abugoch, por su sabiduría, paciencia y
consejos.
- A Izaskun por ser la mejor polola del mundo.
- A Paula por ser una excelente amiga.
- A los profesores Carlos, Fernando y Jaime, por su cordialidad y apoyo.
- A Don Eduardo y Don Carlos por su buena disposición y mejor voluntad.
- A los amigos nuevos; Vivi, Niko, Juan Pablo, Génesis y Tamara, por hacer más
grata mi estadía.
- Al Proyecto Innova-CORFO “Desarrollo y caracterización tecnológica de
potencialidades estratégicas en berries de exportación: aumento de vida útil post-
cosecha y calidad” (07CT9PUT-06), por el financiamiento de esta memoria.
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ÍNDICE GENERAL
AGRADECIMIENTOS .....................................................................................................................iii
ÍNDICE GENERAL .......................................................................................................................... iv
ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................................... vi
ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................................... vii
ÍNDICE DE ECUACIONES ............................................................................................................. viii
RESUMEN .................................................................................................................................... ix
SUMMARY ....................................................................................................................................x
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 1
1.1. Antecedentes generales. ................................................................................................... 1
1.2. Descripción y propiedades del quitosano. ......................................................................... 1
1.3. Descripción y propiedades de la quínoa. ........................................................................... 3
1.4. Descripción y propiedades de la arcilla (montmorillonita). ................................................ 4
2. HIPÓTESIS ................................................................................................................................ 8
3. OBJETIVOS ............................................................................................................................... 8
3.1. Objetivo General ............................................................................................................... 8
3.2. Objetivos Específicos ......................................................................................................... 8
4. MATERIALES ............................................................................................................................ 9
5. MÉTODOS .............................................................................................................................. 10
5.1. Elaboración del extracto acuoso proteico de quínoa (Chenopodium quinoa Willd.) (EAP): 10
5.2. Preparación de la solución base de quitosano: ................................................................ 10
5.3. Preparación de la mezcla arcilla-quitosano: ..................................................................... 10
5.4. Preparación de la mezcla quínoa-quitosano: ................................................................... 11
5.5. Preparación de la mezcla quínoa-quitosano-arcilla (polvo): ............................................. 11
5.6. Preparación de la mezcla quínoa-quitosano-arcilla (solución): ......................................... 11
5.7. Preparación de las películas de quitosano y quitosano-proteína de quínoa, con y sin adición de arcilla: ................................................................................................................... 11
v
5.8. Determinación del espesor de las películas: .................................................................... 12
5.9. Curva de secado de las películas:..................................................................................... 12
5.10. Determinación de las propiedades mecánicas: .............................................................. 16
5.11. Determinación del grado de permeabilidad al vapor de Agua (PVA): ............................. 18
5.12. Análisis estadístico: ....................................................................................................... 20
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN..................................................................................................... 21
6.1. Contenido de proteínas en el extracto acuoso proteico. .................................................. 21
6.2. Permeabilidad al vapor de agua. ..................................................................................... 21
6.3 Propiedades Mecánicas: alargamiento porcentual (A%) y esfuerzo de tracción en la ruptura (ETR) ...................................................................................................................................... 28
6.4 Determinación de los parámetros de secado de las películas............................................ 31
7. CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 35
8. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 36
9. ANEXOS ................................................................................................................................. 40
ANEXO 1: Composición proximal y aminoacídica de la harina de quínoa. ............................... 40
ANEXO 2: Contenido de aminoácidos en la harina de quínoa. ................................................ 41
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ÍNDICE DE FIGURAS Página FIGURA 1.1 Estructura química del quitosano………………………………. 2
FIGURA 1.2 Estructura de la arcilla (montmorillonita)………………………. 6 FIGURA 5.1 Gráfico de la cinética de secado teórica………………………. 13 FIGURA 5.2 Secuencia de la medición de las propiedades mecánicas…... 16 FIGURA 5.3 Diagrama del gráfico carga v/s alargamiento…………………. 17 FIGURA 5.4 Sistema de medición de TVA…………………………………… 18 FIGURA 6.1 Cinética de evaporación de agua de las películas quitosano
(Q) y con adición de arcilla (Q-MMT)…………………………..
22
FIGURA 6.2 Valores de TVA de las películas quitosano (Q) y con adición
de arcilla (Q-MMT)……………………………………………….
24
FIGURA 6.3 Valores de PVA de las películas quitosano (Q) y con adición
de arcilla (Q-MMT)……………………………………………….
25
FIGURA 6.4 Cinética de evaporación de agua de las películas quitosano-
proteínas de quínoa (Q-EAP) y con adición de arcilla (Q-
EAP-MMT)………………………………………………………..
26
FIGURA 6.5 Valores de TVA de las películas quitosano-proteínas de
quínoa (Q-EAP) y con adición de arcilla (Q-EAP-MMT)…….
27
FIGURA 6.6 Valores de PVA de las películas quitosano-proteínas de
quínoa (Q-EAP) y con adición de arcilla (Q-EAP-MMT)…….
28
FIGURA 6.7 Curvas de Secado de las películas de quitosano-extracto
acuoso proteico con y sin arcilla (Q-EAP y Q-EAP-MMT
5% s)……………………………………………………………...
31
FIGURA 6.8 Curvas de Secado de las películas Q-EAP y Q-EAP-MMT
5% s………………………………………………………………
32
FIGURA 6.9 Curvas de velocidad de secado de lasa películas Q-EAP y Q-
EAP-MMT 5% s……………………………………………….
33
vii
ÍNDICE DE TABLAS Página TABLA 5.1 Descripción de los parámetros en la cinética de secado de
las soluciones formadoras de películas………………………… 12
TABLA 5.2 Ecuaciones de las propiedades mecánicas………………....... 17 TABLA 5.3 Ecuaciones de permeabilidad al vapor de agua………………. 19 TABLA 6.1 Propiedades mecánicas de las películas de quitosano (Q) y
con adición de arcilla (Q-MMT)………………………………….. 29
TABLA 6.2 Propiedades mecánicas de las películas de quitosano-
extracto acuoso proteico (Q-EAP) y con adición de arcilla (Q-
EAP-MMT)………………………………………………………….
30
TABLA 6.3 Parámetros determinados en la cinética de secado de las
soluciones formadoras de películas……………………………..
33
TABLA 9.1 Análisis proximal harina de quínoa……………………………... 40 TABLA 9.2 Contenido de aminoácidos en la harina de quínoa…………… 41
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ÍNDICE DE ECUACIONES Página ECUACIÓN 5.1 Velocidad de secado………………………………………… 13 ECUACIÓN 5.2 Segunda Ley de Fick………………………………………... 15 ECUACIÓN 5.3 Integral de la segunda Ley de Fick………………………… 15 ECUACIÓN 5.4 Simplificación de la segunda Ley de Fick…………………. 15 ECUACIÓN 5.5 Linealización de la segunda Ley de Fick………………….. 16 ECUACIÓN 5.6 Alargamiento porcentual, A%............................................ 17 ECUACIÓN 5.7 Esfuerzo de tracción en la ruptura, ETR…………............. 17 ECUACIÓN 5.8 Área transversal……………………………………………… 17 ECUACIÓN 5.9 Grado de transmisión de vapor de agua………………….. 19 ECUACIÓN 5.10 Permeabilidad al vapor de agua…………………………… 19
ix
RESUMEN
Debido a la constante necesidad de preservar los alimentos, el hombre ha
desarrollado diversos sistemas de conservación, entre ellos la utilización de películas
comestibles que protegen al alimento del medio y retardan la pérdida de agua. Frente a
la actual demanda de productos naturales y biodegradables, se han desarrollado
películas en base a biopolímeros, los cuales son típicamente hidrofílicos lo que perjudica
sus propiedades de barrera. Una solución a esto es la incorporación de nanopartículas.
El objetivo de este trabajo fue el evaluar el efecto de la incorporación de
nanopartículas de arcilla, montmorillonita, sobre la permeabilidad al vapor de agua (PVA)
y propiedades mecánicas en películas de quitosano y quitosano-proteínas de quínoa.
