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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ
COORDINACIÓN ACADÉMICA REGIÓN ALTIPLANO OESTE
DESARROLLO DE ORGANOGELES COMESTIBLES A BASE DE
CERA DE NOPAL Y ACEITE VEGETAL
TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO AGROINDUSTRIAL
PRESENTA:
KARLA IVONNE AGUILAR RODRIGUEZ
DIRECTOR DE TESIS:
DR. JUAN ANGEL MORALES RUEDA
CO-DIRECTOR
DRA. LAURA ARACELÍ LÓPEZ MARTÍNEZ
JULIO 2019
AGRADECIMIENTOS
Principalmente quiero agradecer a la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, por
haberme abierto las puertas para continuar con mi formación profesional y ser parte
de ella.
Agradezco al Dr. Juan Angel Morales Rueda por su gran apoyo y motivación para
la culminación de mis estudios profesionales, por la paciencia, dedicación y palabras
de aliento, infinitas gracias por ser la persona que me asesoro para la elaboración
de esta tesis.
Gracias a los docentes de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí que a lo
largo de la carrera trasmitieron y compartieron sus conocimientos para la
preparación de mi formación.
Gracias a mis amigos que nos apoyamos mutuamente, por compartir buenos y
malos momentos, por las experiencias vividas y por las palabras de aliento.
Gracias a mi familia en general porque cada uno me deja una enseñanza y me
motivan a querer ser una persona mejor diariamente.
Agradezco a mis padres Maricela y Martin por todo lo que me han dado con todo el
esfuerzo y dedicación, pero especialmente infinitas gracias a mi madre Maricela por
la confianza y paciencia ya que toda mi formación fue posible gracias a ella.
Agradezco al APOYO A LA INCORPORACIÓN DE NPTC de PRODEP, con número
de proyecto 511-6/17-7930, No. De Folio: UASLP-PTC-602.
DEDICATORIA
A Dios: Por darme la oportunidad de vivir, por estar conmigo en cada paso que doy
y por haberme permitido llegar hasta este punto, también por darme salud para
lograr mis objetivos, además de iluminar mi mente y fortalecer mi corazón.
A mi madre Maricela: Principalmente por darme la vida y porque gracias a ella se
cumple esta meta, gracias por darme una carrera para mi futuro, todo esto te lo debo
a ti, por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, paciencia, sus
valores, la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero
más que nada por su amor incondicional.
A mi padre Martin: Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo
caracterizan y que me ha infundado siempre, por el valor mostrado para salir
adelante.
A mis familiares: Mi hermana Maritza, por estar conmigo y apoyarme siempre, a
mis abuelos Juan, Concepción, Andrés (QEPD) y Felicitas por quererme y
apoyarme, a mis tías Paola, Martha y Adriana ya que las considero personas muy
especiales que me han ayudado, motivado a hacer mejor persona, aconsejado y
apoyado en el largo camino de la vida en toda la extensión de la palabra, a mi prima
Maribel que a pesar de la distancia me brinda su apoyo y por extender su mano en
los momentos difíciles.
ÍNDICE
ÍNDICE DE TABLAS. ....................................................................................................................... i
ÍNDICE DE FIGURAS. .................................................................................................................... ii
RESUMEN ......................................................................................................................................... 5
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 7
CAPITULO 1. ORGANOGELES COMO ALTERNATIVA DE GRASAS TRANS. .............. 10
1.1 Grasas y aceites ................................................................................................................. 10
1.2 Constitución de grasas y aceites .................................................................................. 12
................................................................................................................................................... 13
1.2.1 Ácidos grasos saturados ......................................................................................... 13
1.2.2 Ácidos grasos insaturados ...................................................................................... 14
1.2.3 Ácidos grasos trans .................................................................................................. 16
1.3. Problemas con el consumo de grasas y aceites ..................................................... 17
1.4. Alternativas para sustituir grasas saturadas y trans .............................................. 18
1.5. Tipos de moléculas gelantes ......................................................................................... 19
1.5.1. Propiedades químicas y físicas de los organogeles a base de ceras ........ 20
1.5.2. Propiedades térmicas .............................................................................................. 21
1.5.3 Propiedades reológicas ............................................................................................ 21
CAPITULO 2. NOPAL COMO FUENTE DE CERAS VEGETALES. .................................... 23
2.1 Nopal ..................................................................................................................................... 23
2.1.1 Tipos de nopal ............................................................................................................. 24
2.1.2 Estructura de los nopales ........................................................................................ 24
2.1.3 Cutícula ......................................................................................................................... 25
2.1.4 Ceras de la cutícula ................................................................................................... 27
CAPITULO 3. MÉTODOS ANALÍTICOS PARA CERAS Y ORGANOGELES. .................. 28
3.1 Caracterización de las ceras .......................................................................................... 28
3.2 Calorimetría diferencial de barrido ............................................................................... 28
3.3 Reología ............................................................................................................................... 31
CAPITULO 4. JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS. ..................................................................... 34
4.1 Justificación ........................................................................................................................ 34
4.2 Objetivos .............................................................................................................................. 34
4.2.1 Objetivos específicos ................................................................................................ 34
CAPITULO 5. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 35
5.1 Materiales y Métodos ........................................................................................................ 35
5.1.1 Extracción de cera de nopal .................................................................................... 35
5.2 Preparación de los organogeles y diagramas de fase ............................................ 37
5.3 Determinación de parámetros térmicos DSC............................................................. 37
5.4 Propiedades reológicas ................................................................................................... 38
5.5. Análisis estadístico .......................................................................................................... 39
CAPITULO 6. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ................................................ 40
6.1 Determinación de los parámetros térmicos de la cera pura .................................. 40
6.2 Determinación de la concentración critica ................................................................. 42
6.3 Evaluación reológica ........................................................................................................ 44
6.4 Determinación de los parámetros térmicos de los organogeles .......................... 48
CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 54
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 55
ANEXOS .......................................................................................................................................... 66
i
ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Propiedades de las grasas y aceites…...…………….………………..……11
Tabla 2. Ácidos grasos saturados (estructura química y punto de fusión)………..14
Tabla 3. Ácidos grasos insaturados (estructura química y punto de fusión)………15
Tabla 4. Las principales especies de opuntia……………………...…………..…..…26
Tabla 5. Parámetros térmicos (Tcr, Hcr, TF, HF) de la cera de nopal a diferentes
concentraciones en aceite……………………………………………....……51
ii
ÍNDICE DE FIGURAS.
Figura 1. Estructura quimica de triacilglicéridos…………...…………………………13
Figura 2. Configuraciones tipo cis y trans de los ácidos grasos………………...….17
Figura 3. Fases para la formación de organogel…………..……………...……....…19
Figura 4. Representación de las ceras como sustitutos de las grasas trans..........20
Figura 5. Flujo de calor de un DSC…………………………………………………….29
Figura 6. A) Diagrama de fusión (endoterma) y B) Diagrama de cristalización (exoterma) obtenido por DSC………...…………………………………......30
Figura 7. Barrido de frecuencia de geles .…………………………………………….33
Figura 8. Equipo de extraccion soxhlet con muestra de nopal deshidratada para extaccion de compuestos hidrofóbicos ……….………………….………...36
Figura 9. Termogramas de cristalización (Línea solida) y fusión (línea punteada) de la cera de nopal pura……………………………..…………………….…40
Figura 10. Prueba visual y propiedades de fase de las mezclas de cera de nopal en aceite de canola……………….…………………………………………..43
Figura 11. Barrido de frecuencia de mezclas de la cera de nopal (3%, 4% y 5%) en aceite de canola………………………………………………………….45
Figura 12. Determinación de tan de los geles de cera de nopal en aceite de canola a diferentes concentraciones (i.e, 3%, 4% y 5%)…….….………..48
Figura 13. Termograma de cristalización de los geles de cera de nopal en aceite de canola a diferentes concentraciones (i.e, 1%, 2%, 3%, 4% y 5%)…..49
Figura 14. Efecto de la concentración de cera de nopal en aceite de canola en las temperaturas de cristalización (Tcr) y fusión (Tf)……...……………..…..53
5
RESUMEN
En la actualidad las grasas y los aceites conforman una parte importante en los
alimentos ya que son una fuente principal de energía. Sin embargo, el consumo
excesivo de grasas y grasas trans ocasionan problemas a la salud como lo son las
enfermedades cardiovasculares, diabetes, sobrepeso, hipercolesterolemia, entre
otras. Debido a esto, en la última década las investigaciones han desarrollado
distintas y nuevas alternativas para la sustitución de estas grasas por medio de
diferentes métodos, uno de ellos es la elaboración de organogeles a base de ceras
vegetales. Por otro lado, en la región árida y semiárida de San Luis Potosí, existe
una gran variedad de especies vegetales del género Opuntia, de las cuales una de
las más adaptadas es Opuntia streptacantha, comúnmente llamado “nopal cardón”.
