• CIENCIAS BÁSICAS •

- OBTENCIÓN DE UN POLÍMERO BIODEGRADABLE A PARTIR DE

UNA MEZCLA ENTRE AMILOSA EXTRAÍDA DE ALMIDÓN DE MAÍZ Y ALCOHOL

POLIVINÍLICO

• . LINA EDITH DUARTE MORALES',

OSCAR ALEXANDER VILLAMARIN GIL'

RESUMEN Las películas del polímero biodegradable fueron obtenidas a partir de amilosa, extraída de almidón de maíz a partir de diversos procesos de fraccionaMiento, mézclándolá con alcohol poliviriílico.' Para mejorar las propiedades de resistencia de la película, la amilósa se sometió a una acetilación a reflujo con anhídrido acético y piridina. Las pruebas para comprobar la biodegradación de estas películas se hicieron utilizando una enzima industrial (Fermyzime,), compuesta 'por a -arnilasa y b-amilasa, cayó efecto es atacar los enlaces glucosídicos a-1,4 de la amilosá, obteniendo así azúcares reductores; con ello el alcohol polivinílico queda vulnerable al ataque de microorganismos garantizando lá biodegradabilidad del próducto.

PALABRAS CLAVE Biodegrada .ción, fraccionamiento del almidón, acetilación, amilasa.

1 Licenciados en Química, Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

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ABSTRACT The films of the biodegradable polymer were obtained starting from amylose, extracted of starch of corn starting from diverse division processes, mixing it with polyvinyl alcohol that is a synthetic polymer of biodegradable character. To improve the properties of resistance of the film, the amylose underwent an acetylation to reflux with acetic anhydride and piridina. Were the tests to check the biodegradation of these films made using an industrial enzyme (Fermyzime,), composed for a -amilasa and b -amilasa whose effect is to attack the connections glicosidics a-1,4 of the amylose, obtaining this way sugars reducers to those that you them práctical the corresponding tests, with it the polyvinyl alcohol is vulnerable to the attack of microorganisms guaranteeing the biodegradability of the product.

KEY WORDS Biodegradation, Starch Fractionation, acetylation, amilasa.

1. INTRODUCCION

Dentro de la sublínea de investigación en síntesis orgánica de _la Universidad Distrital "Francisco José de Caldas" ha surgido un interés particular por los polímeros biodegradables. Vinculados a esta Línea se pretende obtener un polímero biodegradable a partir de una mezcla de amilosa, extraída de almidón de maíz con alcohol polivinílico, formando películas de este polímero.

La biodegradación es entendida como un proceso de destrucción,gradual de un material mediada por un sistema biológico(1,2), lo qué implica que este sistema no es del todo la causa .del proceso degradativo sino el,Medio en el que se pl'odúce.

Los polímeros biodegradabíes pueden clasificarse .dentro de tres categorías principales(1): a) Polímeros naturales(3) (celulosa, almidón, proteinas entre otros), b) polímeros nattiralys - rnodificados(2) (acetato de celulosa, ácido poliláctico, almidonés modificados) y c) materiales compuestos que combinan partículas de políméros naturales (almidón y/o celulosa regenerada) con polímeros sintéticos(4,5,6).

Actualmente en países como Italia, Suiza, Alemania y Estádos Unidos, principalmente, se están desarrollando tecnologías qué permiten obtener plásticos biodegradables que, aunque no solucionan del todo los problemas actuales de contaminación ambiental, si pueden disminuir los niveles de contaminación por residuos sólidos.

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Debido a su afinidad con el agua, los plásticos biodegradables tienen limitaciones en las temperaturas y la humedad relativa del ambiente de uso y su vida útil es más corta(1).

Por lo anterior, se pretende en este trabajo crear una alternativa de reducción de estos residuos sólidos, elaborando un polímero biodegradable a partir de amilosa y alcohol polivinílico, qué cumpla con ciertos parámetros de degradación microbiana (el almidón, siendo una sustancia elaborada por las plantas, garantiza el carácter biodégradable) y 'que tenga propiedades que permitan ser utilizados como un plástico completamente sintético.

Para la elaboración de esta película se realiza una selección del alcohol polivinílico(10) más óptimo para el proceso, así como pruebas preliminares para determinar su compatibilidad con el almidón, el cual es necesario fraccionarlo para obtener sus componentes (amilosa y amilopectina)(12). Mediante acetilación de la amilosa(13) se pretende mejorar las propiedades físicas de la película de este polímero biodegradable y a su vez con un análisis comparativo establecer su resistencia al ataque enzimático por medio de enzimas como la amilasa(14).