El efecto sobre la permeabilidad se midió utilizando el método de la copa
húmeda, se determinaron los parámetros de secado y propiedades mecánicas. Para las
películas de quitosano el PVA ronda los 0,298 (g•mm/kPa•d•m2) y se reduce el
alargamiento porcentual un 20% y la resistencia casi se duplica para la adición de arcilla
al 5%. Para las películas de quitosano-proteínas de quínoa el menor PVA fue 0,305
(g•mm/kPa•d•m2) de la película al 5%, lo que no generó cambios en las propiedades
mecánicas.
Se concluyó que la adición de arcilla en las películas de quitosano, no es
adecuada para disminuir su permeabilidad al vapor de agua, mientras que al
adicionarlas aumentan la rigidez y resistencia de la película. Por su parte la adición de
arcilla al 5% en películas de quitosano-proteínas de quínoa, se muestra efectiva al
disminuir la permeabilidad al vapor de agua, sin afectar las propiedades mecánicas en
relación al control.
x
SUMMARY
Due to the constant need to preserve food, man has developed several
conservation systems, including the use of edible films that protect the food from the
environment and decrease the loss of water. Faced with the current demand for natural
and biodegradable products, films have been developed based on biopolymer, those are
hydrophilic mostly which impairs their barrier properties. A solution to this problem is the
incorporation of nanoparticles.
The aim of this study was to evaluate the effect of the incorporation of
nanoparticles of clay, montmorillonite, on the water vapor permeability and mechanical
properties of chitosan films and chitosan-protein quinoa.
The effect on the permeability was measured using the wet cup method, identified
the drying parameters and mechanical properties. For films of chitosan PVA is around
0.298 (g•mm/kPa•d•m2) and elongation is reduced by 20% and almost doubled the
resistance to the addition of 5% clay. For films of chitosan-protein quinoa was 0.305, the
lowest PVA (g•mm/kPa•d•m2) of the film at 5%, but it didn´t change their mechanical
properties.
It was concluded that the addition of clay in chitosan films, is not adequate to
reduce its permeability to water vapor, while the addition of clay increases the stiffness
and strength of the film. On the other hand the addition of 5% clay to films of chitosan-
protein quinoa appears to be effective to decrease the permeability to water vapor
without affecting the mechanical properties relative to control.
1
1. INTRODUCCIÓN
1.1. Antecedentes generales. La preservación de las frutas y vegetales es un tema importante en la industria
alimentaria, una forma de preservación es mediante la utilización de atmósfera
controlada, que modifica la tasa respiratoria, reduciéndola, aumentando la vida útil de
las frutas y vegetales. Además al mantener una baja concentración de oxígeno en
contacto con el producto se reducen sus efectos oxidativos. Estos efectos se pueden
lograr con un recubrimiento sobre el alimento (Gontard y col., 1996)
Estos recubrimientos y/o películas pueden retardar la migración de humedad y
la pérdida de compuestos volátiles, además de reducir la tasa respiratoria y retrasar los
cambios en las propiedades texturales. El interés en el estudio de las películas de
biopolímeros ha tenido un aumento en favor de lo amigable con el medio ambiente en
lugar de lo sintético y no-biodegradable, debido a que son una solución viable para
disminuir los residuos. Se utilizan con fines de recubrimientos, polisacáridos, proteínas
y/o compuestos lipídicos y sus mezclas (Casariego y col., 2009; Gontard y col., 1996;
Lavorgna y col., 2010 ).
Los biopolímeros, cuando son parte de envases y/o recubrimientos, son
excelentes barreras a las grasas y aceites, y tienen una permeabilidad a los gases muy
selectiva, en particular a la proporción CO2/O2, comparada con las películas sintéticas
tradicionales como el PET, LDPE y poliamidas, entre otros. (Casariego y col., 2009;
Gontard y col., 1996). Sin embargo, presentan dificultades en relación a actuar como
barrera al vapor de agua (debido a su naturaleza hidrofílica) al contrario que sus
contrapartes sintéticas (típicamente poliolefinas de carácter hidrofóbico) esto restringe
sus posibilidades de uso como recubrimiento (Lavorgna y col., 2010; Tang y col.,
2009).
1.2. Descripción y propiedades del quitosano. Entre los biopolímeros más utilizados como recubrimientos y formador de
películas comestibles encontramos al quitosano (Qo), derivado de la quitina,
2
polisacárido muy abundante en la naturaleza que se obtiene a partir de los
caparazones de los crustáceos como cangrejos y camarones y, en menores cantidades
de la pared celular de hongos, bacterias, levaduras y cutículas de insectos. El
quitosano es el derivado N-desacetilado de la quitina, con un grado de desacetilación
no menor al 65%. La definición de la ASTM F2103-01 define al Qo
como “un
polisacárido lineal constituido por unidades de N- acetilglucosamina y de 2-amino-2-
desoxi-D-glucopiranosa (glucosamina) unidas por enlaces glicosídicos β(1→4)”. La
figura 1.1 muestra la estructura del quitosano. El quitosano posee una naturaleza
catiónica cuando ha sido disuelto en medio ácido, en comparación a otros
polisacáridos que son neutros o están negativamente cargados. El grupo amino puede
protonarse cuando se encuentra en medio ácido, lo que resulta en una capacidad
antibacteriana y antifúngica, debido a que los cationes se unen a los sitios aniónicos en
las proteínas (Khunawattanakul y col., 2008; Yixiang y col., 2006).
Figura 1.1 Estructura química del quitosano. El quitosano utilizado tiene una proporción x:y mayor a 75:25.
El quitosano se puede solubilizar en ácidos minerales diluidos como el ácido
clorhídrico o en ácidos orgánicos como el acético o el cítrico. Estas soluciones pueden
formar películas de quitosano mediante la evaporación del solvente, esta capacidad de
formar películas se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre las cadenas de
quitosano intra e intermoleculares (Ritthidej y col., 2002). Las películas de quitosano
presentan buena adhesión y propiedades de esfuerzo a la tracción comparables a
películas sintéticas (LDPE) pero de menor elasticidad (Nadarajah, 2005). Por otra
3
parte, el carácter hidrofílico del quitosano y sus consecuentemente pobres propiedades
mecánicas en presencia de agua y ambientes húmedos, limitan su aplicación (Yixiang y
col., 2006). Las propiedades de barrera al oxígeno son comparables a muchas
películas plásticas convencionales (PVdC y EVOH) pero la permeabilidad al vapor de
agua es menor, esto debido a su naturaleza hidrofílica (Nadarajah, 2005).
Para mejorar las propiedades de permeabilidad a la transmisión de vapor de
agua y al oxígeno de las películas comestibles, se han hecho ensayos de
incorporación de plastificantes de naturaleza hidrofóbica como glicerol y aceites
(Lavorgna y col., 2010; Pereda y col., 2011). Otra forma es a través de la mezcla de
biopolímeros proteínas (proteínas de leche, de soya, de quínoa, colágeno y gelatina) y
polisacáridos (almidones, alginatos, celulosa y quitosano) (Ferreira y col., 2009).
1.3. Descripción y propiedades de la quínoa. La quínoa (Chenopodium quinoa Willd) es un nutritivo pseudocereal que se
cultivó en forma tradicional en el área andina (Bolivia, Chile y Perú) desde la época
incaica. La semilla de quínoa tiene un alto valor nutritivo, tanto por su composición
química, como por la cantidad y calidad de sus proteínas, que fluctúa entre un 12 y
22%. Aunque supera a los cereales más importantes en algunos nutrientes, es más
notable en el contenido y calidad de sus proteínas (respecto al contenido de
aminoácidos esenciales, sobresaliendo el triptófano, la cisteína y la metionina). Sin
embargo, la mayor importancia radica en su alto contenido de lisina, un aminoácido
deficitario en la mayoría de los vegetales, especialmente en el trigo (Ogungbenle,
2003).
La mayoría de las variedades de quínoa presentan un sabor amargo debido a
las saponinas presentes en el pericarpo entre 0 - 6% dependiendo de la variedad
aunque poseen un cierto grado de toxicidad estas pueden ser removidas mediante
lavado y fricción. Previo al consumo es necesario desaponificar la quínoa.
(Ogungbenle, 2003; Abugoch y col., 2011).