Una de las características de los nopales, es la presencia de una cutícula gruesa
(en comparación con otras plantas) que tiene en su composición ceras para
protegerla, principalmente de la deshidratación. Por lo tanto, el objetivo de esta
investigación es elaborar organogeles con cera de nopal en aceite vegetal. Para
lograr el objetivo planteado, se extrajo cera de nopal por el método de soxhlet,
posteriormente se elaboraron muestras de geles en concentraciones de 1 a 5 %
(p/p) y se determinó la concentración critica de gelación (C*). Para definir los perfiles
de cristalización y fusión de las muestras de la cera de nopal pura y sus respectivos
organogeles se evaluaron por medio de calorimetría escaneo diferencial (DSC) y a
los organogeles se les analizaron las propiedades de gel con la determinación de
barridos de frecuencia en un Reómetro. Los resultados muestran que la
concentración crítica de gelación visual fue del 4%. La temperatura de cristalización
6
obtenida para la cera de nopal pura fue de 75.59 ± 0.18 °C y la temperatura de
fusión fue de 79.6 ± 0.1 °C. Los parámetros térmicos (ej., temperatura de
cristalización y temperatura de fusión) asociados a los organogeles de la cera de
nopal mostraron un incremento conforme se aumentó la concentración. Además, la
entalpía de cristalización fue mayor en todo el intervalo de concentraciones que la
entalpia de fusión. Los resultados de los barridos de frecuencia para los organogeles
de la cera de nopal determinaron que las mezclas de 3%, 4% y 5% fueron geles
débiles. En conclusión, la cera de nopal es un material capaz de desarrollar
organogeles en aceite vegetal a concentraciones iguales o mayores del 4% e
independientemente de las concentraciones a las que se elaboren los organogeles
siguen formando geles débiles. Se cree que los extractos requieren procesos de
purificación y refinación para mejorar las características de gelificación de los
organogeles.
Por otra parte, de acuerdo con las propiedades térmicas de los organogeles, se
determinó que la temperatura de fusión es alta (ej., 67°C), por lo que limita el uso
de estos materiales en el desarrollo de productos comestibles que puedan contener
en su composición grasas y aceites.
7
INTRODUCCIÓN
En los años veinte se creía que la grasa no desempeñaba un papel importante en
la alimentación si se consumían cantidades suficientes de vitaminas y minerales con
la dieta (Ortega, 2002). Posteriormente, se comenzaron a tener problemas de salud
al consumir alimentos que contenían alto contenido de grasas (Ballesteros-
Vásquez, Valenzuela-Calvillo, Artalejo-Ochoa & Robles-Sardin, 2012). Posterior a
esto se lleva a cabo la hidrogenación de los aceites con el objetivo de sustituir la
manteca animal por grasas parcialmente hidrogenadas (que consiste en unir
moléculas de hidrogeno a moléculas de ácidos grasos insaturados de los aceites
para mejorar la estabilidad química del producto final) con el fin de prevenir la
oxidación, y a su vez incrementar su utilidad transformando en una materia prima
semi-sólida para diferentes aplicaciones industriales como lo es la margarina,
grasas para freír, grasas comestibles, entre otros (Morales-Rueda, 2009a).
En la actualidad, las grasas y los aceites siguen conformando una parte importante
en los alimentos ya que son una fuente principal de energía, brinda una consistencia
deseable para la satisfacción de las distintas necesidades del consumidor (Ros,
López-Miranda, Picó, Rubio Ma, Babio, Sala-Vila, Pérez-Jiménez, Escrich, Bulló,
Solanas, Gil Hernández & Salas-Salvadó, 2015). Sin embargo, como se mencionó,
se presentan un problema de tal manera que al ser consumidas ocasionan
enfermedades del tipo cardiovasculares, diabetes, sobrepeso, hipercolesterolemia
entre otras. Al respecto, distintas investigaciones han tratado de desarrollar nuevas
alternativas para la sustitución de estas grasas por medio de interesterificación
química y enzimática, uso de agentes espesantes (gomas, mucilagos, almidones,
8
proteínas), y por otro lado la utilización de organogeles. (Toro-Vazquez, Charó-
Alonso, Pérez-Martínez, Morales-Rueda, 2011).
Los organogeles se definen como un gel físico, no cristalino y no vítreo compuesto
por un líquido orgánico atrapado en una red tridimensional compleja (Ferreira-
Chaves, Barrera-Arellano & Badan-Ribeiro, 2018). El líquido puede ser, por ejemplo,
un disolvente orgánico, un aceite mineral o un aceite vegetal. La solubilidad,
morfología y dimensiones de las estructuras que forman la red son características
importantes con respecto a las propiedades físicas del organogel (Ferreira et al.
2018). A menudo, estos sistemas se basan en el autoensamblado de moléculas
orgánicas pequeñas: organogelificadores, en estructuras generalmente fibrilares.
Estos geles se forman en concentraciones de un poco por ciento en peso de
organogelador, dando así las mismas características que tienen las grasas y aceites
(Lupi, Greco, Baldino, De Cindio, Fischer, & Gabriele, 2016). Varios autores han
estudiado las propiedades fisicoquímicas de los organogeles a base de ceras
naturales en aceites vegetales, demostrando propiedades similares a las grasas
empleadas en la industria de los alimentos. Además, han investigado a la cera de
candelilla como gelante de grado alimenticio (Álvarez-Mitre et al., 2013; Álvarez-
Mitre et al., 2011; Bósquez-Molina et al., 2003; Chopin-Doroteo et al., 2011;
Dassanayake et al., 2009; Hagenmaier y Baker, 1996; Morales-Rueda et al., 2009b,
2009c; Saucedo-Pompa et al., 2007; Toro-Vázquez et al. 2007, 2009, 2013).
Debido a lo anterior y a los múltiples usos que contiene la cera de candelilla a nivel
industrial, esta cera ha sido sobreexplotada y hoy en día se han encontrado
problemas para la extracción de esta cera. (Cabello-Alvarado, Sáenz-Galindo,
Barajas-Bermúdez, Pérez-Berumen, Ávila-Orta, & Valdés-Garza, 2013) El método
9
de extracción tradicional consiste en la utilización de ácido sulfúrico, el cual resulta
dañino tanto para las personas que lo extraen, como el medio ambiente. Otro
problema es la deforestación de la planta, este problema se ha acrecentado en los
últimos años por la alta demanda de esta cera a nivel industrial (Cabello-Alvarado
et al. 2013).
Por lo tanto, la industria de las ceras y la academia han buscado nuevas alternativas
para la extracción de la cera de candelilla y mitigar el problema de desabasto de
esta cera. Por ello se toma como alterativa la planta de nopal, ya que la cera
cuticular puede ser extraída del cladodio de las diferentes especies del género
Opuntia y ser utilizada para el desarrollo de organogeles comestibles con
características similares a las grasas y aceites empleadas en la industria de los
alimentos.
10
CAPITULO 1. ORGANOGELES COMO ALTERNATIVA DE GRASAS TRANS.
1.1 Grasas y aceites
Las grasas y los aceites son un constituyente principal de muchos alimentos, ya que
proporcionan energía, características sensoriales como lo son color, sabor, olor,
aroma, e imparten propiedades físicas como lo es la dureza, apariencia, la
palatabilidad y untabilidad, como se observan en la Tabla 1. Estas características
se ven reflejadas principalmente en alimentos procesados y alimentos que
contienen altas cantidades de grasas y aceites (e.g., margarinas, galletas,
mantequilla, papas fritas, entre otras). Las grasas y aceites componen la reserva
energética más considerable del organismo, ya que aportan 9 kilocalorías por gramo
(Kcal/g), trasportan vitaminas liposolubles y en su variedad se localizan en alimentos
y preparaciones. Además, desarrollan funciones fisiológicas, inmunológicas y
estructurales (Silverthorn, 2009). Asimismo, existen grasas vegetales utilizadas de
manera industrial que provienen de aceites modificados químicamente y tienen en
su composición grasas trans y grasas saturadas principalmente (Wassell & Young,
2007; Wassell, Bonwick, Smith, Almiron-Roig, Young, 2010).
11
Modificado de la tabla: European Food Information Council, 2014., Franco, 2011.
Propiedad Descripción
Aireación Se unen el aire y la masa por medio de
adición de grasas plásticas
Texturización Granulosidad
Friabilidad
Suavidad
Plasticidad
Conservación Retiene las partículas de agua
aumentando su duración
Apariencia Glaseado, confieren aspecto brillante y
crocante
Cocción Incrementa la transferencia de calor,
debilita el tiempo de cocción y completa
su apariencia, sabor y textura
Tabla 1. Propiedades físicas de las grasas y aceites
12
1.2 Constitución de grasas y aceites
La grasa de los alimentos está formada mayoritariamente por ácidos grasos, que se
encuentran en forma de triglicéridos (Ros et al. 2015). Químicamente los
triacilglicéridos son producto de la esterificación del glicerol con tres ácidos grasos.
Los ácidos grasos se fusionan a la molécula de glicerol en los átomos de carbono
numerados como sn-1, sn-2 y sn-3 (Figura 2). La nomenclatura que se emplea para
nombrar a los triacilglicéridos se basa en la llamada numeración estéreo específica
(“sn” por stereospecific numbers en inglés) en donde los sustituyentes de la
molécula se designan 1, 2, 3 (Badui, 1999).
