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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

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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,

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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

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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.

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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).

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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

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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).

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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.

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(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)

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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)

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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).

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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,

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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.,

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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).

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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

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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.

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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.

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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

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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.,

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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)

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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.

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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

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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

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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

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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

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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).

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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.

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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)

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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).

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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.

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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.

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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"

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"

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"

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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.

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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,

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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

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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.

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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

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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).

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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.

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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

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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.

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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).

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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.

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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.