La harina de quínoa tiene un alto contenido de proteínas (ver anexo 1) además
de un buen balance de aminoácidos (ver anexo 2). Posee 16 aminoácidos, 10 de los
cuales son esenciales. La harina de quínoa contiene 11,2 % de humedad, 13,5 % de
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proteínas, 9,5 % de fibra, 58,3 % de carbohidratos y 1,2 % de minerales. (Ogungbenle,
2003).
Las principales fracciones de las proteínas de la quínoa son las albúminas y las
globulinas, siendo estas últimas las de mayor predominancia. Las globulinas de la
quínoa, al igual que otras fuentes de proteína vegetal, contienen fracciones del tipo
11S llamadas “chenopodinas”, las que se caracterizan por tener dos grupos
heterogéneos de polipéptidos a 30 - 40 kD (subunidades ácidas) y a 20 - 25 kD
(subunidades básicas) las cuales son ligadas por puentes de disulfuro. También están
presentes péptidos menores a 20kD, los que corresponderían a los componentes de
albúmina (Brinegar y Goundan, 1993).
Las proteínas de quínoa presentan un punto isoeléctrico (PI) entre pH 3 y 4,
menor al reportado para la harina que es pH 6 (Ogungbenle, 2003; Oshodi, 1999).
Los resultados de solubilidad encontrados para un aislado proteico de quínoa
extraído a pH 11 (A11) fue de 41,4 % a pH 11), para un aislado proteico de quínoa
obtenido a pH 9 (A9) (94,6% a pH 11), lo que indica que a pH alcalino se obtiene la
mayor solubilidad, además coinciden con los resultados reportados para harina de
quínoa en donde se reportó una solubilidad máxima a pH 10 de 50% y 45% (Abugoch y
col., 2008).
La incorporación de proteínas de quínoa se ha mostrado efectiva para disminuir
la permeabilidad al vapor de agua y mejorar las propiedades de elasticidad de las
películas de acetato de quitosano, pues las proteínas estarían actuando como
plastificante. Este efecto modulador de las propiedades mecánicas y de barrera se
explica mediante las interacciones electrostáticas que se producen entre el quitosano
disuelto en ácido (cargado positivamente) con las proteínas disueltas en álcali
(cargadas negativamente) (Abugoch y col., 2011).
1.4. Descripción y propiedades de la arcilla (montmorillonita).
Otra línea de investigación para mejorar las propiedades de barrera en las
películas comestibles hidrofílicas, es la incorporación de nanopartículas a la matriz
polimérica formando nanocompositos. Estas partículas de escala nano se distribuyen
en la película creando una barrera física tanto para gases como para el vapor de agua
5
(Tang y col., 2009; Moncada, 2006).
En el último tiempo, los compuestos polímero/arcilla, han recibido mucha
atención, debido a su extraordinaria posibilidad de mejorar las propiedades de barrera
de películas delgadas (Liu y col., 2012; Moncada, 2006).
Las arcillas más utilizadas son las del tipo smectitas como: montmorillonita,
hectorita, saponita, vermiculita, entre otras. Son el principal componente en la
bentonita, la cual es ampliamente utilizada en la industria alimentaria. Estos materiales
son aluminosilicatos con estructura laminar. Las propiedades mecánicas han sido
estudiadas mediante la modelación del módulo elástico en la dirección de la lámina,
siendo entre 50 a 400 veces mayor que la de los polímeros típicos. Estas láminas
tienen una alta razón longitud/espesor y cada una es aproximadamente de 1 nm de
espesor y en sus otras direcciones puede ser de 30 nm hasta algunos micrones
(Moncada, 2006; Volzone y col., 2004).
Entre los variados usos de la arcilla se encuentran: usos como absorbente para
clarificación de vinos, jugos de frutas, parafina, tratamiento de aguas, etc. como carga
para los siguientes destinos: papeles, pinturas, detergentes, productos farmacéuticos y
medicamentos, alimentación para el hombre y el animal (Anónimo, 2010).
La montmorillonita es una arcilla laminar de alumino-silicato hidratado,
compuesto por dos hojas de silicio tetraédrico fundidas por un borde a una capa
octaédrica de hidróxido de aluminio. Entre las láminas están los iones de intercambio,
que pueden ser sodio, calcio, potasio y magnesio tal como se muestra en la figura 1.2.
De las arcillas de escala nano, la montmorillonita es de un particular interés y ha sido
investigada ampliamente en la formación de nanocompositos (Casariego y col., 2009;
Volzone y col., 2004; Nam y col., 2009).
Los principales tipos de montmorillonitas son las cálcicas y sódicas, siendo
estas últimas las que se utilizan en la preparación de compósitos, debido a su
capacidad de hincharse, es decir posibilidad de incorporar agua entre las láminas de la
arcilla. Debido a que el sodio es un ion con solo una carga positiva, permite el ingreso
del agua entre las láminas, caso contrario cuando el ion es calcio, el cual posee dos
cargas positivas, con lo que forma puentes entre las láminas impidiendo el ingreso del
agua, por lo cual este tipo arcilla no se hincha. En la figura 1.2 se presenta un esquema
de la montmorillonita (Nam y col., 2009).
6
Figura 1.2. Esquema de la montmorillonita. Los cationes de intercambio pueden ser sustituidos por agua cuando se produce el hinchamiento. Los cationes entre paréntesis indican que pueden estar presentes de vez en cuando. Estructuras T: tetraédrica; O: Octaédrica.
La superficie inorgánica de la montmorillonita puede ser modificada por el
reemplazo de los iones sodio por varios cationes orgánicos para hacerla más
compatible con polímeros (Yixiang y col., 2006).
Existen múltiples trabajos en los que se evalúa el efecto de la incorporación de
montmorillonita con el fin de disminuir la permeabilidad a gases y vapor de agua en
películas de quitosano, agar, proteínas entre otros. En todos ellos la adición de
pequeñas cantidades de montmorillonita aumenta las propiedades de barrera a los
gases. En películas de agar, Rhim (2011) informa que incrementando el contenido de
arcilla desde un 2,5 % hasta un 20%, se disminuye progresivamente la permeabilidad
al vapor de agua hasta un 50%. Casariego (2009) informa que en películas de
quitosano la incorporación de arcilla al 3% reduce la permeabilidad al vapor de agua,
mas no a los gases (O2 y CO2). Por su parte Tang y Lavorgna también señalan que la
O2- OH- Al3+ (Fe2+/3+, Mg2+)
Si4+ ( Al3+)
Cationes de intercambio nH2O Na+, K+, Ca2+, Mg2+
T
O
T
7
incorporación progresiva de arcilla mejora de igual manera las propiedades de barrera
al vapor de agua (Casariego y col., 2009; Lavorgna y col., 2010; Rhim, 2011; Tang y
col., 2009).
En relación a las propiedades mecánicas en películas de quitosano, Casariego
informa un leve aumento de la resistencia de la película además de una disminución de
la elongación. Similar a lo anterior señala Rhim en el caso del agar, hasta un 10% en
concentraciones de arcilla. Por su parte Yixiang señala que en películas de quitosano,
una adición progresiva de arcilla produce un leve aumento de la resistencia mientras
que la elongación no presenta diferencias (Casariego y cols., 2009; Rhim, 2011;
Yixiang y col., 2006).
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2. HIPÓTESIS
Es posible que la adición de arcilla en películas de quitosano y
quitosano – proteína de quínoa ayude a mejorar sus propiedades de barrera al vapor
de agua, sin perjudicar mayormente sus propiedades mecánicas potenciando con ello
su aplicabilidad en la industria de alimentos.
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivo General
Incorporar nanopartículas de arcilla a películas de quitosano-extracto acuoso de
quínoa (Q-EAP). Determinar las condiciones óptimas para su incorporación, así como
la proporción adecuada de arcilla/Q-EAP en que se mejoran propiedades de barrera al
vapor de agua, sin afectar las propiedades mecánicas en comparación a las películas
sin nanopartículas.
3.2. Objetivos Específicos
Incluir nanopartículas de arcilla en las películas de Q-EAP.
Determinar cuál es la proporción adecuada de arcilla/Q-EAP en que se
optimizan las propiedades mecánicas y de permeabilidad al vapor de agua.
Evaluar las propiedades mecánicas y la permeabilidad al vapor de agua en las
distintas películas.
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4. MATERIALES 4.1. Materiales 4.1.1. Materia Prima
Harina de quínoa: proviene de la cooperativa “Las Nieves”, Paredones, VI
Región Chile.