Por otro lado, los ácidos grasos, son ácidos monocarboxílicos de cadena alifática
con números par de átomos de carbono y sin ramificaciones. Los ácidos grasos
pueden ser saturados con hidrogeno (sin dobles ligaduras entre carbono-carbono)
o insaturados (con dobles ligaduras carbono-carbono) (Ballesteros-Vásquez,
Valenzuela-Calvillo, Artalejo-Ochoa & Robles-Sardin, 2012). Los ácidos grasos
insaturados con una o con más de una doble ligadura son llamados
monoinsaturados y poliinsaturados, respectivamente. En la actualidad se sugiere
una disminución de la ingesta de los ácidos grasos saturados y ácidos grasos trans
ya que existen evidencias del enlace con el desarrollo de enfermedades (Riobó &
Breton, 2014).
13
1.2.1 Ácidos grasos saturados
Los ácidos grasos saturados, químicamente son aquellos cuyos enlaces son
sencillos, los átomos de carbono (excepto el último átomo) están unidos a dos
átomos de hidrógeno, esto quiere decir que están “saturados” de hidrógenos. En
general su característica principal es tener una cadena lineal formada por enlaces
simples. Prevalecen en las grasas con esqueleto lineal, número par de carbonos y
hacen parte de los triglicéridos. Los de bajo peso molecular (<14 carbonos) solo
están presentes en la grasa de coco y palma, mientras que los de mayor peso
molecular (<18 carbonos) se detectan en las leguminosas (Soriano del Castillo,
2006). Este tipo de ácidos grasos provienen del reino animal como los es el queso,
carne y leche entre otros (a excepción de aceite de coco y de cacao), sin embargo,
estos ácidos grasos son sólidos a temperatura ambiente. Algunos ejemplos
comunes de ácidos grasos son el láurico, mirístico, palmítico, esteárico, araquídico.
Figura 1. Estructura química de Triacilglicéridos.
14
(Tabla 2). Cabe mencionar que el consumo de este tipo de ácidos grasos está
asociado con el aumento de colesterol sanguíneo, las enfermedades
cardiovasculares, entre otras. (Riobó & Breton, 2014).
1.2.2 Ácidos grasos insaturados
Los ácidos grasos insaturados son ácidos carboxílicos de cadena larga con uno o
varios dobles enlaces entre sus átomos de carbono (Tabla 3), estos se dividen en
monoinsaturados y poliinsaturados. Los ácidos grasos monoinsaturados son los
más abundantes, con un solo doble enlace entre los carbonos 9 y 10. Los ácidos
grasos poliinsaturados (frecuentemente denominados por su acrónimo en lengua
inglesa PUFAs = Poly- Unsaturated Fatty Acids) son ácidos grasos que poseen más
de un doble enlace entre sus carbonos (Organización De Las Naciones Unidas Para
La Alimentación y La Agricultura [FAO], (2012). Los ácidos grasos poliinsaturados
suelen tener un doble enlace entre los carbonos 9 y 10 y los dobles enlaces
Saturados
Nombre N. carbonos Formula química p.f.
láurico 12 CH3(CH2)10COOH 44
mirístico 14 CH3(CH2)12COOH 58
palmítico 16 CH3(CH2)14COOH 63
esteárico 18 CH3(CH2)16COOH 69
araquídico 20 CH3(CH2)18COOH 77
Tabla 2. Ácidos grasos saturados (estructura química y punto de fusión)
15
adicionales situados entre éste y el extremo metilo terminal de la cadena
hidrocarbonada. Estos ácidos grasos se pueden organizar según el terminal metilo
en tres familias: ω3, ω -6 y ω -9 (Soriano del Castillo, 2006).
La existencia de dobles enlaces implica la existencia de isómeros geométricos (cis-
trans) según sea la disposición de los sustituyentes a ambos lados del doble enlace.
La mayoría de los ácidos grasos insaturados que existen en la naturaleza presentan
configuración cis. (Figura 3) (Cabezas-Zábala, Hernández-Torres & Vargas-Zárate,
2016) Sin embargo, la carne y la leche de los rumiantes, como bovinos y ovejas,
contienen pequeñas cantidades de ácidos grasos insaturados en forma de trans
(European Food Information Council, 2014) (Figura 3). Los ácidos grasos
insaturados provienen en general del reino vegetal (a excepción del pescado que
es muy rico en poliinsaturados), son líquidos a la temperatura ambiente y su
consumo está asociado con mayores niveles de colesterol bueno (FAO, 2012).
Insaturados
Nombre N.
carbonos
Formula química P.f*
Palmitoleico 16 CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH 0
Oleico 18 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 13
Linoleico 18 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH -5
Araquidónico 20 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3COOH -50
Tabla 3. Ácidos grasos insaturados (estructura química y punto de fusión)
16
1.2.3 Ácidos grasos trans
Las grasas trans se obtienen a partir de las grasas insaturadas mediante la
hidrogenación parcial de aceites. Son de origen vegetal, pero aumentan el nivel de
colesterol malo (LDL) y reducen el bueno (HDL). Es importante señalar que algunos
alimentos contienen algunas grasas trans de forma natural, como la leche, la carne
de ternera o de cordero, también pueden encontrarse en grasas de ave y puerco,
debido al tipo de alimentación que reciben (Fritsche & Steinhart, 1998). También
aparecen por el calentamiento del aceite a altas temperaturas. Además, los ácidos
grasos trans se originan durante la hidrogenación de los aceites vegetales para la
producción de margarinas, grasas emulsionables (shortenings) y mantecas. Otra
fuente industrial de estas grasas es el freído continuo de aceites a alta temperatura
(Gurr, 1996).
En los últimos años se han puesto de manifiesto los efectos adversos debido al
consumo de las grasas saturadas y, sobre todo, los efectos negativos de los ácidos
grasos trans. Estos pueden afectar la actividad biológica de algunas moléculas,
favoreciendo la aparición de estados patológicos importantes (ej., síndrome
metabólico, diabetes tipo II; Land, 2005), ya que los ácidos grasos trans utilizan las
mismas rutas de absorción y oxidación que sus isómeros cis. Esto ha creado un
serio problema a la industria alimentaria, la cual necesita sustituir a las grasas
saturadas y las grasas trans con sistemas oleosos que aporten propiedades
composicionales (ej., sólidos grasos) y de textura (ej., dureza).
17
Figura 2. Configuraciones tipo trans (A) y cis (B) de los ácidos grasos.
1.3. Problemas con el consumo de grasas y aceites
Las primeras evidencias de los efectos adversos de los ácidos grasos trans sobre
la salud se publicaron en la década de los 90, cuando diversos estudios realizados
en humanos mostraron que su ingesta aumentaba el riesgo de padecer alteraciones
cardiacas tanto o más que los ácidos grasos saturados (Riobó & Bretón, 2014).
En el 2007 hubo una coincidencia en la comunidad científica en admitir que los
efectos adversos debidos a la ingesta de ácidos grasos trans se inician mediante
cambios en el perfil de las lipoproteínas séricas, aunque la respuesta inflamatoria y
la función endotelial pueden verse también afectadas (Scientific Advisory
Committee on Nutrition, 2007).
Por otro lado, se encuentra un lazo bien establecido entre el consumo de ácidos
grasos trans y el mayor riesgo de enfermedades coronarias (Fernández-Michel,
18
García-Díaz, Alanís-Guzmán & Ramos-Clamont, 2008) y con el desarrollo de
diabetes tipo II (Blake, Toro-Vazquez & Hong-Sik, 2018).
El consumo excesivo de grasas saturadas, así como la ingesta de ácidos grasos
trans equivalente al 1% tiene un efecto perjudicial para la salud, provocando un
aumento en el nivel de colesterol malo (Low Density Lipoprotein; LDL) y
disminuyendo el colesterol bueno (High Density Lipoprotein; HDL) especialmente
en personas con sobrepeso (Lacroix, Charest, Cyr, Baril-Gravel, Lebeuf, Paquin,
Chouinard, Couture & Lamarche,ca 2012).
Finalmente, la ingesta de ácidos grasos trans tiene afectaciones cardiovasculares,
debido a que pueden favorecer el estado inflamatorio afectando a marcadores como
la proteína C reactiva, entre otros. Estas implicaciones negativas para la salud
pueden revertirse al alterar la ingesta de lípidos no saludables y reemplazándolos
con alternativas más saludables (Cabezas et al. 2016).
1.4. Alternativas para sustituir grasas saturadas y trans
En la última década, las investigaciones se han enfocado en desarrollar nuevas
alternativas para sustituir dentro de los alimentos, las grasas saturadas y trans
(Toro-Vazquez et al., 2011). De acuerdo con Toro-Vazquez et al. (2007) dentro de
estas nuevas alternativas, los organogeles han surgido como una gran promesa
para el desarrollo de grasas con propiedades funcionales similares a las grasas
comúnmente empleadas.
Los organogeles se definen como un gel físico, no cristalino y no vítreo compuesto
por un líquido orgánico atrapado en una red tridimensional compleja (Ferreira et al.,
19
2018) (Figura 4). El líquido orgánico puede ser un disolvente orgánico, un aceite
mineral o un aceite vegetal.
1.5. Tipos de moléculas gelantes
Dentro de las moléculas gelantes más importantes se emplean los monoglicéridos,
ácidos grasos de cadena larga, ceramidas, sitosterol y ceras. Hoy en día, una de
las moléculas gelantes más empleadas para el desarrollo de organogeles, debido a
sus características físicas, químicas, térmicas y de estabilidad oxidativa son las
ceras vegetales. Por ejemplo, la cera de candelilla es empleada en una gran
variedad de productos (Cabello-Alvarado, 2013) y es usada para el desarrollo de
organogeles como sustitutos de grasas trans, demostrando propiedades similares
a las grasas vegetales empleadas en la industria de los alimentos (ej., margarinas,
Fase externa
atrapada (solvente
orgánico).