2. METODO

Teniendo en cuenta que el problema de esta investigación es la producción de películas de polímeros biodegradables, los cuales se obtienen a partir de amilosa y acetato de amilosa mezcladas con alcohol polivinílico, el trabajo se divide en:

2.1 Selección del alcohol polivinílic6 según su grado de hidrólisis y peso, molecular a partir-.de la revisión teórica. (11)

2.2 Mezclas preliminares

2.2.1 Almidón y alcohol polivinílico a diferentes relaciones. 2.2.2 Tratamiento del almidón con soluciones alcalinas (KOH y

NaOH).

2.3 Fraccionamiento del almidón para obtener amilosa(13).

2.4 Obtención de películas a partir de una mezcla entre amilosa y alcohol polivinílico.

2.5 Acetilación de la amilosa para obtener el triacetato de amilosa(12).

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2.5.1 Determinación del grado de sustitución teniendo en cuenta el porcentaje de grupos acetilo(21 ).

2.6 Obtención de una película mezclando triacetato de amilosa y alcohol polivinílico.

2.6.1 Pruebas de caracterización(9). 2.6.2 Biodegradación utilizando enzimas (alfa y beta amilasa ) ( 14 ). 2.6.3 Comparación de las propiedades de las películas obtenidas.

3. RESULTADOS

3.1 Preparación de las películas de amilosa con alcohol polivinílico. Lbs resultados de la preparación de estas películas, se resumen en la tabla 1.

Tabla 1. Mezclas de Amilosa con Alcohol polivinílico (PVOH)

MEZCLA Nº

RELACIÓN AMILOSA/PVOH

OBSERVACIONES

1 3 : 1 Se forma una película transparente. uniforme, pero poco resistente a la tracción

2 2 : 1 Se forma una película con las mismas caracte-rís ticas de la anterior, pero un poco más resistente

3 1 : 1 Se forma una película transparente, uniforme, con buena resistencia y elasticidad

4 1 : 2 Se forma una película grueáa, bastante resistente, pero poco elástica

3.2 Acetilación de la amilosa(13).

En la primera fase de la acetilación se utiliza la piridina como catalizador, así como para evitar la gelatinización de los gránulos, hecho que se présentaría si se utilizara únicamente agua caliente como disolvente. Los gránulos de amilosa se disuelven gradualmente y se produce una solución viscosa, la cual, más tarde, se convierte en un gel transparente que al agregar el anhídrido acético desprende calor (la reacción es exotérmica).

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3.3 Biodegradación

3.3.1 Enzimática. Los resultados de los ensayos con amilasa, utilizando el reactivo de Fehling(14) como indicador, se observan en la tabla 2.

Tabla 2. Ensayos de Biodegradabilidad con amilasa

PRUEBA N2 SUSTRATO OBSERVACIONES

1 Almidón Prueba positiva

2 Amilosa Prueba positiva

3 Amilosa/PVOH Prueba Positiva, el cambio de color sucede mas lentamente que en la amilosa.

4 Amilosa acetilada/PVOH

Prueba positiva, el color rojo es menos intenso

3.3.2 Por otros agentes Las pruebas realizadas se resumen en la tabla 3.

Tabla 3. -Ensayos de biodegradabilidad en diferentes medios

PRUEBA Nº MEDIO OBSERVACIONES

1 Levadura ),

Al cabo de dos días la solución se torna turbia, mostrando micelas. Su olor es desagradable

2 Agua residual Pasada una semana la viscosidad de la solución aumenta, se observa un desprendimiento de burbujas

3 Tierra Al cabo de una semana se desprenden burbujas y la superficie de la tierra toma un color verde.

4. DISCUSION

De acuerdo a los resultados de la tabla 1, la película de la mezcla N 2 3 presenta las mejores propiedades físicas y de resistencia tensil, además esta película requiere la menor' cantidad de alcohol polivinílico posible, para obtener las mejores propiedades.

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Para mejorar la elasticidad de esta película fue necesario adicionar dé' 1 a 2 gotas de glicerol(15) el cual permite retener la humedad en la película, y así dar mayor elasticidad a esta.