Quitosano (Q0) marca SIGMA C3646 (USA), cuya fuente es caparazón de
cangrejo con un 85% mínimo de desacetilación y un peso molecular
viscosimétrico de 4,08 x 105 Da.
Arcilla: montmorillonita sódica, Na-Clo Southern Clay.
Ácido cítrico anhidro
4.1.2. Insumos y Utensilios
Agua destilada
Cápsulas de aluminio
Copas de vidrio
Cubetas de plástico
Espátulas
Frascos de vidrio
Gradilla
Magnetos
Material de vidrio de laboratorio
Micropipetas
Papel filtro Whatman n°1
Parafilm
Pinzas
Placas de polietileno de baja densidad (13,7 cm diámetro)
Potes plásticos
Tubos Ependorf
Tubos para centrífuga
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5. MÉTODOS
5.1. Elaboración del extracto acuoso proteico de quínoa (Chenopodium quinoa Willd.) (EAP):
Se utilizó harina de quínoa la cual se suspendió en agua destilada, en
proporción de 1:7,5. La mezcla se llevó a pH 11 con NaOH 5 M y se mantuvo en
agitación durante 1 hora controlando el pH. Para separar el extracto de la harina
insoluble la mezcla se llevó a centrifugación por 30 minutos a 21.000 x g a 15 ºC. La
cantidad de proteínas solubles se determinó mediante el método descrito por Bradford
(1976).
5.2. Preparación de la solución base de quitosano: La solución base de quitosano al 2%, se preparó disolviendo 20 g de quitosano
en un 1 L de solución de ácido cítrico 0,1 M con agitación constante durante 13 horas.
Luego se procedió a la separación de las partículas insolubles por medio de
centrifugación durante 30 minutos a 21.000 x g a 15 ºC. La solución se dejó en reposo
en un refrigerador a 4 ºC durante al menos 24 horas antes de ser utilizada con el fin de
eliminar las burbujas.
5.3. Preparación de la mezcla arcilla-quitosano:
Una pequeña cantidad de arcilla (0; 0,01; 0,03 y 0,05 g según corresponda) se disolvió
en 50 mL de una solución de ácido cítrico 0,1 M permaneciendo en agitación por 24
horas. Luego esta solución se mezcló con la solución base de quitosano en proporción
1:1 p/p con el fin de obtener mezclas con 0 (control), 1, 3 y 5% de arcilla
respectivamente, en relación al quitosano presente. Esta mezcla se agitó por 4 horas
antes de verterla en las placas de polietileno.
11
5.4. Preparación de la mezcla quínoa-quitosano:
Se mezcló el EAP con la solución base de quitosano en proporción 1:1 p/p
luego se ajustó a pH 4 con hidróxido de sodio 1 M, seguidamente la mezcla se sometió
a homogenización por 6 minutos. Finalmente la mezcla se sonicó por 30 minutos con el
fin de eliminar burbujas, previa a su utilización.
5.5. Preparación de la mezcla quínoa-quitosano-arcilla (polvo):
Se mezcló el EAP con la solución base de quitosano en proporción 1:1 p/p y se
le incorporó la arcilla en una concentración de 0 (control), 1, 3 y 5% del quitosano
presente, luego se ajustó a pH 4 con NaOH 1 M, seguidamente la mezcla se sometió a
homogenización mediante la mezcladora de cuchillas durante 6 minutos.
Finalmente la mezcla se sonicó por 30 minutos con el fin de eliminar burbujas.
5.6. Preparación de la mezcla quínoa-quitosano-arcilla (solución):
Se mezcló el EAP con en quitosano en proporción 1:1 p/p y se le incorporó la
arcilla en una concentración de 1, 3 y 5% del quitosano presente, que fue previamente
disuelta en 2 mL de ácido cítrico durante 12 horas, luego se ajustó a pH 4 con NaOH
1 M, seguidamente la mezcla se sometió a homogenización durante 6 minutos.
Finalmente la mezcla se sonicó por 30 minutos con el fin de eliminar burbujas.
5.7. Preparación de las películas de quitosano y quitosano-proteína de quínoa, con y sin adición de arcilla:
Una vez lista ya la mezcla es dispuesta en placas de polietileno en proporción
de 0,25 mL/cm2. Una vez en las placas de polietileno, la mezcla se dejó reposar a
temperatura ambiente por 12 horas antes de someterla al proceso de secado durante
aproximadamente 5 horas hasta llegar a peso constante en estufa a 50 ºC, siendo
posteriormente acondicionadas a 23 ºC y 60% de humedad relativa previas a su uso
(Abugoch y col., 2011).
12
5.8. Determinación del espesor de las películas:
El espesor de las películas (mm) fue determinado usando 10 repeticiones para
cada mezcla, promediando los resultados de 9 puntos medidos en cada película,
utilizando un micrómetro digital (Micrómetro modelo E5010109, VETO &Co.).
5.9. Curva de secado de las películas:
La determinación de la cinética de secado, se realizó por duplicado a las
soluciones formadoras de películas. Éstas se dispusieron en placas de polietileno y se
sometieron a secado en estufa (Estufa Heraeus modelo UT6200) a 50 °C, controlando
el peso de las placas cada 10 minutos hasta llegar a peso constante. Las humedades
iniciales (Xo) y de equilibrio (Xeq) se determinaron según el método descrito por la
AOAC, 1995. Se procedió a construir curvas de secado (dX/dt) y (dN/dX). Los
parámetros de la cinética de secado calculados, se muestran en la siguiente tabla Nº
5.1.
Tabla 5.1. Descripción de los parámetros en la cinética de secado de las soluciones formadoras de películas.
Parámetro Descripción Unidad
Xo (b.s) Humedad inicial en base seca S/U*
Xc (b.s) Humedad critica en base seca S/U
Xeq (b.s) Humedad de equilibrio en base seca S/U
N Velocidad de secado (g/min•cm2)
Nc Velocidad de secado constante (g/min•cm2)
Θ Tiempo de secado min
Θc Tiempo de secado a Nc min
Def Difusividad efectiva cm2/min
*S/U: Sin unidad.
Se graficaron las curvas de secado (dX/dt) y (dN/dX) y se analizaron las
cinéticas de secado de las películas. Para la realización de los gráficos se utilizó el
programa Origin Pro 8®.
13
La velocidad de secado N (g /min×cm2) fue determinada por la siguiente
ecuación:
δθδX
ALs
=N Ec. 5.1.
Donde,
Ls, es la masa de sólido seco.
A, es el área de secado.
δX , es la variación de humedad.
δ , es el tiempo.
La cinética de secado está compuesta por distintos períodos, según sea el
mecanismo de difusión predominante, y se comporta según lo muestran las figuras 5.1
a y 5.1 b:
Fig 5.1 a Fig 5.1 b
Figura 5.1. Gráfico (a)
θX
y (b)
XN
de la cinética de secado.
Donde,
El período Xo, Xo -́A, corresponde al período de “estabilización” o “iniciación”,
donde las condiciones de la superficie del sólido se equilibran con las del aire de
14
desecación. En esta etapa el sólido eleva su temperatura hasta que se alcanza el
equilibrio entre el enfriamiento por evaporación y la absorción de calor de los gases.
Esta temperatura corresponde a la de bulbo húmedo (Mc Cabe y col, 1985).
Al período A-B, corresponde al período de secado a velocidad constante, pues
N = X = constante. Durante este período el sólido está tan húmedo que toda la
superficie de secado está recubierta por una película continua de agua que se
comporta como si el sólido no existiese, esto se debe a que el movimiento del agua
desde el interior del sólido a la superficie ocurre a la misma velocidad que la de
evaporación en la superficie. El proceso de secado ocurre por el movimiento del vapor
de agua desde la superficie saturada a la corriente de aire, a través de una delgada
capa de aire estático. Durante esta etapa, la velocidad de secado depende de la
velocidad de transferencia de calor a la superficie de evaporación. La velocidad de
transferencia de masa se equilibra con la velocidad de transferencia de calor de forma
que la temperatura de la superficie de desecación se mantiene constante por lo que la
velocidad de secado permanece constante hasta que el agua líquida sobre la superficie
es insuficiente para mantener una película continua que recubra todo el área de
secado este punto se conoce como “punto crítico” (“B” en el gráfico) (Mc Cabe y col.,
1985).