Red tridimensional
de micelas
cilíndricas
enredadas.
Figura 3. Fases para la formación de organogel.
Organogel
20
grasas para panificación, etc) (Toro-Vazquez et al. 2007, Sánchez-Becerril et al.
2018) (Figura 5).
Figura 4. Representación de las ceras como sustitutos de las grasas trans.
1.5.1. Propiedades químicas y físicas de los organogeles a base de ceras
Los organogeles a base de ceras vegetales han ganado interés en los últimos años,
debido a que estas son de origen natural, están aprobadas para su uso en alimentos
y tienen disponibilidad comercial. Adicionalmente, se pueden desarrollar
organogeles en concentraciones críticas del 1 a 4 % [la concentración critica de
gelación (C*) es la masa mínima de gelante requerida para alcanzar la gelación bajo
condiciones particulares de tiempo y temperatura] con la ventaja de que tiene
propiedades reológicas, térmicas que pueden ser diseñadas para aplicaciones
específicas modificando la morfología de los cristales de cera por medio de la
aplicación en condiciones particulares de tiempo y temperatura, así como de cizalla
durante la cristalización (Blake et al., 2018).
1.5.2. Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas de los organogeles se evalúan principalmente por medio
de calorimetría diferencial de barrido. Con esta técnica se puede observar si los
21
picos endotérmicos y exotérmicos se presentan como picos simples y angostos o
como picos múltiples y amplios. La forma de los picos que se presentan en los
termogramas, así como los parámetros térmicos como la temperatura y entalpia de
fusión (ej., Tf y f) y la temperatura y entalpia de cristalización (ej., Tcr y cr)
están asociados con la polaridad de las moléculas y las energías de interacción
molecular establecen la estructura del cristal de la molécula gelante, tanto en estado
puro como en estado de gel (Toro Vázquez et al. 2013). De acuerdo con Blake et
al. (2018), las diferencias en la composición química entre ceras son evidentes
cuando se comparan los termogramas de fusión y cristalización de las ceras puras
y sus respectivos organogeles.
1.5.3 Propiedades reológicas
Diversos investigadores han desarrollado distintas definiciones de un gel, donde
consideran que es un material tipo sólido que consiste al menos de dos
componentes, uno es un líquido presente abundantemente y el otro un sólido (Lloyd,
1926, Hermans, 1949). De acuerdo con Ferry (1961) un gel es sistema
substancialmente diluido que no fluye en estado estacionario o en otras palabras,
es un sólido a pesar de estar compuesto principalmente de líquido.
Desde el punto de vista reológico y de acuerdo con Steffe (2006), los materiales
viscoelásticos están conformados por una componente sólida (ej., G´; módulo
elástico) y una componente líquida (ej., G”; módulo viscoso).
Una manera efectiva de evaluar las características reológicas de estos materiales
(ej., geles) es someter a las muestras a un intervalo amplio de frecuencias, a esta
prueba se le llama barrido de frecuencia. Acorde con Steffe (2006), si el módulo
22
elástico (G’) es mayor que el módulo viscoso (G”) y tiene un comportamiento
independiente en todo el intervalo de frecuencias, se considera que el material es
un gel.
Por otro lado, muestras de organogeles elaborados con diferentes tipos de ceras
vegetales (ej., cera de candelilla, cera de salvado de arroz, cera de girasol) en aceite
vegetales muestran que G´ es mayor que G” (Toro Vazquez, 2007; Jana & Martini,
2016; Patel, 2015). Estos investigadores concluyen que dicho comportamiento es
consistente con el desarrollo de un gel.
23
CAPITULO 2. NOPAL COMO FUENTE DE CERAS VEGETALES.
2.1 Nopal
Las plantas de la familia Cactaceae crecen principalmente en zonas áridas y
semiáridas de México. Esta familia incluye más de 1500 especies, de las cuales al
menos 850 crecen en nuestro país y se estima que cerca de 80% son endémicas.
(López-Collado, Malpica-Vázquez, López-Collado, García-Pérez & Sol-Sánchez,
2013). De estas especies, los géneros que sobresalen son Hylocereus,
Selenicereus y Opuntia. Las plantas del género Opuntia o mejor conocidas como
“nopales” se encuentran ampliamente distribuidas en América con 215 especies
(Anderson 2001). El género Opuntia se ha adecuado a distintas zonas áridas
identificadas por condiciones secas, lluvias erráticas y suelos pobres expuestos a la
erosión (Guzmán, Arias, & Dávila, 2007). Los suelos que existen en zonas áridas
reciben el nombre genérico de xerosoles o aridisoles, es decir, suelos de zonas
áridas (Cervantes-Ramírez, 2002).
El nopal tiene diferentes beneficios, con un alto potencial agrotecnológico, de tal
manera que sirve como componente principal para productos alimentarios, también
suele usarse como forraje (alimento para ganado) y, por otra parte, se ha empleado
también en la farmacología, medicina y la industria agropecuaria, por anunciar
algunos (Aguilar, Rodríguez, Saucedo & Jasso, 2008). El nopal es una cactácea con
una gran importancia agronómica a nivel nacional, ya que en México existen 3
millones de hectáreas de nopal nativo y alrededor de 233 000 hectáreas de nopal
cultivado; de las cuales 150 000 ha son destinadas al consumo humano (como
frutos) con una producción de 139 193 toneladas anuales (Aguirre-Cárdenas
24
García-Delgado, González-González, Jofre-Garfias, Legorreta-Siañez, &
Buenrostro-Zagal, 2011).
Ramírez-Tobías, Reyes-Agüero, Pinos-Rodríguez & Aguirre Rivera (2007)
mencionan que la calidad nutrimental del nopal es muy variable, ya que depende de
factores en los que se encuentra la planta como el genotipo, la edad y las
condiciones agronómicas de producción. Por otro lado, los cambios físicos de la
planta se relacionan con la edad, el vigor y las condiciones ambientales que se
presentan en el lugar donde se encuentra la planta. Vázquez et al. (2007) menciona
que el crecimiento de las plantas de nopal se define como un proceso cuantitativo
irreversible que está relacionado con la producción de brotes, aumento de tamaño,
peso y dimensiones de la planta.
2.1.1 Tipos de nopal
En la tabla 4, se muestran las principales especies de nopal que se localizan en la
región norte de México. Para la región del altiplano oeste, específicamente en
Salinas de Hidalgo, San Luis Potosí, la especie que más comúnmente se encuentra
es O. Streptacantha, generalmente conocida como nopal cardón (Gracia-Herrera
Méndez-Gallegos, Rossel-Kipping, Talavera-Magaña & Hernández-Ríos, 2007).
Menciona Ramadan y Mörsel (2003) que el nopal cardón es aprovechado por su
fruta, como verdura y como forraje.
2.1.2 Estructura de los nopales
Los nopales están conformados por tallos o pencas llamadas “cladodios” que
pueden ser globosos, cilíndricos o aplanados, muy carnosos o leñosos, de color
verde. En ellos se observan manchas circulares grisáceas llamadas “areolas”, sobre
25
las cuales se implantan las hojas transformadas en espinas, y sus flores convertidas
en frutos son conocidos como tunas (Cervantes-Ramírez, 2002). Por ejemplo,
Opunita streptacantha es una planta arbustiva: corteza castaña; altura de 1.60 a
2.90 m y anchura de 2.70 a 3.50 m; con ramas desde la base, de 8 a 10 ramas
erectas, 7 a 11 extendidas y 0 a 3 reclinadas, longitud de 19.00 a 43.00 cm, anchura
de 13.00 a 31.00 cm y grosor de 1.00 a 3.70 cm (Reyes-Agüero, Aguirre, Carlin &
Gonzalez, 2009). Los nopales cuentan con estructuras poliméricas superficiales
que les permiten almacenar y conservar el agua en sus tejidos, con lo cual
sobreviven a la escasez de agua y a las variaciones de temperatura características
de las zonas áridas y semiáridas. Estas estructuras poliméricas, al igual que la
mayoría de las plantas, son llamadas cutícula (Tafolla-Arellano, González-León,
Tiznado-Hernández, Zacarías-García & Báez-Sañudo, 2013).
2.1.3 Cutícula
La epidermis de las plantas está conformada de una capa de células epidérmicas y
de 6 a 7 capas de células hipodermales de paredes celulares gruesas. La última
parte de la epidermis, la cutícula, la forman recubrimientos de cutina, sustancia
lipoide compuesto por una mezcla de ácidos grasos que se polimerizan
espontáneamente en presencia de oxígeno y que repele el agua (Rykaczewski,
Jordan, Linder, Woods, Sun, Kemme, Manning, Cherry, Yarger & Majure, 2016).
La cutícula del nopal en comparación con la mayoría de las plantas es relativamente
gruesa, de 8 a 20 µm. En general, la naturaleza química y la estructura de los
recubrimientos de cutina están diseñadas para minimizar la transpiración, por otra
26
parte, de su color blanco que refleja gran parte de la radiación solar, lo que ayuda a
mantener baja la temperatura del cladodio (Corrales García 2010).
