Elaboración y Caracterización Mecánica de Películas Degradables

IX CONGRESO DE CIENCIA DE LOS ALIMENTOS y V FORO
DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS
Elaboración y Caracterización Mecánica de Películas Degradables de Polietileno y
Almidón de Plátano Modificado
1, 2
Apolonio Vargas Torres
Paúl Baruk Zamudio-Flores1, René Salgado-Delgado2 y Luís
Arturo Bello-Pérez1
1. Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del IPN. Km 8.5 carr. Yautepec-Jojutla, Col. San Isidro,
C.P. 62731 Yautepec, Morelos, México. Fax: + 52 735 3 94 18 96, e-mail: [email protected]
2. Instituto Tecnológico de Zacatepec. Posgrado-Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica.
Calzada Tecnológico Número 27, Zacatepec, Morelos, México. C.P. 62780. Teléfono: 0173431394
Ext. 267 y 268.
Resumen
El almidón fue aislado del plátano macho verde (Musa Paradisiaca L.) y modificado
químicamente por oxidación con NaOCl al 2% de cloro activo y acetilado con anhídrido
acético. Se cuantificó el porcentaje de nuevos grupos funcionales introducidos a la molécula
de almidón durante la modificación química. Las películas fueron elaboradas por extrusión
usando almidón de plátano oxidado y acetilado a diferentes concentraciones mezclándolo
con polietileno de baja densidad (PEBD). Estudios mecánicos como esfuerzo de tensión,
modulo elástico y porcentaje de elongación de las películas fueron evaluados. El esfuerzo de
tensión y el porcentaje de elongación al rompimiento disminuyeron cuando el contenido de
almidón en la película incrementó. Un patrón inverso fue mostrado para el modulo elástico.
La modificación química y la concentración de almidón en la matriz del polietileno influyeron
en las propiedades mecánicas de las películas degrádables.
Abstract
Starch was isolated from unripe bananas (Musa Paradisiaca L.) and modified chemically by
oxidation with NaOCl to 2% of active chlorine and acetylated with acetic anhydride. The
percentage of new functional groups introduced to the molecule of starch was tested. The
films were elaborated by extrusion using oxidized and acetylated starches to different
concentrations blending with low density polyethylene (LDPE). Mechanical studies such as
tensile strength, elastic modulus, and percent elongation at break of the films were evaluated.
The tensile strength and percent of elongation at break diminished when starch content in the
film increased.
An inverse pattern was shown for the modulate elastic. The chemical
modification and the starch concentration in the matrix of the polyethylene influence the
mechanical properties of the degradable films.
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Introducción
El crecimiento de la humanidad es exponencial lo que ha creado que esta, para satisfacer
sus necesidades este explotando la tierra sin límites, extrayendo materiales para la industria.
La capacidad del planeta para absorber o transformar los desperdicios que resultan de una
vida moderna parece ser imposible, por lo que, en años recientes se le ha dado una gran
importancia a la acumulación de desechos sólidos en el medio ambiente. Dentro de los
desechos sólidos se ha puesto gran atención a los materiales plásticos, debido a su
producción en rápida expansión, además de su difícil o nula degradación. El uso de plásticos
sintéticos se ha extendido ampliamente en el mercado, debido a sus propiedades
consistentes en peso ligero, hidrofobicidad, estabilidad química, resistencia especial a los
químicos corrosivos y al deterioro biológico. Esto lo caracteriza de ser difícilmente
biodegradables y permanecer durante siglos en la naturaleza. De todos los sectores de
aplicación de los materiales plásticos, el 60 % representa los que desechan en corto tiempo y
se utilizan sobre todo en empaques, envases y agricultura. Por lo que esfuerzos apreciables
son enfocados a dar una solución a este problema, ya que en los últimos diez años se ha
puesto gran interés en el desarrollo de nuevos plásticos biodegradables que posean
propiedades comparables con estos polímeros a un costo equivalente (Odusanya et al.,
2000).
Un polímero biodegradable es un compuesto de alto peso molecular que mediante la acción
de micro y/o macroorganismos o enzimas, se degrada a compuestos de bajo peso molecular.
Dentro de los polímeros naturales y en vista de su disponibilidad, bajo costo y
biodegrabilidad, el almidón ha sido ampliamente empleado en los últimos años como un
aditivo para polímeros sintéticos. Empezando por los intentos de usar el almidón tanto como
una carga granular como en su estado plastificado (Ke and Sun, 2001), varios sistemas
biodegradables a base del almidón han sido descritos en la literatura. El almidón al ser
consumido por microbios o enzimas incrementa el área superficial por la creación de poros y
se favorece las reacciones de oxidación (Wool et al., 2000). Esta reacción se acelera
también por la luz ultravioleta, humedad y temperatura, entre otros factores, conduciendo a
una reducción de la cadena polimérica del polietileno.