El período B-D se caracteriza por ser de velocidad decreciente, donde la
velocidad con que la humedad migra desde el interior del producto hasta la superficie
es menor a la velocidad con que se pierde humedad, por lo que la superficie comienza
a secarse. El contenido de humedad en el punto crítico se conoce como humedad
crítica (Xc), a partir de este punto la temperatura de la superficie empieza a aumentar,
hasta alcanzar la temperatura de bulbo seco, donde el producto se ha secado casi
completamente. El proceso termina en el punto D, que es donde se alcanza la
humedad de equilibrio (Xeq).
Este período de velocidad decreciente puede dividirse en dos partes, B-C y
C-D, donde C es el segundo punto crítico, que corresponde al punto donde se produce
un cambio en el mecanismo de secado. En el período B-C, el mecanismo que
predomina es el difusivo, es decir la velocidad de evaporación depende de la velocidad
de difusión de la humedad interior hacia la superficie. Es en esta etapa, donde se
puede realizar el cálculo de difusividad efectiva (Def), ya que se asume que la
15
humedad fluye por difusión a través del sólido (Mc Cabe y col., 1985).
La siguiente ecuación muestra la segunda Ley de Fick, donde es posible
obtener modelos semi-empíricos para determinar el coeficiente de difusión efectivo
(Def) (Mc Cabe y col, 1985).
2
2
xXD=
tX
ef
Ec. 5.2.
Considerando que la distribución inicial de humedad es uniforme (X=Xo en t=0)
y que la superficie está en equilibrio con el medio de secado, (X=Xe en X= ± L/2) la
ecuación 5.2. se integra: (Mc Cabe y col., 1985).
02
22
2 12nexp12n
18=n
ef
L
tDπ+
+π=
XeXoXeX
Ec. 5.3.
Una simplificación usual es utilizar una solución asintótica de la ecuación
anterior (5.3), que consiste en reducir la serie infinita al primer término, debido a que
los términos superiores se hacen muy pequeños para tiempos largos (Mc Cabe y col,
1985):
2
2
2 exp8L
tDππ
=XeXoXeX ef Ec. 5.4.
Donde,
X = Contenido de humedad (kg de agua/kg de sólido seco, base seca);
Xe = Contenido de humedad de equilibrio (kg de agua/kg de sólido seco, base seca);
Xo = Contenido de humedad inicial (kg de agua/kg de sólido seco, base seca);
Def = Difusividad efectiva (m2/s)
t= Tiempo (s)
L = Espesor de la placa (m)
16
Luego, el valor de Def fue calculado por la pendiente de la curva ln ((X-Xe)/(Xo-
Xe)) versus tiempo (t).
22
2 8lnlnπ
+L
tDπ=
XeXoXeX ef Ec. 5.5.
5.10. Determinación de las propiedades mecánicas: Se evaluaron el alargamiento porcentual (A%) y el esfuerzo de tracción en el
corte (ETR) en Nmm-2, de acuerdo con la Norma Oficial Chilena Nch1151.Of.76,
equivalente a la norma internacional ISO R1184-1970, con algunas modificaciones que
se detallarán a continuación.
Se utilizaron como mínimo 4 películas de cada material con dimensiones de 10
mm de ancho y 50 mm de largo. Las mediciones se realizaron en la máquina universal
de ensayo de materiales (Lloyd Instruments Limited, Lloyd LR- 5K. Hampshire,
England), con una celda de 5 kN. Las películas fueron puestas entre dos mordazas de
aluminio separadas por una distancia de 3 cm, diseñadas para las mediciones de
acuerdo a la norma ASTM, instaladas en la máquina universal de ensayo de
materiales. Se apretaron las mordazas firme y uniformemente para evitar que las
películas se deslizaran durante los ensayos. Las películas fueron traccionadas por la
mordaza superior a una velocidad de 20 mm/min. Se registró la curva Carga vs.
Alargamiento hasta el punto de ruptura de las películas (fig. 5.2)
Figura 5.2. Secuencia de ruptura: (1) La mordaza superior tracciona la película a 20 mm/min (2) hasta su ruptura (3), punto en que se determina el A% y ETR.
Se calcularon el A% y el ETR de acuerdo con las ecuaciones 5.6, 5.7 y 5.8,
17
presentadas en la tabla 5.2, al momento de producirse el corte de la película con los
datos entregados por el software de control del analizador de textura. Las películas
para los cuales la ruptura se produjo en las mordazas o se originó por un defecto
evidente se descartaron y fueron reemplazados por otros.
En la figura 5.3 se diagraman aquellos puntos importantes en el cálculo de las
propiedades mecánicas descritas en este trabajo. El ETR se calcula dividiendo la
fuerza máxima en el corte por el área de la sección transversal inicial de las películas.
El A% se calcula dividiendo el alargamiento máximo en la ruptura por el largo inicial de
la película.
Tabla 5.2. Ecuaciones de las propiedades mecánicas
100%
DiDiDf=A
A% = Alargamiento porcentual Df = Distancia de alargamiento hasta el corte, en mm Di = Distancia inicial de referencia, en mm
Ec. 5.6.
RAC=ETR
ETR = Esfuerzo de tracción en el corte, en Nmm-2 C = Carga máxima de tracción en el corte de la película, en N AR = Área transversal inicial de la película, en mm2
Ec. 5.7.
Aε=AR AR = Área transversal inicial de la película, en mm2 ε = Espesor de la película, en mm A = Ancho de la película, en mm
Ec. 5.8.
Figura 5.3. Diagrama del gráfico de Carga vs. Alargamiento del que se obtuvieron los datos de las propiedades mecánicas de las películas.
18
5.11. Determinación del grado de permeabilidad al vapor de Agua (PVA):
El ensayo se realizó de acuerdo con la Norma Chilena Oficial NCh2098.Of2000,
equivalente a las normas ASTM D1653-93 y DIN 52615, utilizando el método de la
copa húmeda y ensayando 6 películas por cada muestra. Las copas se llenaron con
agua destilada hasta alcanzar una distancia de 6 mm medidos desde el borde superior,
sobre el cual se montó la película de igual diámetro. Finalmente se sellaron con
silicona los bordes de contacto entre la película y la copa (Fig. 5.4).
Figura 5.4. Sistema de medición del PVA. (1) Se llena la copa con agua destilada hasta 6 mm antes del borde superior. (2) Se coloca el papel filtro como soporte (3) y sobre este, la película del polímero a ensayar (4) Los bordes de contacto entre la copa, el papel y la película se sellan con silicona. El sistema se mantiene en una sala a temperatura y humedad controladas (23 ºC; 60% HR) durante los 21 días que dura el ensayo. * Película de quitosano con y sin proteínas de quínoa, con y sin arcilla.
19
Las copas se colocaron en una cámara de temperatura y humedad (LabTech,
modelo LHT-0150E) a 60% 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 (Radwag, modelo WTB
3000).
Para el cálculo del TVA se graficó el cambio de masa de las copas en función
del tiempo transcurrido. La pendiente de la porción lineal de este gráfico que mejor se
ajustó a una recta (coeficiente de regresión, R2, cercano a 1) representó la
estabilización de la difusión de vapor de agua a través de las películas por unidad de
tiempo (g/h), que luego se normalizó por el área de las películas utilizadas. El valor
obtenido es el TVA de las películas ensayadas, que se expresó entonces como los
gramos de agua evaporados por hora y por unidad de área de la película, (ecuación
5.9). Se ha demostrado que para películas de poco espesor y valores de TVA de
moderados a altos, existe una correlación entre los valores de espesor y de área
expuesta versus los valores de TVA. Además de lo anterior es necesario considerar la
fuerza motriz para la transmisión de vapor de agua, que en este caso es la diferencia
de presión entre el interior de la copa (HR: 100%) y el exterior (HR: 60%), medido en
kPa, por lo que se calculó el PVA como se muestra en la ecuación 5.10 (Hu y col.,
2001).
Tabla 5.3 Ecuaciones de permeabilidad al vapor de agua
AtΔm=TVA
TVA =Grado de transmisión de vapor de agua, (g·m-2·h-2) Δm = Cambio de masa ocurrido en el tiempo, (g) t = Tiempo entre lecturas, (h) A = Área de ensayo de la muestra, (m2)
Ec. 5.9.