Tabla 4. Las principales especies de Opuntia (Sáenz 2006)
Nombre científico Nombre común
O. streptacantha Cardón
O. leucotricha Duraznillo
O. robusta Tapón
O. cantabrigiensis Cuijo
O. rastrera Rastrero
O. microdasys Cegador
O. lindheimeri Cacanapo
O. engelmannis Rastrero
O. azurea Coyotiyo
O. stenopetala Serrano
O. imbricata Cardenche
O. fulgida Choya
O. choya Choya
O. macrocentra Chivero
O. chrysacantha Espina amarilla
O. lucens Penca redonda
O. duranguensis
O. tenuispina
27
2.1.4 Ceras de la cutícula
Según Tafolla-Arellano et al. (2013) el principal componente de la cutícula es la
cutina, la cual varía desde 40 a 80 % del peso. Según la especie, la cutina es un
polímero constituido principalmente por ácidos grasos de cadena media, los cuales
se encuentran formando enlaces tipo éster entre sí, así como glicerol. De acuerdo
con los enlaces covalentes entre sus monómeros (esto es su composición), la cutina
resiste daños mecánicos evitando así el daño al cladodio y forma la estructura
básica de la cutícula. La función esencial de las ceras epicuticulares e
intracuticulares es evitar la pérdida de agua de la planta por la cutícula (Tafolla-
Arellano et al., 2013).
28
CAPITULO 3. MÉTODOS ANALÍTICOS PARA CERAS Y ORGANOGELES.
3.1 Caracterización de las ceras
La caracterización física de las ceras se realiza de manera composicional, térmica,
reológica y microscópica. La composición de las ceras puede ser analizada por
medio de cromatografía de gases, cromatografía de gases acoplada a
espectroscopia de masas o cromatografía de líquidos acoplado a espectroscopia de
masas. La evaluación microscópica de las estructuras cristalinas desarrolladas por
las ceras o componentes hidrofóbicos se lleva a cabo por medio de microscopia de
luz polarizada (MLP), microscopia electrónica de barrido (MEB) entre otras
(Hartel,2001). Por otro lado, el perfil térmico de las ceras ha sido caracterizado por
medio de un análisis de calorimetría diferencial de barrido o DSC (Diferential
Scanning Calorimetry por siglas en inglés; Hartel, 2001). Finalmente, la
caracterización mecánica y como una medida indirecta de la naturaleza cristalina
de los alimentos puede ser obtenida a través de mediciones reológicas.
3.2 Calorimetría diferencial de barrido
La calorimetría diferencial de barrido es una técnica dinámica experimental que
permite determinar o saber la cantidad de calor que absorbe o libera una sustancia
que es sometida a distintos procesos como lo son: cuando es mantenida a
temperatura constante durante un tiempo determinado o cuando es calentada o
enfriada a velocidad constante en un determinado intervalo de temperaturas
(Suriñach, Baro, Bordas, Clavaguera & Clavaguera-Mora, 1992). La técnica
contiene dos capsulas en donde una contiene las muestras que se van a analizar y
29
la otra que normalmente está vacía y se toma como referencia. Para las distintas
capsulas se utilizan calefactores y un sistema de control, estos con el objetivo de
saber si se producen diferencias de temperaturas entre la muestra y la referencia.
Cuando se llega a detectar diferencia entre las capsulas, los calefactores
individuales se corregirán de tal manera que las temperaturas se mantengan iguales
en las dos capsulas. Esto se refiere a que cuando tiene lugar un proceso exotérmico
o endotérmico, el instrumento equilibra la energía necesaria para que se mantenga
la misma temperatura en las dos capsulas (Suriñach et al. 1992).
La cantidad de calor que se requiere para aumentar la temperatura por el mismo
incremento (ΔT) de una muestra (qs) es mayor que la cantidad de calor requerida
para la referencia (qr) por el exceso de calor absorbido por la muestra (Δq), lo cual
puede representarse en la Figura 6. (Venegas-Vásconez, 2017).
Figura 5. Flujo de calor de un DSC.
30
La cristalización y transiciones polimórficas dan lugar a picos de liberación de
energía, que son detectados por el DSC. Los picos van dependiendo en su mayoría
de la velocidad de calentamiento, o de enfriamiento, de otra manera si las muestras
se reprimen a un calentamiento, algunas veces presentan cambios polimórficos y
comúnmente funden. Para el proceso de fusión se generan picos de absorción de
energía en el DSC. En la Figura 7, se representan las gráficas que se obtienen
nombradas termogramas, en la misma figura hay una representación de cuando se
genera una cristalización de compuestos que resultan en un proceso exotérmico,
entonces el pico que se desarrolla en el equipo DSC se le nombra exoterma (B).
Nuevamente en la misma figura cuando es generado un calentamiento y las
muestras se funden se genera un proceso endotérmico entonces se desarrolla un
endoterma (A) (Hartel, 2001).
Figura 6. A) Diagrama de fusión (endoterma) y B) Diagrama de cristalización
(exoterma) obtenido por DSC.
31
3.3 Reología
La Reología es definida como la ciencia que estudia la deformación y el flujo de la
materia (Steffe, 1992). Se relaciona con la mecánica de deformación de los cuerpos
cuando se le es aplicada una fuerza y es utilizada en el análisis y caracterización de
productos alimenticios.
Se sabe que existen cuerpos sólidos ideales o de otra manera llamados sólidos
Hookeanos en la naturaleza, estos son deformados elásticamente, es decir la
energía que se requiere para la deformación se recupera cuando se retira el
esfuerzo aplicado. Por otro lado, existen fluidos ideales o también nombrados
Newtonianos, como lo son los gases o líquidos, estos son deformados
irreversiblemente, esto quiere decir que fluyen bajo la aplicación de una fuerza y la
energía no se puede recuperar por la acción de retirar el esfuerzo aplicado
(Schramm, 1994). La mayoría de las sustancias que tienen partículas suspendidas,
muestran un comportamiento reológico que los clasifica en una región intermedia
entre los líquidos Newtonianos y los sólidos Hookeanos y de ahí que sean llamados
materiales viscoelásticos (Schramm, 1994). En el caso de los sistemas cristalizados
como las grasas, las coberturas y en general las grasas plásticas, tienen
propiedades de tipo sólido y liquido exhibiendo comúnmente una combinación de
estos componentes en el comportamiento reológico, por lo que son sustancias
viscoelásticas (Matuszek, 2003). Desde una perspectiva analítica, las propiedades
reológicas de los aceites son caracterizadas en términos de sus propiedades de
flujo, como la viscosidad. En el caso de los lípidos cristalizados o sistemas plásticos
sus características viscoelásticas y de flujo (Matuszek, 2003). Para este caso
existen dos formas de medición, la dinámica u oscilatoria y la transitoria (creep). En
32
las pruebas dinámicas u oscilatorias las muestras son expuestas a movimientos
sinusoidales que varían con el tiempo, en el que se aplican deformaciones o
esfuerzos pequeños que no excedan de intervalo de comportamiento de
viscoelasticidad lineal que imposibilite la recuperación del material y destruya la
estructura tridimensional cristalina del sistema. Con estas pruebas es posible medir
el esfuerzo resultante o la amplitud de la deformación con las cuales se obtienen los
componentes elástico y viscoso. Dos de los parámetros comúnmente reportados
para evaluar el comportamiento elástico son el módulo de almacenamiento (G´) y el
módulo de pérdida (G´´), los cuales representan, respectivamente, la cantidad de
energía elásticamente perdida por la disipación viscosa. Por otro lado, la relación
que existe entre el módulo viscoso (G´) y el módulo elástico (G´´) se le conoce como
tangente de Angulo de fase o cambio de fase (δ) (Matuszek 2003, Stanley et al.
1998, Steffe 1992). En sistemas puramente viscosos, como mezclas de grasas y
aceites completamente fundidas, el cambio de fase, δ, es igual a 90° y
subsecuentemente G´=0 y G´´ = G*, donde G* es el módulo complejo (ej., sumatoria
de la componente sólida y la componente viscosa). Sin embargo, durante el
desarrollo de una fase sólida en las mezclas (ej., cristales) se acompaña un
descenso en δ con un correspondiente incremento en el módulo de almacenamiento
(esto es, G´>0). Ahora bien, si el sistema llega a estar completamente cristalizado
(puramente elástico) δ es igual a 0° y por lo tanto G´=G* y G´´ =0. Entonces, cuando
el sistema está completamente líquido, G´<<G” y δ= 90° y durante el proceso de
nucleación (ej., cuando empieza a desarrollarse una fase sólida) G´ incrementa
hasta alcanzar valores superiores a los de G´´ (esto es, G´>G´´) y δ → 0,
indicándonos la presencia de una fase sólida en el sistema (Toro-Vázquez et al.,
33
2002). Una solución diluida, una solución concentrada y un gel muestran un
comportamiento distintivo cuando se someten a un barrido de frecuencia. Según
Steffe (1996) en un gel (Figura 8), G´ tiene valores mayores a G’’ y su
comportamiento es independiente a la frecuencia. Este análisis se lleva a cabo
dentro de la región viscoelástica lineal (RVL) que es la región donde la muestra o
sufre una deformación debido a la fuerza que se le aplica.
