Content uploaded by Sandra Pascoe
Author content
All content in this area was uploaded by Sandra Pascoe on Mar 01, 2019
Content may be subject to copyright.
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
Producción y Caracterización de Películas de
Biopolímero de Nopal Opuntia ficus-indica (L.)
Sandra Pascoe Ortiz ₁, Michelle Mendoza Arce ₂
Departamento de Ingenierías, Universidad del Valle de Atemajac, Zapopan,
Jalisco.
Resumen
Los plásticos derivados del petróleo son ampliamente utilizados, durante varios
años han facilitado la vida del hombre, sin embargo han generado múltiples
problemas ambientales. Se ha encontrado que los polisacáridos propios de algunas
plantas pueden ser utilizados como materia prima para la elaboración de plásticos
de origen natural llamados bioplásticos o biopolímeros. El mucílago de nopal es un
polisacárido que puede ser utilizado en la producción de biopolímeros. En el
presente trabajo se obtuvo un ingrediente mucilaginoso de nopal de la especie
Opuntia ficus-indica (L.) con una adaptación de la técnica propuesta por Espino y
otros en 2010, además se utilizó la técnica gel-casting para la producción de
películas de biopolímero de nopal con la finalidad de caracterizarlas
mecánicamente. Se preparan muestras de biopolímero utilizando entre 60 y 70 %
del ingrediente mucilaginoso de nopal en las formulaciones. Las muestras obtenidas
se caracterizaron mecánicamente determinando la dureza, resistencia a la tensión,
% de elongación y la elasticidad. Los resultados mostraron que las formulaciones 1,
2, 3 y 4 que contienen entre un 60 y 65 % de ingrediente mucilaginoso son las que
presentan mayores resistencias a la tensión y dureza, mientras que las
formulaciones 1 y 2 con un contenido de ingrediente mucilaginoso de 60 %
presentan mayor módulo de elasticidad, en cuanto al % de elongación no se
encontraron diferencias estadísticas significativas.
Palabras Clave: Mucílago, biopolímero, resistencia, dureza, elasticidad
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
Introducción
Los plásticos derivados del petróleo son parte integral del mundo actual y han
facilitado la vida del hombre en muchas formas diferentes, pero tienen algunas
desventajas, las materias primas utilizadas para su producción son limitadas y la
forma de deshacerse de ellos conduce a problemas ambientales debido a que su
degradación es lenta, existen estudios en los que se ha reportado que en todo el
mar existen partículas de plástico (De Almeida et al. 2004).
Se han tratado de igualar las propiedades físico-mecánicas de los plásticos
convencionales con plásticos biodegradables de origen natural para que en un
tiempo se logre su incorporación a los mercados y sean una opción rentable en su
utilización (Carballo, 2009).
Los polisacáridos propios de algunas plantas pueden ser utilizados como materia
prima para la elaboración de dichos plásticos naturales, dentro de los polisacáridos
que comúnmente se han estudiado con este fin se encuentra el almidón que está
presente en muchos vegetales entre los que destacan la papa, el plátano (Zamudio
et al. 2007), el maíz y la yuca (Ruiz, 2006).
Otro polisacárido que ha sido estudiado para este fin es el mucílago de diferentes
plantas entre las que destacan el nopal (Peña et al. y Espino et al. 2010) y la sábila
(Restrepo, 2010), estos se han utilizado principalmente para producir películas
plásticas para recubrir alimentos.
El presente trabajo tiene por objetivo producir y caracterizar mecánicamente
películas de biopolímero obtenidas con mucílago de nopal, para encontrar la
formulación que da las mejores características.
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
Marco Teórico
Biopolímeros
Un polímero es un compuesto con una masa molar grande que está formado por
muchas unidades repetidas llamadas monómeros.
Se conocen polímeros naturales y sintéticos, dentro de los polímeros naturales se
encuentran las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos y el hule, muchos
de los polímeros sintéticos son compuestos orgánicos (Chang, 1999).
Los biopolímeros o también llamados bioplásticos son aquellos plásticos de origen
renovable o basados en la biomasa y pueden ser biodegradables o no. Existen
biopolímeros naturales, sintéticos o una combinación de ambos.
Los polímeros biodegradables son los que se pueden degradar por digestión
anaeróbica o con técnicas de compostaje, es decir se vuelven a incorporar a la tierra
de manera natural por acción microbiológica y de hongos, formando agua, dióxido
de carbono y/o metano y biomasa (Quiñones, 2009).