ΔpAtεΔm=PVA
PVAε = Permeabilidad al vapor de agua, (mm·g·kPa-1·m-2·h-2) Δm = Cambio de masa ocurrido en el tiempo, (g) t = Tiempo entre lecturas, (h) A = Área de ensayo de la muestra, (m2) ε = Espesor de la película, (mm) Δp = S(R1-R2) S = presión de saturación de agua a la temperatura del ensayo, (kPa) R1 =Humedad relativa, %, de la parte con mayor presión de vapor. R2 = Humedad relativa, %, de la parte con menor presión de vapor.
Ec. 5.10.
20
5.12. Análisis estadístico:
Los resultados obtenidos se analizaron mediante un análisis de varianza
(p < 0.05) y se empleó la prueba de Tuckey para la comparación de medias. Se utilizó
el programa estadístico Origin Pro 8 ®.
21
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1. Contenido de proteínas en el extracto acuoso proteico. Se determinó en contenido de los extractos acuosos de quínoa a pH 11 que
corresponde a 6,3 ± 0,1 mg/mL. Este valor resultó ser mayor que los obtenidos por
Abugoch y col. (2011) extraídos a pH 9. Esto señala lo determinante que es el pH
como factor al momento de la extracción de proteínas, pues modifica su rendimiento
permitiendo con esto hacer más eficiente la extracción de las mismas.
6.2. Permeabilidad al vapor de agua. La cinética de evaporación de vapor de agua de las películas
monocomponentes ensayadas se ve en la figura 6.1.
Considerando la geometría similar la pérdida de agua entregó datos
comparables.
Se aprecia en la figura que la película de quitosano al 2% pierde menos agua
que las demás, aproximadamente 53 g, mientras que la película de quitosano al 1%
pierde 59 g, esto se debería a la mayor presencia de material formador de film,
generando una película más resistente al paso del vapor de agua. La adición de arcilla a la película monocomponente no produce un cambio
significativo en la pérdida de agua, pues la película con arcilla al 1% pierde un
aproximado de 60 g y película al 5% pierde 56 g aproximadamente, sin embargo no
hay diferencias significativas con el control, la película de quitosano al 1%. A pesar de
lo anterior, se nota un indicio de que a mayor concentración de arcilla, menor es la
pérdida de agua, por lo que la permeabilidad al vapor de agua debiera ser menor.
22
Figura 6.1. Cinética de evaporación de agua de las películas monocomponente con adición de arcilla. Se grafica la pérdida de peso de las copas en función del tiempo. La línea roja indica la separación entre el primer y el segundo período.
A partir del gráfico se puede calcular la permeabilidad al vapor de agua que
poseen estas películas. Se aprecia que las curvas presentan un ajuste polinómico,
pero para los efectos del cálculo según lo indica la NCh2098.Of2000, para la
determinación de la transmisión de vapor de agua en películas de recubrimiento
orgánico, se deben tomar un mínimo de cuatro puntos que se ajusten a una línea recta,
cuya pendiente representa el grado de transmisión de vapor de agua (TVA). En este
caso se observa que existen dos períodos en la cinética de evaporación de agua.
Durante el primer período, desde el día 1 hasta el día 12, las curvas de Q 2% y Q-MMT
5% se solapan, lo mismo pasa con las películas de Q 1% y Q-MMT 1%. A partir del día
12 hasta el día 21, se produce una separación de las curvas, por lo que el TVA se
analizó para estos dos períodos por separado, mientras que el para el cálculo del PVA
se utilizó el período completo (21 días). Dichos resultados se presentan en la figura
6.2.
Durante el primer período, Q 2% tiene el menor TVA (28,66 ± 2,09) esto se
puede deber a que tiene mayor cantidad de material formador de film, forma una red
que opone mayor resistencia al paso del vapor de agua.
23
El film de Q 1% presenta un TVA (35,02 ± 1,89), mayor que el Q 2%, esto se
puede deber a que tiene menor material formador de film, por lo que su resistencia al
paso del agua es menor. Comparado con el anterior el TVA de la película de Q-MMT
1% (29,16 ± 1,19) no presenta diferencias significativas, esto indica que a una baja
concentración, la adición de arcilla tiene poco o nulo efecto sobre las propiedades de
barrera al vapor de agua (Casariego y col., 2009).
Por otro lado la película de Q-MMT 5%, que contiene la mayor cantidad de
arcilla, presenta un menor TVA (29,16 ± 1,19) que las dos películas anteriores, y no
tiene diferencias significativas con la película de Q 2%, esto implica que a esta
concentración de arcilla se produce el efecto esperado de mejoría en las propiedades
de barrera al vapor de agua. Lo anterior se puede deber a que la arcilla se encuentra
dispersa en la matriz de quitosano lo que aumenta la tortuosidad, es decir, fuerza al
vapor de agua que viaja a través de la matriz polimérica a rodear las partículas sólidas
de arcilla tornando el camino más “tortuoso”, esto aumenta el camino que debe
recorrer el vapor de agua, lo que incrementa el largo de paso efectivo para la difusión
(Rhim et al., 2006).
A partir del día 12, comienza el segundo período en la cinética de evaporación
de agua, se aprecia una separación de las curvas que en el período anterior estaban
juntas, Q 2% se separa de Q-MMT 5% y Q 1% se separa de Q-MMT 1%. Se
caracteriza por una disminución en la pérdida de agua, debido a que la tasa de
transferencia de vapor de agua a través de la película decae. Esta baja que sufre la
segunda etapa se puede deber a que se favoreció la formación de gel en el quitosano
(Chenite y col., 2000) tal como señala Villamán (2007) dicha capa gel actuaría como
barrera al vapor de agua por lo que disminuiría la permeabilidad a éste en la última
etapa, lo que explicaría lo que sucedió en este caso.
24
Figura 6.2. Valores de TVA de las películas de quitosano (Q) y con adición de arcilla (Q-MMT). Letras iguales indican que no hay diferencias significativas.
En la figura 6.3 se presentan los valores de PVA para las películas de quitosano
(Q) y quitosano con adición de arcillas (Q-MMT), se observa una clara diferencia entre
Q 2% y Q 1% mientras que entre Q 1%, Q-MMT 1% y Q-MMT 5% no hay diferencias
significativas, esto concuerda con Casariego, donde el PVA de las películas de
quitosano con adición de arcilla presenta una leve baja ante la adición de arcilla
aunque en ciertos rangos de adición no se presentan diferencias significativas
(Casariego y col., 2009; Rhim, 2011).
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Q 2% Q 1% Q-MMT 1% Q-MMT 5%
TVA(
gm-2
h-1)
1º Periodo2º Periodo
a
c
b
c
b
c
a
c
25
Figura 6.3. Valores de PVA de las películas de quitosano (Q) y con adición de arcilla (Q-MMT). Letras iguales indican que no hay diferencias significativas.
En la figura 6.4 se presenta la cinética de evaporación de vapor de agua de las
películas de Quitosano-Extracto Acuoso Proteico sin y con carga de arcilla al 1% y 5
%, del quitosano presente, adicionadas en polvo (p) y en solución (s).
Al igual que en el gráfico anterior, las curvas presentan un ajuste polinómico,
pero para los efectos del cálculo tomaron los mismos dos períodos, desde el día 1 al
12 y del día 12 al 21.
Se aprecia en la figura que la película control, Q-EAP, pierde aproximadamente
56,6 g, mientras que las películas Q-EAP-MMT 1% p y Q-EAP-MMT 1% s, pierden 53,4
y 57,7 g respectivamente, no habiendo diferencias significativas entre ambas, ni con el
control. Por otro lado las películas Q-EAP-MMT 5% p y Q-EAP-MMT 5% s pierden 51,9
y 50,9 g respectivamente. Entre ellas no hay diferencias significativas, pero si las hay
comparadas contra el control. Aquí se aprecia el efecto esperado de que la arcilla
mejora las propiedades de barrera.
Del gráfico se calcula la permeabilidad al vapor de agua que poseen estas
películas.