Figura 7. Barrido de frecuencia de geles (Steffe 1996)
34
CAPITULO 4. JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS.
4.1 Justificación
La justificación del trabajo se centra en proponer a la cera de la cutícula del nopal
como una nueva alternativa para el desarrollo de organogeles comestibles con
potencial uso en la industria de los alimentos y con esto, contribuir a disminuir los
efectos en la salud derivados del consumo de ácidos grasos trans.
4.2 Objetivos
Evaluar las propiedades térmicas y reológicas de organogeles comestibles a base
de cera de nopal en aceite vegetal.
4.2.1 Objetivos específicos
• Evaluar las concentraciones de cera de nopal en aceite vegetal para el
desarrollo de un organogel.
• Determinar propiedades térmicas, como la temperatura de cristalización,
temperatura de fusión y el calor asociado a la formación de organogeles
elaborados con cera de nopal en aceite vegetal mediante el análisis
calorimetría diferencial de barrido.
• Caracterizar las propiedades de gel de los organogeles por medio de
reología.
35
CAPITULO 5. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
5.1 Materiales y Métodos
La especie del género Opuntia utilizada para esta investigación fue Opuntia
streptacantha; nombre común: cardón potosino. La cual se recolecto en un espacio
de reserva de nopal y maguey dentro del municipio de Salinas de Hidalgo, San Luis
Potosí, México, con las siguientes coordenadas, al norte: 22°42’57.46”, al oeste:
101°47’ 06.20” y una elevación de 2228 m. La recolección de las muestras se llevó
a cabo en los meses de junio a octubre de 2018.
La recolección de los cladodios de esta especie se realizó de forma manual cortando
los cladodios superiores y maduros de la planta. Posteriormente fueron colocadas
en una caja de cartón y refrigeradas a temperatura de 5°C para la conservación de
los mismos hasta la realización de los análisis correspondientes.
5.1.1 Extracción de cera de nopal
La extracción de la cera de nopal se realizó por medio de la técnica de Soxhlet
(método AOCS 963.15). Primero se deshidrato el nopal en un horno de secado por
convección mecánica (BINDER, FD53-UL, Alemania) a 60°C durante 24 horas.
Después, el material deshidratado fue empaquetado en sacos de papel filtro, con
aproximadamente 40 gramos de muestra.
Posteriormente, los costales se situaron en la cámara de extracción del equipo
Soxhlet (Figura 9). El disolvente extractante fue hexano, (Halmek Científica SA. DE
CV. NL., MÉXICO) situado en el matraz, se calienta hasta fase de vapor. Este al
pasar por el ascensor de vapor es condensado y cae, gota a gota, sobre el costal
que contiene la muestra de nopal, extrayendo los analitos solubles. Cuando el nivel
36
del disolvente condensado en la cámara alcanza la parte superior del sifón lateral,
el disolvente más los extractos disueltos, desciende por el sifón y retornan al matraz
de ebullición. Este proceso se repite hasta que se completa la extracción de la
muestra (Núñez, 2008). El disolvente es evaporado y recuperado para posteriores
extracciones. Se realizaron varias extracciones para obtener una cantidad
considerable de muestra para los análisis correspondientes. Finalmente, los
extractos del nopal fueron almacenados en tubos ámbar con taparrosca para
proteger de la luz a las muestras. Estas muestras fueron almacenadas hasta la
realización de las pruebas.
Figura 8. Equipo de extracción Soxhlet con muestra de nopal deshidratada para la
extracción de compuestos hidrofóbicos
37
5.2 Preparación de los organogeles y diagramas de fase
Para la preparación de las mezclas, se utilizó cera de nopal y aceite vegetal
comercial (Canoil ®). Se realizaron mezclas de cera a distintas concentraciones (ej.,
1 a 5%) en aceite vegetal. Las muestras fueron calentadas a 80°C por 30 minutos
hasta lograr una completa disolución de la cera en el solvente (ej., aceite).
Posteriormente, las mezclas se enfriaron hasta alcanzar temperatura ambiente y se
almacenaron al abrigo de la luz hasta los análisis subsecuentes.
Para realizar los diagramas de fase, las muestras fueron calentadas a 80° C por 10
min, posteriormente se agitaron en vortex (Premiere®, Modelo XH-D) por 30
segundos y se enfriaron a temperatura ambiente (ej., 22°C) por 15 min. Se realizó
la evaluación de las características de fase y se determinó la concentración critica
(C*) de las mezclas de manera visual, siendo líquido (sí al invertir el tubo la mezcla
fluye), líquido viscoso (sí la mezcla fluye de manera lenta) y gel (sí la muestra no
fluye).
5.3 Determinación de parámetros térmicos DSC
Para la determinación de los perfiles de cristalización y fusión de las muestras de
cera pura de nopal se llevó acabo por medio del método de calorimetría escaneo
diferencial, DSC (Modelo 2920; TA Instruments, New Castle, DE, USA). En donde
se colocaron 4 mg de muestra en charolas de aluminio, para posteriormente estas
introducirlas al equipo. Después, se procedió a un barrido de temperatura, se
comenzó desde temperatura ambiente hasta observar cambio de estado en las
muestras. El seguimiento térmico que se empleó consta de, borrado de memoria
térmica, mediante un calentamiento de 25°C a 130°C a una velocidad de 5°C por
38
minuto. Para la determinación de la temperatura de cristalización, se realizó un
enfriamiento desde los 130°C a 0°C a una velocidad de 10°C por minuto. Para llevar
cabo la determinación de la temperatura de fusión se estableció un segundo
calentamiento desde los 0°C a 130°C con una velocidad de 5°C por minuto.
Después de los análisis de perfiles de cristalización y fusión se determinaron los
parámetros térmicos de temperatura de cristalización (TCr), temperatura de fusión
(TF) y las entalpias de cristalización y fusión (ΔHCr y ΔHF, respectivamente). Los
parámetros térmicos, así como los termográmas fueron analizados por medio del
software Universal Analisys 2000 (TA Instruments-Waters LLC, Versión 4.5A).
Para la determinación de los perfiles de cristalización y fusión de las muestras de
los organogeles a base de cera de nopal, se realizó la misma técnica descrita en el
párrafo anterior con la diferencia en la temperatura de borrado de memoria térmica
(ej., 80°C). Con el software Universal Analisys 2000 (TA Instruments-Waters LLC,
Versión 4.5A). Se determinaron los mismos parámetros térmicos descritos
anteriormente.
5.4 Propiedades reológicas
Las mezclas de cera de nopal en aceite (1 a 5%) se les determino las propiedades
reológicas de gel con la realización de barridos de frecuencia en un Reómetro
(Anton Paar, modelo 302). Se colocaron aproximadamente 0.5 ml de muestra en el
plato inferior del equipo, se ajustó la geometría de plato-plato (PP25) a un gap de
1mm. El control de temperatura se realizó con un sistema peltier (adjunto en el
equipo). Los diagramas de frecuencia se realizaron desde 0.1Hz hasta 100 Hz a
0.04% de deformación (estos parámetros están dentro de la región viscoelástica
39
lineal), midiendo el módulo elástico (G’) y el módulo de perdida (G’’). Se realizaron
una determinación con sus respectivas réplicas.
5.5. Análisis estadístico
El efecto de la concentración de la cera de nopal sobre los parámetros térmicos (ej.,
Temperatura de cristalización y fusión y entalpías de cristalización y fusión) de los
organogeles se evaluó con un análisis de varianza (ANOVA) y prueba de
comparación de medias de Tukey, aplicando un diseño completamente al azar con
cinco tratamientos 1, 2, 3, 4 y 5 % de cera de nopal (n=2). No hubo tratamiento
testigo para hacer una comparación de resultados. Se usó el paquete estadístico
RStudio (2017).
40
CAPITULO 6. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
6.1 Determinación de los parámetros térmicos de la cera pura
Los resultados obtenidos del perfil de cristalización y fusión de la cera de nopal pura
se muestran en la Figura 10. En donde en el eje de las (x) corresponde a las
distintas temperaturas que se emplearon en °C y en el eje de las (y) describe el flujo
de calor en W/g. La cristalización se muestra con la línea sólida, mientras que con
línea discontinua se muestra la fusión. La lectura de los perfiles de cristalización se
realiza de derecha a izquierda y el perfil de fusión de izquierda a derecha.
Figura 9. Termogramas de cristalización (línea solida) y fusión (línea
punteada) de la cera de nopal pura.
41
Los resultados muestran que alrededor de los 76°C aproximadamente, se presenta
una exoterma (termograma de cristalización) que finaliza alrededor de los 30 °C.
Los resultados de la temperatura de inicio de cristalización obtenidos con el software
del equipo nos muestran que es de 75.59 ± 0.18 °C. Además, la temperatura en la
máxima señal del exoterma (ej., pico) fue de 67.96 ± 0.11 °C, con una entalpía de
cristalización de 173.8 ± 2.7 J/g. Datos similares fueron reportados por Patel et al.
(2015) donde obtuvieron el perfil de cristalización de la cera de girasol pura, la cual
presentó una sola exoterma y determinaron que la temperatura de cristalización fue
de aproximadamente 76 - 77 °C. Yi, Kim, Lee y Lee, (2017) determinaron la
temperatura de cristalización de la cera de carnauba en 77.13 ± 0.12 °C.