Nopal
La familia Cactaceae mejor conocida como cactáceas es nativa del continente
americano, son plantas dicotiledóneas, suculentas de diversos hábitos y se conocen
más de 1500 especies, dentro de esta familia se encuentra el género Opuntia para
el cual se reporta que en México existen 114 especies mismas que pertenecen a la
subfamilia Opuntioidea.
Este género tiene gran importancia, pues desde épocas prehispánicas se ha
utilizado de diferentes maneras destacando la alimentación humana, forrajes, fines
medicinales y ornamentales. Existe la evidencia de que el nopal ha sido cultivado
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
desde 500 años antes de nuestra era (González et al. 2001), la clasificación
taxonómica se encuentra en la tabla 1 (CONAZA, 1994).
Reino:
Vegetal
Subreino:
Embryophyta
División:
Angioserma
Clase:
Dicotiledoneae
Subclase:
Dialipetalas
Orden:
Opuntiales
Familia:
Cactaceae
Tribu:
Opuntiae
Subfamilia:
Opuntioideae
Género :
Opuntia
Subgénero:
Platyopuntia
Especie:
varios nombres
Tabla 1. Clasificación taxonómica del nopal
El nopal Opuntia ficus-indica (L.) es una planta arbórea que tiene una altura entre 3
y 5 m, posee un tronco leñoso bien definido, con corteza no escamosa, los artículos
o también llamados tallos fotosintéticos, que para este caso son aplanados con
forma ovada se conocen como cladodios y pueden medir hasta 60 cm de largo y 30
cm de ancho, son de color verde oscuro, tienen además aréolas pequeñas distantes
entre sí de 2 a 5 cm y las espinas están prácticamente ausentes o cuando existen
son pequeñas. Cuando florea, las flores miden de 6 a 8 cm de diámetro y de 6 a 10
cm de largo, pueden ser amarillas o anaranjadas, los frutos son ovoides y miden
entre 5 y 10 cm de largo y entre 4 y 8 cm de diámetro, son de color verde claro hasta
anaranjados y contienen abundante pulpa carnosa (González et al. 2001).
La composición química del nopal se puede resumir de la siguiente manera, tiene
un alto contenido de agua que varía entre 90 a 92.5 %, cierta cantidad de minerales
dentro de los que destacan el calcio, potasio, magnesio, sílice, sodio, fierro y
aluminio; además de diferentes glúcidos o carbohidratos y componentes
nitrogenados, en la tabla 2 se encuentra el valor nutrimental del nopal verdura,
referido a 100 g de nopalitos crudos (CONAZA, 1994).
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
El jugo de nopal es el extracto que se obtiene de la molienda y prensado de los
nopales previamente desespinados y cortados, pueden utilizarse equipos
industriales o domésticos, posteriormente se pueden separar los sólidos en
suspensión por medio de una filtración (Valdez et al. 2008)
Proporción comestible
78.00%
Energía
27.00 Kcal
Proteínas
0.17 g
Grasas
0.30 g
Carbohidratos
5.60 g
Calcio
93.00 g
Fierro
1.60 mg
Tiamina
0.03 mg
Riboflavina
0.06 mg
Niacina
0.03 mg
Ácido ascórbico
8.00 mg
Tabla 2. Valor nutritivo del nopal verdura
De acuerdo con el INIFAP el mucílago de nopal está compuesto por L-arabinosa
(47%), D-xilosa (23%), D-galactosa (18%), L-ramnosa (7%) y ácido D-galacturónico
(5%), todos ellos pertenecen al grupo de los monosacáridos (Domínguez et al.
2011).
Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas de los materiales dependen de su composición y
microestructura y son aquellas que describen el comportamiento de un material al
ser sometido a una fuerza o carga, es decir un esfuerzo, los esfuerzos a los que se
someten los materiales dentro de un laboratorio para pruebas son compresión,
tensión, flexión y cortante.
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
El esfuerzo se define como la fuerza que se aplica sobre el área unitaria en la cual
es aplicada, como consecuencia del esfuerzo se produce una deformación en el
material, la deformación unitaria es el cambio de dimensión por unidad de longitud.
Dentro de las propiedades mecánicas más comunes están la resistencia, la
elasticidad, la flexibilidad y la dureza.
El ensayo de tensión consiste en aplicar un esfuerzo de tensión sobre un material
para medir la resistencia al aplicar una fuerza estática o aplicada muy lentamente
sobre el mismo. Con este ensayo es posible calcular el esfuerzo de ingeniería y la
deformación unitaria con las cuales se construye un diagrama de Esfuerzo vs
Deformación.