0,00E+00
5,00E-02
1,00E-01
1,50E-01
2,00E-01
2,50E-01
3,00E-01
3,50E-01
4,00E-01
Q 2% Q 1% Q-MMT 1% Q-MMT 5%
PVA(
g.m
m/P
a.h.
m2) a
bab
b
26
Figura 6.4. Cinética de evaporación de agua de las películas quitosano (Q-EAP) y con adición de arcilla (Q-EAP-MMT).Se grafica la pérdida de peso de las copas en función del tiempo.
Durante el primer período, las curvas de Q-EAP y Q-EAP-MMT 1% s van casi
agrupadas, lo mismo pasa con Q-EAP-MMT 1% p, Q-EAP-MMT 5% s y Q-EAP-MMT
5% p, esto se refleja en el TVA ya que no hay diferencias significativas al interior de
estos grupos.
Como se esperaba durante el primer período, las películas con arcilla al 5%
tienen el menor TVA, presentando diferencias significativas con el control (figura 6.5)
La película de Q-EAP-MMT 1% s tiene el mayor TVA, esto se puede deber a
que al adicionar la arcilla en solución, se diluye un poco la solución total, y con esto se
forma una película más débil. Esto mismo puede explicar la diferencia que existe entre
Q-EAP-MMT 1% s y Q-EAP-MMT 1% p.
A partir del día 12, comienza el segundo período en la cinética de evaporación
de agua, se caracteriza por una disminución en la pérdida de agua, esto se puede
deber a la formación de la capa gel, se aprecia una separación de las curvas que en el
período anterior estaban juntas (Villamán, 2007).
Durante este período hay una baja en la TVA, no hay diferencias significativas
entre las películas salvo la película Q-MMT 5% s, que presenta el menor valor en la
TVA.
27
La disminución del TVA de las películas con 5% de arcilla, tanto en el primer
como en el segundo período, se puede deber principalmente al aumento de la
tortuosidad al interior de las películas, que aumenta conforme se añade más arcilla
(Casariego y col., 2009; Rhim, 2011; Yixiang y col., 2006).
Figura 6.5 TVA de películas de quitosano-proteínas de quínoa (Q-EAP) y con adición de arcilla (Q-EAP-MMT). Los promedios seguidos de letras iguales señalan que no hay diferencias significativas.
Al comparar el PVA (figura 6.6), considerando la totalidad de ambos períodos,
se aprecia un agrupamiento, donde todas las películas, salvo la Q-EAP-MMT 5% s,
forman un grupo homogéneo, es decir, no hay diferencias significativas entre ellas,
mientras que esta última presenta una baja notoria y con diferencias significativas con
el resto. Esto se debe a que presenta la menor pérdida de agua junto con Q-EAP-MMT
5% p, sin embargo presento un espesor menor, lo que marca la diferencia, reduciendo
su PVA.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Q-EAP Q-EAP-MMT1% p
Q-EAP-MMT1% s
Q-EAP-MMT5% p
Q-EAP-MMT5% s
TVA(
gm-2
h-1)
1º Periodo
2º Periodoab
d
ac
d
b
d
c
d
c
e
28
Figura 6.6. PVA de películas de quitosano-proteínas de quínoa (Q-EAP) y con adición de arcilla (Q-EAP-MMT).Letras iguales indican que no hay diferencias significativas.
6.3 Propiedades Mecánicas: alargamiento porcentual (A%) y esfuerzo de tracción en la ruptura (ETR)
En la tabla 6.1. se presentan los resultados de alargamiento porcentual (A%:
medido en porcentaje) y esfuerzo de tracción de ruptura (ETR: medio en N·mm-2),
estos resultados corresponden a las películas monocomponentes (formadas por un
único polímero: el quitosano), al 1% (Q 1%) y películas de quitosano al 1% con carga
de arcilla al 1%, 3% y 5% en base del quitosano presente (Q-MMT 1% Q-MMT 3% y Q-
MMT 5% respectivamente).
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
Q-EAP Q-EAP-MMT1%p
Q-EAP-MMT1%s
Q-EAP-MMT5%p
Q-EAP-MMT5%s
PVA(
g.m
m/P
a.h.
m2)
a a aa
b
29
Tabla 6.1. Propiedades mecánicas de las películas de quitosano (Q0) y con adición de arcilla (Q-MMT).
Mezcla Alargamiento porcentual (A%)
Esfuerzo de tracción en la ruptura (ETR) (N·mm-2)
Q 1% 104,6 ± 8,9 a 4,2 ± 1,2 a
Q-MMT 1% 92,7 ± 10,1 b 4,7 ± 1,4 a
Q-MMT 3% 105,0 ± 11,7 a 4,6 ± 2,4 a
Q-MMT 5% 83,6 ± 14,6 c 8,1 ± 2,9 b
Los promedios seguidos de letras iguales señalan que no hay diferencias significativas.
En el alargamiento porcentual no se aprecia una gran variación de los
resultados, si bien se presentan diferencias significativas, estas no son
cuantitativamente significantes, pues la muestra Q 1% tiene un A% de 104,6 ± 8,9 y las
muestras con arcilla al 1% un 92,7 ± 10,1, las de 3% un 105,0 ± 11,7 y finalmente las
de 5% un 83,6 ± 14,6. El mayor cambio se produce al incorporar mayor cantidad de
arcilla tal como señala Rhim (2011).
En relación al ETR la película Q 1% arrojó un valor de 4,2 ± 1,2 N·mm-2, este
valor es muy similar al valor de las películas con arcilla al 1% 4,7 ± 1,4 N·mm-2 y al
3% 4,6 ± 2,4 N·mm-2. La principal diferencia se aprecia en las películas con arcilla al
5% que tienen un ETR de 8,1 ± 2,9 N·mm-2, esto concuerda con Giannelis (2010) que
señala que a un aumento de la concentración de arcilla en la matriz de quitosano
aumenta la ETR debido a la interacción vía puentes de hidrógeno entre la arcilla y el
quitosano. Además según informa Casariego (2009) este efecto no se aprecia a
concentraciones bajas 1% y 3%, debido a que la concentración de arcilla es
insuficiente para que la interacción arcilla-quitosano afecte notoriamente las
propiedades mecánicas.
En la tabla 6.2 se presentan los resultados de alargamiento porcentual y
esfuerzo de tracción de ruptura, estos resultados corresponden a las películas
bicomponentes (el agente formador de película es el quitosano y la proteína de
quínoa), control (Q-EAP) y con carga de arcilla al 1%, 3% y 5% en base del quitosano
30
presente, para este análisis sólo se consideraron las películas donde la arcilla se
incorporó en forma de solución, ya que estas presentaron las mejores propiedades de
barrera.
Tabla 6.2. Propiedades mecánicas de las películas de quiotosano-extracto acuoso proteico (Q-EAP) y con adición de arcilla (Q-EAP-MMT).
Mezcla Alargamiento porcentual (A%)
Esfuerzo de tracción en la ruptura (ETR) (N·mm-2)
Q-EAP 15,0 ± 3,8 a 5,9 ± 1,7 a
Q-EAP-MMT 1% (sol) 8,5 ± 4,0 a 8,0 ± 2,3 bc
Q-EAP-MMT 3% (sol) 8,3 ± 3,1 a 8,7 ± 1,8 b
Q-EAP-MMT 5% (sol) 9,5 ± 3,4 a 6,8 ± 1,5 ac
Los promedios seguidos de letras iguales señalan que no hay diferencias significativas entre las muestras.
En el alargamiento porcentual no se aprecia variación en los resultados, no
existen diferencias significativas. El control (Q-EAP) tiene un A% de 15,0 ± 3,8, valor
que difiere bastante del valor informado por Villamán (2007) que corresponde a 273,4 ±
21,6, esta diferencia se pude deber a la forma de preparación de las muestras, pues
mientras Villamán utilizó ácido láctico al 1%, en este estudio se utilizó ácido cítrico al
0,1 M, que corresponde a un 1,9% p/v., Las películas con arcilla al 1% presentan un
A% de 8,5 ± 4,0 las de 3% un 8,3 ± 3,1 y finalmente las de 5% un 9,5 ± 3,4. Ninguna
de las películas anteriores presenta una diferencia significativa con el control lo que se
condice con los resultados de Yixiang (2006), esto indica que la presencia de arcilla no
afecta en el mismo grado a las películas monocomponentes y a las bicomponentes,
cabe considerar que se diferencian en la incorporación de proteína y un aumento del
pH hasta 4.