Por otro lado, en la Figura 10 también se muestra el termograma de fusión de la
cera de nopal. Se puede observar la presencia de una endoterma formada por el
traslape de dos picos. El primero de los picos, representa la fusión de la mayor
cantidad de compuestos presentes en la cera de nopal. El segundo pico, representa
la fusión de componentes de mayor temperatura de fusión. La temperatura de fusión
de la cera de nopal para el primer pico fue de 73.6 ± 0.2 °C, la temperatura del pico
2 de fusión fue de 79.6 ± 0.1 y la entalpía de fusión fue de 182.2 ± 0.5 J/g. Varios
investigadores han determinado las temperaturas de fusión de diversas ceras
vegetales, en donde la temperatura de fusión de la cera de girasol se encuentra
entre 74 - 77 °C (Jana & Martini; 2016), la cera de carnauba se encuentra entre 80
– 85°C (Blake, Co & Maragoni, 2014). De acuerdo con Patel et al. (2015) la cera de
girasol es un material compuesto por una sola clase de moléculas (ej.,
principalmente esteres de cadena larga), mientras que la cera de carnauba muestra
al menos dos componentes principales en su estructura. Blake et al. (2014)
42
muestran la composición de la cera de carnauba con 84-85% de esteres de cadena
larga y ácidos grasos libres de 3-3.5%, mientras que la cera de girasol contiene del
97-100% de esteres de cadena larga (ver anexo A). Wilkinson y Mayeux (1990)
reportaron la composición de la cera epicúticular de la especie de Opuntia
engelmannii en 97% de esteres de cadena larga y alcanos.
Por lo tanto, las características térmicas de la cera de nopal empleada en esta
investigación se deben muy probablemente a la composición química, similar a la
que presenta la cera de girasol y la cera de carnauba. En otras palabras, las
características térmicas que presenta la cera de nopal se deben probablemente a
su composición de esteres de cadena larga, alcanos, alcoholes de cadena larga y
ácidos grasos libres.
6.2 Determinación de la concentración critica
Se realizaron una serie de dispersiones a partir de la cera de nopal pura en aceite
de canola, con el fin de identificar diferentes comportamientos de los organogeles
como son: la concentración de gelificación crítica y las propiedades de fase de las
mezclas (Figura 11). Se llevó a cabo una prueba visual en donde los resultados
muestran que la cera de nopal a la concentración de 1%, fluyo como un líquido. Las
concentraciones de 2% y 3% fluyeron como líquido viscoso, cuando se invirtió el
tubo que los contenía y finalmente, las concentraciones de 4 y 5% se consideran
geles estables, ya que cuando se invirtió el tubo no fluyeron (inserto en la Figura
11).
43
En una investigación realizada por Patel et al. (2015) donde evaluó diferentes ceras
vegetales (ej., girasol, carnauba, abeja y candelilla) menciona que la evaluación de
la gelificación se llevó a cabo mediante una simple observación de giro del tubo para
identificar los rangos de concentración donde los geles no fluían bajo la influencia
de la gravedad. Se concluyó que las concentraciones críticas de las diferentes
ceras, en donde los porcentajes formaban un gel o no fluían visualmente, fueron
desde 0.5 a 7%. De manera particular, los resultados presentados por la cera de
carnauba muestran que gelifica a una concentración de 4%. Los resultados
mostrados por Patel et al. (2015) tienen una semejanza con los resultados obtenidos
en este trabajo con la concentración de 4%. De esta manera podemos decir que la
cera de nopal en aceite de canola presenta características físicas similares a la cera
Figura 10. Prueba visual y propiedades de fase de las mezclas de cera de
nopal en aceite de canola.
44
de carnauba en aceite vegetal. Este comportamiento se debe muy probablemente
a la composición química de la cera de nopal utilizada en este estudio, la cual puede
ser muy similar a la cera de carnauba (Wilkinson & Mayeux, 1990; Blake et al. 2014;
Patel et al. 2015).
6.3 Evaluación reológica
La evaluación de las propiedades reológicas de las mezclas se muestra en la Figura
12. Se realizaron barridos de frecuencia a 22°C de las mezclas a diferentes
concentraciones de cera de nopal en aceite de canola dentro de la región
viscoelástica lineal. Los resultados de la concentración de 1% y 2% evidenciaron
que las mezclas tuvieron un comportamiento tipo líquido (ver anexo B), donde los
datos de la componente elástica (G’) no se presentaron de manera continua
conforme se incrementaba la frecuencia y los datos de la componente viscosa (ej.,
G”) dominaron en todo el intervalo de frecuencias. Esto indica que la cera de nopal
estaba completamente dispersa en el medio líquido (ej., aceite vegetal).
Por otra parte, los barridos de frecuencia para la concentración del 3% de la cera
de nopal mostraron una pendiente positiva (ej., valores de G’ y G” ligeramente
dependiente de la frecuencia) sin la presencia de un punto de cruce entre los
módulos altas frecuencias. Los organogeles de ácido ricinoleico al 1%, 3% y 5% en
aceite vegetal (Wright & Marangoni, 2018), así como los organogeles de resina
“shellac” (Patel, 2018) presentaron un comportamiento tipo gel débil debido a que
los valores de los módulos (ej., elástico y viscoso) dependían ligeramente de la
frecuencia. Por lo tanto, en base a estas investigaciones y a los resultados obtenidos
en esta investigación, la cera de nopal en aceite de canola a una concentración de
3% se comportó como un gel débil.
45
Figura 11. Barrido de frecuencia de mezclas de la cera de nopal (3%, 4% y
5%) en aceite de canola. G’ (modulo elástico), G” (módulo viscoso) a 25°C.
Cera de nopal 4%
0.05 0.50 5.00 50.00
Frecuencia (Hz)
0.5
5.0
50.0
500.0
5000.0
50000.0
Mo
du
los
G' ,
G"
, ( P
a)
G´
G"
Cera de nopal 5%
0.1 0.5 5.0 50.0
Frecuencia (Hz)
0.5
5.0
50.0
500.0
5000.0
50000.0
Mo
du
los,
G' ,
G"
(Pa)
G´
G"
Cera de nopal 3%
0.05 0.50 5.00 50.00
Frecuencia (Hz)
0.5
5.0
50.0
500.0
5000.0
50000.0
Mo
du
los,
G',
G"
(Pa)
G´
G"
46
La concentración de 4% y 5% tuvieron un comportamiento tipo gel, debido a que los
valores de los módulos a la concentración de 4% (ej., G’≈ 200 Pa y G” ≈ 40 Pa) y
5% (ej., G’≈ 2000 Pa y G” ≈ 400) fueron independientes de la frecuencia hasta un
valor de 10 Hz y 16 Hz, respectivamente. Posterior, las muestras tienen un
incremento en los valores de los módulos (ej., G’ y G”) conforme se incrementa la
frecuencia (ej., 100 Hz) sin llegar a presentarse un cruce de los módulos. Este
mismo comportamiento fue observado en muestras de organogeles de resina
shellac, donde se concluyó a partir de los barridos de frecuencia que los geles no
presentaron un punto de cruce en los módulos debido a que tienen una red de
cristales enredados lo suficientemente estable para prevenir la transición de un gel
a una solución a la temperatura de medición (Patel, 2018). Debido a esto y a los
mencionado por Wright y Marangoni (2018) sobre la ligera dependencia de los
módulos a diferentes frecuencias, los organogeles de cera de nopal en aceite de
canola a 4% y 5% evaluados en esta investigación son considerados como geles
débiles.
La Figura 13 muestra los datos del cambio de ángulo de fase o tan en función de
la frecuencia para las muestras de 3%, 4% y 5% de cera de nopal. De acuerdo con
Steffe (1996), una manera de evaluar las características viscoelásticas de los
materiales es por medio del estudio de “tan " en función de la frecuencia. Donde
para soluciones diluidas y concentradas, un comportamiento líquido (ej., tan > 1)
es encontrado a bajas frecuencias. Por otro lado, un comportamiento tipo sólido (ej.,
tan < 1) es encontrado a frecuencias altas para soluciones concentradas y diluidas.
47
Para un comportamiento tipo gel, los valores de tan son cercanos a cero e
independientes de la frecuencia (Steffe, 1996).
Los resultados presentados en la Figura 13 muestran a frecuencias bajas un
comportamiento tipo gel débil (tan = 0.2, aproximadamente). Sin embargo,
conforme aumenta la frecuencia, los valores se acercan a 1 sin presentar un punto
de cruce, indicando la transición de los materiales de un gel débil a una solución
concentrada sin llegar a este punto. De acuerdo con Wright y Marangoni (2018), un
comportamiento de un gel débil está estabilizado por zonas de unión. Estos
investigadores observaron que los geles de ácido ricinoleico al 5% desarrolla un gel
débil, ya que se observa con una ligera pendiente positiva para G´. Para los geles
de ácido ricinoleico de 1% y 3% a 5°C observaron una dependencia de frecuencia
relativamente mayor y aunque tan < 1 no se observaron puntos de cruce para
estos geles, los resultados sugieren que los geles están estabilizados por zonas de
unión entre la red tridimensional.