Del diagrama anterior es posible obtener distintas propiedades mecánicas como son
la resistencia a la tensión, el módulo de elasticidad de Young, el límite elástico, el
punto de fluencia entre otras.
La resistencia a la tensión es el esfuerzo máximo en la curva del diagrama de
Esfuerzo vs Deformación, mientras que el módulo de elasticidad es la pendiente de
la línea recta en dicho diagrama.
La elongación porcentual describe la deformación plástica permanente antes de la
fractura del material y se calcula utilizando los datos de longitud inicial y longitud
después de la fractura del material sometido al ensayo de tensión.
La dureza es otra propiedad importante de los materiales y se determina por medio
del ensayo de dureza, en el cual se mide la resistencia de la superficie de un material
a la penetración de un objeto duro (Askeland y Phulé, 2003).
Materiales y Métodos
1.- Materiales
Para el presente estudio se utilizaron nopales de la misma especie y variedad,
denominada de manera genérica nopal verdura (Opuntia ficus-indica (L.)), los
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
cuales se obtuvieron de los plantíos que se encuentran en el poblado de San
Esteban, en el municipio de Zapopan, Jalisco.
2.- Extracción de ingrediente mucilaginoso de nopal
El método de extracción utilizado es una adaptación del utilizado por Castro en
2013, en este trabajo el nopal no se licúa sino que se muele en un extractor de jugos
casero y no se concentra a baño maría sino que se separa por medio de
decantación, se utiliza de igual manera en forma líquida para la preparación de las
muestras.
3.- Preparación de muestras
Se prepararon seis muestras distintas utilizando los ingredientes en diferentes
proporciones, en la tabla 3 se presentan los porcentajes utilizados de cada uno de
ellos.
Formulación
Ingredientes
1
2
3
4
5
6
Ingrediente
de nopal
60%
60%
65%
65%
70%
70%
Proteína
20%
25%
15%
20%
10%
15%
Plastificante
10%
10%
10%
10%
10%
10%
Cera natural
10%
5%
10%
5%
10%
5%
Tabla 3. Composición porcentual de las muestras obtenidas
Las películas de biopolímero fueron producidas por la técnica de gel-casting
(González et al. 2007). Se agregó la proteína en el ingrediente mucilaginoso de
nopal. El proceso de homogenización se logró mediante agitación de 600 rpm a una
temperatura de 70 °C en una parrilla de agitación magnética marca Thermo
Scientific, modelo SP131015, durante 10 minutos aproximadamente, hasta que la
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
proteína estuvo totalmente disuelta. Se agregaron los demás componentes de la
formulación a la mezcla anterior aún caliente.
La mezcla líquida se vertió en moldes de vidrio refractario rectangulares y en moldes
circulares de plástico con mayor profundidad, se controló el nivel de volumen de la
mezcla vertida puesto que afecta el espesor de la muestra.
Finalmente las mezclas se dejaron secar en condiciones ambientales, hasta que se
solidificó y se pudieron desprender del molde.
Las películas obtenidas fueron cortadas con una navaja utilizando una plantilla para
probeta de 11 cm de largo y 1.8 cm de ancho.
4.- Análisis de muestras
Las muestras fueron sometidas al ensayo de dureza utilizando un Durómetro Shore
clase “A” para plásticos blandos, y al ensayo de tensión en una Máquina Universal
de Pruebas Marca United modelo SFM-10, los datos obtenidos en este último se
utilizaron para determinar la resistencia a la tensión, el % de elongación y el módulo
de elasticidad de Young.
Los resultados de los ensayos fueron sometidos a análisis de varianza (ANVA),
además a la prueba de comparación de medias de Tukey HSD cuando existieron
diferencias estadísticas significativas con un nivel de confianza de 0.05.
Se utilizó el software Statgraphics Centurion 15 para los análisis estadísticos.
Resultados
Las seis muestras fueron sometidas a los ensayos de dureza y tensión para
determinar diferentes propiedades mecánicas de las mismas.
Para el ensayo de dureza en cada muestra se tomaron 2 lecturas y se promediaron,
este experimento se hizo por duplicado, la prueba arrojó los resultados que se
muestran en la tabla 4.