Materiales y Métodos
El polietileno de baja densidad (PBD 20020P; IF = 2 g/10 min), fue adquirido en PEMEX
(Coatzacoalcos, Ver., México).
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Obtención del Almidón (AN).
Los plátanos verdes (Musa paradisiaca) fueron comprados en el mercado de Cuatla
Morelos, México. El almidón fue aislado usando el método a nivel planta piloto
propuesto por Flores-Gorosquera et al., (2004).
Modificación por oxidación
La oxidación del almidón de plátano fue realizada usando la técnica reportada por SánchezRivera et al. (2005). El contenido de grupos carboxilos y carbonilos del almidón oxidado
(AO) fueron determinados por la metodología propuesta por Chattopadlhyay et al. (1997) y
Smith (1967), respectivamente.
Acetilación del almidón (AA).
La modificación por acetilación del almidón (AA) fue realizada por el método propuesto por
Wuzburg (1986).
Elaboración de las películas
Las películas fueron preparadas mezclando almidón de plátano, glicerol y polietileno de baja
densidad (PEBD) (ver tabla 1). Se utilizó un extrusor de doble usillo (C. W. Brabender,
Instruments. Inc. So Hackensack, N, J). Las zonas de calentamiento fueron de 145, 160, 175
y 150 ºC. La velocidad del tornillo fue 15 rpm y el (L/D) de 25/1.
Propiedades mecánicas
En los estudios mecánicos se determinó el esfuerzo a la tensión (ET), porcentaje de
elongación al rompimiento (% E), y Modulo elástico (ME). Los módulos fueron obtenidos de
la curva de fuerza contra deformación usando un Textura Analyser (TA-XT2i) (Stable Micro
Systems, Haslernere, UK, y Textura Technologies corp., Scarsdale, N.Y) equipado con una
celda de 25 kg. Las muestras fueron preparadas siguiendo el método oficial de la ASTM D
638M – 93. La velocidad de deformación fue de 0.9 mm/min.
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Muestra
AN20
AN30
AN40
AA20
AA30
AA40
AO20
AO30
AO40
Tabla 1. Mezclas de las películas preparadas por extrusión (%)
Almidón
Almidón
Almidón
Glicerol
Polietileno de Baja
Nativo
Acetilado
Oxidado
Densidad
20
10
70
30
10
60
40
10
50
20
10
70
30
10
60
40
10
50
20
10
70
30
10
60
40
10
50
Resultados y discusión
Grado de sustitución de la modificación química del almidón de plátano. El contenido
de grupos acetilos y el grado de sustitución evaluado en el almidón de plátano
acetilado fueron de 1.19 % y 0.04, respectivamente. Estos valores son considerados
bajos en grado de sustitución para almidones modificados por acetilación. La
acetilación del almidón incrementa la adhesión con el polietileno, porque esta
modificación química cambia los grupos funcionales de la molécula almidón de
grupos hidrofilicos a grupos hidrofobicos. Bello-Pérez et al., (2000), reportó valores
para almidón acetilado en plátano de 1.1 % con fines de uso alimentario. BetancurAncona et al., (1997), mediante dos técnicas diferentes para la acetilación del
almidón reportó valores en grupos acetilos de 0.94 y 2.48 %, valores similares a los
reportados en esta investigación. La oxidación del almidón de plátano fue evaluada
con el porcentaje de grupos carbonilos (0.09 %) y carboxilos (0.12 %). La cantidad de
grupos carboxilos fue más alta que los grupos carbonilos, debido a que, la oxidación
fue llevada acabo bajo condiciones alcalinas (pH 9.5), y bajo estas condiciones de
reacción se favorece el aumento de grupos carboxilos
mas que en condiciones
acidas o usando peroxido de hidrogeno (Parovuori et al., 1995). Valores similares
fueron reportados en almidón de maíz oxidado con 2 % de NaOCl, para grupos
carbonilos (0.06 %) y carboxilos (0.14 %) (Kuakpetoon and Wang, 2001).