En relación al ETR el control arrojó un valor de 5,9 ± 1,7 N·mm-2 un valor mayor al
informado por Villamán, y las películas con cargas al 1% un 8,0 ± 2,3 N·mm-2 al 3% un
8,7 ± 1,8 N·mm-2 no existiendo diferencias significativas entre ellas y se aprecia que al
3% de arcilla se encuentra el máximo de ETR, mientras que al 5% el ETR alcanza un
valor de 6,8 ± 1,5 N·mm-2 el cual es similar a la muestra control. Este comportamiento
es muy similar al descrito por Yixiang, donde la muestra al 3% presenta la mayor ETR,
31
mientras que el control y la muestra al 5% son prácticamente iguales
6.4 Determinación de los parámetros de secado de las películas. Se observa de la figura 6.7, que las mezclas tienen un comportamiento típico de
una cinética de secado, en el cual hay un período de una velocidad decreciente, y
aparentemente constante, una zona de secado difusivo, y una zona de peso constante.
Las humedades de inicio son muy similares, siendo la película Q-EAP la
humedad más alta y la Q-EAP-MMT 5% s la más baja.
Según la figura 6.8 se aprecia que a mayor adición de arcilla, mayor es la
pendiente, por lo que la pérdida de agua es menor, la progresión de esta variación es
directamente dependiente de la concentración de arcilla.
Analizando los datos de la curva de Q-EAP y la Q-EAP-MMT 5% s, la primera
película tiene pendiente de -0,26259 ± 0,00294 y llega a la humedad de equilibrio a los
180 minutos, mientras que la muestra con arcilla tiene una pendiente de -0.20546 ±
8,977x10-4 y llega a la humedad de equilibrio a los 190 minutos, estas diferencias
indican una posible interacción entre la arcilla y la película bicomponente, que
retardaría la pérdida de agua.
Figura 6.7. Curvas de Secado (߲ܺ/߲ݐ) de las películas de quitosano-extracto acuoso proteico con y sin arcilla (Q-EAP y Q-EAP-MMT 5% s).
32
Figura 6.8 Curvas de Secado (߲ܺ/߲ݐ) de las películas Q-EAP y Q-EAP-MMT 5% s con sus intervalos de confianza y sus regresiones lineales respectivas
Para poder discriminar las diferentes etapas de secado, como lo son el período
constante y decreciente de secado, siendo este último el que se tomó en cuenta para
calcular el coeficiente de difusividad efectiva (Def), ya que es en esta etapa donde el
agua difunde a través del sólido y deja de evaporarse desde la superficie como ocurre
en la etapa constante de secado (Mc Cabe y col., 1985).
33
a
b
Figura 6.9. (a) Curvas de velocidad de secado (߲ܰ/߲ܺ) versus el contenido de humedad en base seca de las películas Q-EAP y Q-EAP-MMT 5% s. (b) Regresión lineal de (ln((X-Xo)/(Xo-Xe)) v/s tiempo) de los valores correspondientes al período decreciente de secado de las películas Q-EAP y Q-EAP-MMT 5% s.
Se observa un buen ajuste al modelo de secado de ambas curvas, además se
aprecia que la velocidad de secado de la película Q-EAP durante el período constante
es mayor a la de la película de Q-EAP-MMT 5% s, en cambio durante el período
decreciente la película de Q-EAP tiene una velocidad menor.
Tabla 6.3 Parámetros determinados en la cinética de secado de las soluciones
formadoras de películas Q-EAP y Q-EAP-MMT 5% s.
Q-EAP Q-EAP-MMT 5% s
Xo (b.s) 37,44 ± 1,3 35,67 ± 0
Xc (b.s) 7,17 ± 2,16 3,44 ± 0,21
Xeq (b.s) 0,039 ± 0,035 0,073 ± 0
Nc (g /min·cm2) 1,64x10-3 ± 1,1x10-4 1,39x10-3 ± 0
Θ (min) 180 190
Θc (min) 110 150
Def (cm2/min) 1,48E-03 ± 4,5x10-4 2,31E-03 ± 5,6x10-5
34
La película con arcilla presento una velocidad constante de secado de
1,39x10-3 ± 0, menor a la de la película Q-EAP-MMT 5% s, en cambio los valores de
difusividad, la mezcla Q-EAP tiene un menor valor que la mezcla con arcilla, aunque no
presentan diferencias significativas.
Este parámetro durante el período decreciente de la curva de secado es
determinante en la cinética de éste, ya que en la primera etapa constante de secado,
éste aún se lleva a cabo por evaporación de la humedad desde una superficie saturada
(evaporación desde una superficie libre). En el caso de sólidos no porosos, como lo es
el de las películas, la remoción de agua es prácticamente sólo superficial.
Diferente es el comportamiento cuando se llega en el tiempo crítico (Θc) a la
humedad crítica de secado (Xc), donde comienza el período decreciente, instante
donde el agua líquida de la superficie no es suficiente para seguir formando una
película continua en toda la superficie de secado. Entonces sería el período
decreciente de secado el que describiría mayormente las propiedades del film que es
el sólido en este caso ya que el agua estaría difundiendo a través de éste (Mc Cabe y
col., 1985).
Al no encontrar diferencias significativas entre las difusividades de las películas,
pero si en la velocidad de secado, es de suponer, que hay una interacción de la arcilla
con el agua, pero que con el secado esta se va debilitando, debido a que la arcilla
cambia los puentes de hidrógeno desde el agua hacia el quitosano, lo que permite que
el agua que está aún en la matriz polimérica difunda al igual como lo hace en la
película sin arcilla. Otra causa puede ser además, que producto de la diferencia de
densidad la arcilla tienda a quedarse en la parte inferior del film, reteniendo agua, pero
al finalizar la zona de velocidad constante disminuye su efecto sobre la difusividad.
35
7. CONCLUSIONES
Se comprobó la hipótesis que es posible incorporar nanopartículas de arcilla
(montmorillonita) en películas de quitosano y quitosano-extracto proteico de quínoa, en
las cuales se reducen su permeabilidad al vapor de agua, sin afectar significativamente
sus propiedades mecánicas permitiendo su aplicación en la conservación de
alimentos.
La adición de arcilla (montmorillonita), no produce diferencias significativas
entre las difusividades de las películas Q-EAP y Q-EAP-MMT 5%, lo que indica que no
hay un cambio en como la humedad difunde a través del sólido.
La adición de montmorillonita reduce la PVA en las películas de Q-EAP-MMT
5% s, lo que indica que en la aplicación en conservación de alimentos, con lo que se
debería esperar un mayor efecto protector al vapor de agua.
La adición de montmorillonita no afecta las propiedades mecánicas de las
películas con proteína de quínoa, mientras que en las películas de quitosano la adición
de arcilla produce un aumento en la resistencia y pérdida de elasticidad. Este cambio
es proporcional al contenido de arcilla.
Se sugiere realizar un barrido de pH (pH<4) en las películas, con el fin de
mejorar las propiedades mecánicas de la película control (Q-EAP), y extender dicha
mejora a las películas con arcilla, sin sacrificar el PVA obtenido.
36
8. BIBLIOGRAFÍA
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40
9. ANEXOS
ANEXO 1: Composición proximal y aminoacídica de la harina de quínoa. Tabla 9.1 Análisis proximal harina de quínoa.
Componente % (p/p)
Grasa 5,2
Humedad 11,7
Cenizas 1,4 Proteínas 14,7
Carbohidratos totales 64,2 Fuente Araneda: 2005.
41
ANEXO 2: Contenido de aminoácidos en la harina de quínoa. Tabla 9.2. Contenido de aminoácidos en la harina de quínoa.
Aminoácidos %
Ac. Aspártico 1,3
Ac. Glutámico 3 Serina 0,7
Histidina* 0,4
Glicina 1,2
Treonina* 0,8
Arginina* 1,6 Alanina 0,7
Tirosina 0,6
Valina* 0,9
Metionina* 0,4 Cistina 0,1
Isoleucina* 0,8
Leucina* 1,2
Fenilalanina* 0,8
Lisina* 1 * Aminoácidos escenciales, Fuente: Araneda 2005.