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
Formulación
1
2
3
4
5
6
Dureza
(Shore A)
59.5
58.5
60.5
65
50
46
52
53
39
46
50.5
39.5
Tabla 4. Promedios de dureza
Los resultados del ensayo anterior fueron analizados por medio del Análisis de
Varianza (ANVA) resultando con diferencias estadísticas significativas con un valor
p = 0.0153, se utilizó además la prueba de comparación de medias de Tukey HSD
resultando que la formulación 2 presenta diferencia estadística significativa respecto
a las formulaciones 5 y 6 (Figura 1), la primera reporta mayor dureza, mientras que
no existe diferencia estadística significativa entre las formulaciones 1, 3, 4, 5 y 6, ni
entre las formulaciones 1, 2, 3 y 4.
Figura 1. Prueba de rangos múltiples para dureza
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
Del ensayo de tensión se obtuvieron la resistencia a la tensión, el % de elongación
y el módulo de elasticidad de Young, los experimentos se hicieron por duplicado,
los resultados se muestran en la Tabla 5.
Formulación
1
2
3
4
5
6
Resistencia
a la tensión
(N/mm2)
397.71
557.95
564.28
466.29
290.39
336.6
281.43
425.08
63.66
89.37
144.54
122.95
%Elongación
3.25
10.86
8.23
10.97
2.07
2.42
2.86
2.86
5.27
7.59
4.30
6.81
Módulo de
elasticidad
de Young
(N/mm2)
11.46
8.55
14.7
10.8
4.78
2.55
2.81
1.84
1.08
5.90
1.34
1.58
Tabla 5. Resultados del ensayo de tensión
Los resultados de las pruebas de resistencia a la tensión se analizaron con Análisis
de Varianza (ANVA) y fue encontrado un valor p = 0.0037, posteriormente se realizó
la prueba de comparación de medias de Tukey HSD dando como resultado que
existe diferencia estadística significativa de las formulaciones 1 y 2 respecto a las
formulaciones 5 y 6, presentando mayor resistencia a la tensión las primeras,
mientras que no hay diferencia estadística significativa entre las formulaciones 3, 4,
5 y 6 y entre las formulaciones 1, 2, 3 y 4 (Figura 2), siendo estas últimas las que
presentan mayor resistencia a la tensión.
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
Figura 2. Prueba de rangos múltiples para resistencia a la tensión
Los resultados de resistencia a la tensión obtenidos en el presente estudio superan
los que se han reportado en otros trabajos en los cuales se han producido películas
plásticas comestibles para el recubrimiento de frutos, siendo la formulación 5 la que
da resultados muy semejantes a los reportados para películas con alginato y calcio
(Espino et al. 2010).
Los resultados de % de elongación fueron analizados con Análisis de Varianza
(ANVA), en el cual resulta un valor p = 0.1657, por lo tanto no existe diferencia
estadística significativa entre las formulaciones.
De acuerdo a lo reportado en otros trabajos los resultados de % de elongación del
presente trabajo están por debajo de los obtenidos para películas comestibles
preparadas con diferentes formulaciones, siendo los más parecidos a los reportados
para películas de alginato y alginato-calcio (Espino et al. 2010).
Para el caso del módulo de elasticidad de Young al realizar el Análisis de Varianza
(ANVA) se presenta un valor p = 0.0077, lo cual indica que existen diferencias
estadísticas significativas entre las formulaciones. Al realizar la comparación de
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
medias por el método de Tukey HSD se encontró que las formulaciones 1 y 2
presentan diferencia estadística significativa respecto a la formulación 6, siendo las
primeras las que presentan mayor módulo de elasticidad de Young como se observa
en la Figura 3, no existe diferencia estadística significativa entre las formulaciones
3, 4, 5 y 6 además entre las formulaciones 1, 3, 4 y 5.
Figura 3. Prueba de rangos múltiples para módulo de elasticidad de Young
Conclusiones
Las formulación que resulta con mejores características físico-mecánicas es la 2,
con una composición de 60% ingrediente mucilaginoso de nopal, 25% proteína, 10%
plastificante y 5% cera natural, resultó con la mayor dureza, resistencia a la tensión
y elasticidad, en cuanto a % de elongación no se presentaron diferencias
estadísticas significativas entre las formulaciones. El material plástico obtenido en
el presente trabajo supera en cuanto a resistencia a la tensión a diferentes películas
comestibles formuladas con diferentes materias primas, sin embargo al ser
comparado con materiales plásticos reforzados o los plásticos sintéticos
comerciales su módulo de elasticidad está muy por debajo de los valores
reportados.
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
Agradecimientos
Al Dr. Martín Rabelero Velasco por colaborar en la realización de las pruebas
mecánicas en el laboratorio de Redes Poliméricas del Centro Universitario de
Ciencias Exactas e Ingenierías de la Universidad de Guadalajara.