Los valores de tan en función de las concentraciones de 3%, 4% y 5% de cera de
nopal tienen un comportamiento similar a lo mencionado anteriormente. El análisis
de los datos indica que, de manera general, el promedio de tan disminuye
conforme aumenta la concentración. Estos valores son lógicos, ya que el incremento
de la concentración multiplica la cantidad de sólidos en la fase oleosa. Sin embargo,
el promedio de los valores de tan independientemente de las frecuencias, son
iguales (ver anexo C). Esto significa que el aumento de las concentraciones
empleadas en este estudio no determina la fuerza de los geles. En otras palabras,
48
no incrementa las zonas de unión de entre las estructuras formadas por la cera de
nopal.
0.05 0.50 5.00 50.00
Frecuencia (Hz)
0.05
0.50
5.00
tan
3%
4%
5%
Figura 12. Determinación de tan de los geles de cera de nopal en aceite de
canola a diferentes concentraciones (i.e, 3%, 4% y 5%).
6.4 Determinación de los parámetros térmicos de los organogeles
La determinación del perfil de cristalización de los organogeles de cera de nopal en
aceite de canola se presenta en la Figura 14. La figura manifiesta el flujo de calor
(W/g) en función de la temperatura (°C). Los resultados muestran que el intervalo
de temperatura de cristalización de los organogeles es de 30 °C a 55 °C. Además,
se observa que a todas las concentraciones se presenta solo un pico de
49
cristalización (exoterma). Como se observó en la sección 6.1, la cera de nopal sólo
presenta un pico de cristalización, propio de su composición, por lo que sus mezclas
en aceite de canola presentaron un solo pico de cristalización. Por lo tanto, a medida
que se aumenta la concentración de las muestras, se incrementa el pico de
cristalización hacia la derecha (de 45.05 °C hasta 55.14 °C). De acuerdo con
Morales-Rueda et al. (2009c) el proceso de cristalización de la cera ocurre debido
a la precipitación de los componentes por efecto de la supersaturación del solvente
cuando se desciende la temperatura.
Figura 13. Termograma de cristalizacion de los geles de cera de nopal en aceite
de canola a diferentes concentraciones.
50
Las temperaturas iniciales de cristalización, así como el área bajo la curva de los
picos o energía de cristalización Hcr, se calcularon con el software (Universal
Analysis 2000, TA Instruments-Waters LLC, 1998-2007). El efecto de la
concentración de la cera de nopal en aceite de canola sobre los parámetros térmicos
de cristalización se encuentra en la Tabla 5. Se puede observar que la temperatura
y el calor de cristalización (Hcr) aumenta conforme se incrementa la concentración.
Sin embargo, los análisis estadísticos indican que la concentración del 1% es
estadísticamente diferente en temperatura y entalpia de cristalización a la
concentración del 5%. Estos resultados son similares a los reportados por Toro-
Vazquez et al. (2007) para cera de candelilla. Sin embargo, aunque el estudio
mencionado no analizó el efecto de la concentración sobre la temperatura de
cristalización de la cera de candelilla, los resultados mostraron que existen
diferencias en las concentraciones extremas estudiadas (ej., 1% y 5%).
Por otro lado, las temperaturas y entalpias de fusión en función de la concentración
se presentan también en la tabla 5. Los resultados manifiestan que la temperatura
de fusión de los organogeles de cera de nopal en aceite de canola son
estadísticamente iguales en todo el intervalo de concentraciones. Además, la
entalpia de fusión presenta un incremento de los valores conforme se incrementa la
concentración. Sin embargo, los resultados indican que solo las concentraciones de
1% y 5% son estadísticamente diferentes.
Para poder observar mejor los parámetros térmicos en función de la concentración
de cera de nopal en aceite de canola se realizó la gráfica 15. Los resultados indican
que conforme aumenta la concentración de cera de nopal, se incrementan la
51
temperatura de cristalización y de fusión de manera logarítmica hasta alcanzar una
meseta (esto quiere decir, que el incremento de las temperaturas es mínimo
conforme se incrementa la concentración, es decir, alcanza un pseudoequilibrio).
Resultados similares fueron reportados por Toro-Vázquez et al. (2007), donde
evaluaron concentraciones similares a las presentadas en este trabajo para cera de
candelilla en aceite de cártamo. Sin embargo, las temperaturas de la cera de nopal
obtenidas (ej., 45°C hasta 73°C aproximadamente) fueron mayores a los resultados
mostrados por la cera de candelilla (ej., 30°C hasta 45°C).
Tabla 5. Parámetros térmicos (Tcr, Hcr, TF, HF) de la cera de nopal a diferentes
concentraciones en aceite.
Concentración
(%) Tcr (ºC) ΔHcr (J/g) TF (ºC) ΔHF (J/g)
1 45.05 ± 3.15 b* 0.10 ± 0.02 c 66.90 ± 2.30 0.12 ± 0.02 c
2 48.29 ± 1.80 a,b 0.53 ± 0.29 b,c 68.24 ± 2.55 0.29 ± 0.01 b,c
3 50.88 ± 2.15 a,b 1.67 ± 0.45 a,b 70.33 ± 2.29 0.61 ± 0.21 a,b,c
4 53.39 ± 2.09 a,b 1.72 ± 0.07 a,b 71.88 ± 1.34 0.78 ± 0.15 a,b
5
Valor -p
55.14± 1.90 a
0.0348
2.61 ± 0.48 a
0.0030
72.74 ± 0.80
0.1255
0.98 ± 0.16 a
0.0071
* Letras diferentes indican diferencia significativa (p<0.005).
52
Además, se puede observar en la figura 15 el efecto de la concentración sobre las
entalpías de cristalización y de fusión. Donde la entalpía de cristalización fue mayor
a la entalpía de fusión desde el 2% hasta el 5% de concentración. Este
comportamiento fue similar al reportado por Toro-Vazquez et al. (2007) para cera
de candelilla, donde los calores de cristalización fueron mayores que los calores de
fusión en el mismo intervalo de concentraciones estudiadas en este trabajo. Sin
embargo, los valores de entalpía reportados en esta investigación fueron muy
inferiores a los valores reportados por Toro Vazquez et al. (2007). Esto se debe
principalmente a la composición de la cera de nopal, ya que esta cera se encuentra
sin refinar y con una cantidad importante de componentes (e.g., clorofila) que no
tienen la capacidad de gelificar al solvente orgánico (ej., aceite de canola). Por esta
razón, se debe de emplear más energía, y por ende disminuir más la temperatura
para poder cristalizar los componentes cerosos de la cera de nopal.
Una vez cristalizados los componentes de la cera de nopal, son fundidos a
temperaturas entre 67°C hasta 73°C aproximadamente (ver tabla 5). Estos valores
son similares a la temperatura de fusión del pico principal de fusión de la cera de
nopal pura (ej., 73.6 °C). Estos resultados indican que la cera de nopal se segrega
del aceite de canola y forma de estructuras tridimensionales débiles, las cuales
dificulta la formación de los geles. Por lo tanto, estas estructuras funden como la
cera de nopal pura, requiriendo calores de fusión bajos.
53
Figura 14. Efecto de la concentración de cera de nopal en aceite de canola en las
temperaturas y entalpías de cristalización (Tcr y Hcr) y temperaturas y entalpías de
fusión (TF y HF).
1 2 3 4 5 6
Concentración (%)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Te
mp
era
tura
(°C
) T
cr
Tf
0
1
2
3
4
5
6
H
(J
/g)
H
cr,
Hf
54
CONCLUSIONES
En la presente investigación, se pudo determinar que la cera de nopal tiene la
capacidad de desarrollar organogeles en aceite vegetal a concentraciones
superiores a 4%. Sin embargo y en base a los resultados obtenidos, se recomienda
realizar procesos de purificación y refinación de los extractos para la optimización
del proceso de gelificación.
Por otro lado, la evaluación de las propiedades térmicas determinó que los
organogeles a base de cera de nopal en aceites vegetales tienen altas temperaturas
de fusión, las cuales limitan el desarrollo de productos comestibles que contengan
en su composición grasas y aceites.
Finalmente se concluye que independientemente de las concentraciones
evaluadas, los organogeles que se desarrollaron fueron geles débiles.
55
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66
ANEXOS
Anexo A. Composición porcentual (%) de diferentes ceras naturales
Material SFX * CRX * SFX ** CRX **
Ester 97-100 84-85 95 62
Ácidos grasos libres 0-1 3-3.5 - -
Alcoholes de cadena larga - 2-3 30 -
Alcanos - 1.5-3 - -
Resinas/Otros 0-3 6.5-10 - -
*Tomado de Blake et al. (2014), **Tomado de Patel et al. (2015).
67
Mezclas de cera de nopal en aceite vegetal
0.5 5.0 50.0
Frecuencia (Hz)
0.5
5.0
50.0
500.0
5000.0
Mo
du
los,
G' y
G",
(P
a)
G' 1% G" 1% G' 2% G" 2%
Anexo B. Mezclas de cera de nopal en aceite vegetal del 1 y 2%, se muestran
completamente liquidas.
68
3 4 5
Concentración (%)
-2
-1
0
1
2
3
4
tan
Media Desviación estandar
Anexo C. Gráfica de la media y desviación estándar de los datos de tan d
independientemente de la frecuencia en función de la concentración de cera de
nopal en aceite vegetal.