El alcohol polivinílico(11) es utilizado para mejorar las propiedades de formación de película de la amilosa, así como su resistencia tensil y demás propiedades físicas, ya que actúa como plastificante debido a que como la amilosa también es soluble en agua(12,16), se presenta entonces entre el alcohol polivinílico y la amilosa un entrecruzamiento de sus moléculas lineales, utilizando los grupos hidroxilo ubicados a los lados dulas cadenas para formar puentes de hidrógeno(22), así como la formación aleatoria de gfupos alcoxi (C-0-) entre los grupos hidroxilo del alcohol polivinílico (nucleófilo) (11) y las unidades monoméricas de la amilosa. Las películas formadas a partir de esta mezcla presentan buenas propiedades en cuanto a resistencia tensil, , permeabilidad al oxígeno y transparencia(5).

La acetilación de la amilosa(21) tiene como propósito mejorar la resistencia de la película formada, puesto que los grupos hidroxilo podrían llegar a formar fuerzas intermoleculares con los grupos hidroxilo del alcohol polivinílico, sin embargo estos grupos hidroxilo, se supone, presentan fuerzas intermoleculares con los grupos hidroxilo sin sustituir de la amilosa al igual que entre los grupos acetilo.

La enzima utilizada para - las pruebas de biodegradación se adquirió comercialmente con el nombre de Fermizyme, (una mezcla de amilasas a y b), ya que el objetivo de este trabajo es identificar la acción de la enzima sobre la película obtenida, independiente de su origen(14,19).

La acción de las enzimas a y b amilasas sobre el almidón es similar(14), se puede decir que son complementarias, si bien ambas atacan los enlace glicosidico a- (1,4), la a-árnilasa actúa al azar dividiendo el carbohidrato polimérico en secciones grandes mientras que la b-amilasa es más específica produciendo maltosa (19).

La amilosa por ser un componente lineal de enlaces glicosidicos a-(1,4) produce hasta casi el 100% de maltosa(8) por la acción enzimática. La maltosa por ser un azúcar reductor da prueba positiva con el reactivo de Fehling, virando de un color azul a rojo ladrillo(8). La prueba N 9 1 realizada con el almidón es positiva, debido a que la fracción lineal (amilosa) formó maltosa en su totalidad y la ramificada (amilopectina) bajo la acción de la enzima forma maltosas en los extremos que contienen enlaces a-(1,4), mientras que las secciones con enlaces a-(1,6) se aglomeran formando una dextrina(17). La prueba N°2 con amilosa por ser la fracción lineal, da coloración roja con Fehling-debido a la formación del disacárido maltosa(8). La prueba N°3 es positiva ya que la

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enzima ataca la amilosa que se encuentra entrecruzada con el alcohol polivinílico, quedando en solución maltosa y alcohol polivinílico, debilitándose este último, quedando vulnerable a un ataque bacteriano. La prueba N 24 es positiva, aunque el viraje de color sucede en un tiempo de exposición mayor, esto debido a la présencia de grupos acetilo sustituyentes, los cuales impiden la formación de la maltosa en un 100%. Quedando en solución algunas moléculas de maltosa y secciones del polisacárido que contiene esos grupos acetilo. No se realizó una prueba cuantitativa de la acción enzimática ya que el interés de este trabajo es demostrar la biodegradabilidad de la película más no el porcentaje de biodegradación.

Según la literatura(1) la biodegradación de estos polímeros se determiria por el crecimiento de colonias de microorganismos(15), así como se observó en la prueba Nº 3. También los cambios en la viscosidad de la solución tal como se observó en la prueba N 42. El burbujeo observado en las pruebas 2 y 3, puede ser indicio de lá producción de dióxido de carbono(3).

En ' cuanto a la prueba Nº 1 se observaron cambios en la aparienCia de la solución y el olor desagradable, lo cual indica la descomposición del material(1).

Ces 5. CONCLUSIONES

Las diferentes viscosidades de los alcoholes polivinilicos, en otras palabras el grado de polimerización (n), no impide la fo'rrnación de películas. '

Para la formación de películas de buena calidad es indispensable que el almidón utilizado sea 100% soluble eh agua.

Se obtiene mayor rendimiento en el fraccionamiento del almidón cuando se realiza la extracción con butano!.

La biodegradación enzimática de la película obtenida ocurre en relación inversa al grado de acetilación de la amilosa.

La película del polímero obtenido es soluble en agua, lo que facilita su biodegradación.

És posible' obtener un polímero biodegradable a partir de una mezcla entre amilosa y alcohol polivinílico.

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AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su agradecimiento a la línea de Investigación en síntesis orgánica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, encabezada por el profesor Luis Carlos García en colaboración con el profesor Josué Anselmo García.

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