Referencias
Askeland D.R., Phulé P. P. (2003). Ciencia e ingeniería de los materiales. México,
D.F.: Thomson.
De Almeida A., Ruiz J. A., López N.I. y Pettinari M.J. 2004. Bioplásticos: una
alternativa ecológica. Revista Química Viva. Número 3, año 3. Septiembre.
Castro A. N. G. (2013). El plástico del nopal (una alternativa sustentable).
Universidad Nacional Autónoma de México. Consultado el 3 de marzo de
2015 en:
http://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria21/feria118_01_el_pl
astico_del_nopal_una_alternativa_sustentable.pdf
Carballo G. E. T. 2009. Futuro en los Plásticos. Ciencias. Universidad Nacional
Autónoma de México. No. 96. Octubre – Diciembre. México, D.F.
Chang R. (1999). Química. México, D. F.: Mc Graw Hill.
CONAZA. (1994). Nopal Verdura Opuntia spp.11 de febrero 2016, Instituto Nacional
de Ecología Sitio web: file:///C:/Users/HP%2014-d020/Downloads/71.pdf
Domínguez C. V. S. I., Zegbe D. J. A., Alvarado N. M. D., Mena C. J. (2011).
Extracción y purificación de mucílago de NOPAL. 2 de febrero de 2016, de
INIFAP Sitio web:
http://www.zacatecas.inifap.gob.mx/publicaciones/extMuNopal.pdf
Espino D. J., Ornelas P. J. de J., Martínez T. M.A., Santillán C., Barbosa C. G. V.,
Zamudio F. P. B. y Olivas G. I. (2010). Development and Characterization of
Edible Films Base don Mucilage of Opuntia ficus.indica (L.). Journal of Food
Sicience. Vol 75, Nr. 6, pp. E347-E352.
₁ Maestro en Ciencias en Procesos Biotecnológicos, Docente Universidad del Valle de Atemajac
₂ Pasante de la Licenciatura en Ingeniería Industrial, Universidad del Valle de Atemajac
González D. A., Riojas L. M. E., Arreola N. H. J. (2001). El Género Opuntia en
Jalisco. Guía de campo. Guadalajara, Jalisco: Pandora.
González J., Escobar D. M. y Ossa C.P. 2008. Producción y caracterización de
cuerpos porosos de hidroxiapatita sintética. Revista de la Facultad de
Ingeniería. Universidad de Antioquia N.° 43. pp. 59-66. Marzo.
Peña V. C.B., García N. J. R., Trejo. C., López P. C., García N. F., Aguirre R. J. R.
y Reyes A. J. A. Aprovehcamiento de Opuntia SPP. Como Fuente de
Polisacáricos para Uso Agorindustrial. PDF. Consultado el 18 de mayo de
2015 en:
http://www.sifupro.org.mx/agendas/001693-
001171Nopal_polisac%C3%A1ridos_Proyecto_2.pdf
Quiñones I. J. (2009). Vigilancia Tecnológica Aplicada para Identificar las
Tendencias Tecnológicas en los Biopolímeros y Plásticos Biodegradables.
Informador Técnico, 73, 53-65.
Restrepo F. J. I. y Arisitizábal T. I. D. 2010. Conservación de Fresa (Fragaria x
ananassa Duch cv Camarosa) mediante la Aplicación de Recubrimientos
Comestibles de Gel Mucilaginoso de Penca Sábila (Aloe barbadensis Miller)
y Cera de Carnaúba. Vitae, Revista de la Facultad de Química Farmacéutica.
Volumen 17. No. 3. Universidad de Antioquía, Medellín, Colombia. pp 252-
263.
Ruiz A. G. 2006. Obtención y caracterización de un polímero biodegradable a partir
del almidón de yuca. Ingeniería y Ciencia. Volumen 2, No. 4. pp 5-28.
Valdez C. R. D., Blanco M. F., Vázquez A. R. E. y Magallanes Q. R. (2008).
Producción y usos del nopal para verdura. 10 de febrero de 2016, de Revista
Salud Pública y Nutrición Sitio web:
file:///C:/Users/HP%2014-d020/Downloads/01.pdf
Zamudio F. P.B., Bello P. L. A., Vergas T. A., Hernández U. J. P. y Romero B. C. A.
2007. Caracterización parcial de películas preparadas con almidón oxidado
de plátano. Agrociencia. 41. pp. 837-844.