Propiedades mecánicas. Se observó en general, que cuando se incrementa el
contenido de almidón en las películas las propiedades mecánicas disminuyeron,
excepto en las películas elaboradas con almidón nativo de plátano (Tabla 2), ya que
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no mostraron diferencias estadísticas significativa (p<0.05). Comportamiento similar
fue reportados por Mani and Bhattacharya (1998). Cuando una segunda fase es
adicionada a la matriz de un polímero sintético un grado de incompatibilidad es
obtenido, lo que produce una disminución en las propiedades mecánicas. Este
comportamiento de disminución de las propiedades de esfuerzo de tensión con el
incremento en el contenido de almidón fue reportado en las películas elaboradas con
mezclas de almidón/polietileno de baja densidad, en donde el almidón actúa como un
relleno no reforzante (Pedrosa and Rosa, 2005). Cuando los valores de esfuerzo de
tensión de las películas con 20 % de almidón fueron comparados con las películas
elaboradas con almidón modificado mostraron valores mayores que las preparadas
con almidón nativo. Esto es debido a la introducción de grupos funcionales durante la
modificación química del almidón, lo que incrementa el carácter hidrofóbico y mejora
la compatibilidad entre el almidón y el polietileno. Las películas elaboradas con
almidones modificados mostraron un incremento en el esfuerzo de tensión cuando
los grupos C=O incrementaron (Yeon et al., 2006). Las películas elaboradas con 30
% de almidón, no mostraron cambios en el esfuerzo de tensión. En general, las
películas elaboradas con 40 % de almidón mostraron un patrón similar que las
películas elaboradas con 30 % de almidón. Este patrón puede ser debido a que
cuando la concentración de almidón en la película incrementa, el esfuerzo de tensión
es afectado por esta parámetro más que la modificación química del almidón
(Santayanon and Wootthikanokkhan, 2003).
El modulo elástico mostró un patrón inverso al del esfuerzo de tensión, ya que lo
valores incrementaron cuando la concentración de almidón en la película aumentó.
Esto puede ser explicado por: la cristalinidad del almidón y por la formación de
enlaces de hidrogeno que produce una especie de endurecimiento de los gránulos
de almidón (Chandra and Rustgi, 1997). Thakore et al. (2001), reportaron en
películas de almidón de maíz/PEBD y con almidón de maíz modificado/PEBD, que
los módulos disminuyeron cuando el contenido de almidón en la mezcla aumentó,
mencionando que la cristaliniad del almidón y los enlaces de hidrogeno tienen un
papel muy importante en este comportamiento. El incremento en el modulo elástico
fue más alto en las películas elaboradas con almidón de plátano modificado, ya que
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estos almidones son más susceptibles a producir mayor cantidad de enlaces de
hidrogeno con las cadenas del polietileno, porque se reportó que la cristalinidad de
los almidones oxidados de plátano no es tan diferente a la de su almidón nativo
(Rivas-González, 2006).
Los valores de elongación disminuyeron cuando la concentración de almidón
aumentó. El mayor efecto fue mostrado entre las películas elaboradas con 20 y 30 %
de almidón, debido a que la diferencia entre estos dos valores fue mayor. Este efecto
esta relacionado con el endurecimiento de los gránulos de almidón, ya que a altas
concentraciones de almidón se crea un fase discontinua en la matriz del polietileno y
por lo tanto, hay una baja interacción interfacial entre el almidón y el polietileno (Kim
and Lee, 2002). Las películas elaboradas con 20 % de almidón modificado
presentaron valores mayores en la elongación. Sin embargo, hay reportes que
muestran que a concentraciones de almidón mayores al 20 % se produce un efecto
negativo en la elongación (Arvanitoyannis et al., 1998). Adicionalmente, la
modificación química del almidón incrementa las propiedades hidrofóbicas del
almidón promoviendo la compatibilidad del almidón con el polietileno en la película
(Kim and Lee, 2002).
Tabla 2. Propiedades mecánicas de las películas elaboradas con almidón nativo y almidón
modificado de plátano en mezcla con polietileno de baja densidad
Esfuerzo de Tensón
Modulo Elástico
(%) Elongación
Muestra
(MPa)
(MPa)
AN20
7.76 + 0.80a,A
190 + 25a,A
46.73 + 2.41a,A
AN30
8.44 + 0.28ª,c,B
261 + 10.9c,B
15.99 + 1.11d,B
,B,A
e,C
AN40
8.54 + 0.39ª
326 + 16.9
12.67 + 0.19f,C
AA20
AA30
AA40
9.95 + 0.36b,C
9.10 + 0.85c,D
6.23 + 0.67e,E
210 + 27.9a,D
294 + 31.2d,c,E
437 + 25.5f,F
61.28 + 2.58b,D
10.61+ 0.60e,E
8.97 + 1.49g,F
AO20
AO30
AO40
9.27 + 1.32b,F
8.86 + 0.31c,G
7.74 + 0.42d,H
106 + 38.3b,G
327 + 24.9d,H
564 + 35g,I
66.46 + 2.80c,G
10.62 + 1.94e,H
6.46 + 0.10h,I
1. Media de 6 replicas + error estándar.
2. Letras minúsculas representan el efecto de la modificación del almidón.
3. Letras mayúsculas representan el efecto de la modificación del almidón.
Medias en las columnas que no comparten las mismas letras minúsculas son significativamente diferentes (α =0.05).
Medias en las columnas que no comparten las mismas letras mayúsculas son significativamente diferentes (α =0.05).
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