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ÍNDICE GENERAL
Página
I. DATOS GENERALES
3
1.1. Nombre del Proyecto 3
1.2. Ubicación geográfica 3
1.3. Período de ejecución 3
1.4. Facultades que presentan el Proyecto
3
1.5. Ejes temáticos prioritarios y línea de investigación 3
1.5.1.
Eje temático 3
1.5.2. Línea de investigación
3 II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3
2.1. Antecedentes del problema 3
2.2. Definición del problema
4 2.3. Formulación del Problema 4
2.4. Justificación e importancia 4
2.5. Limitaciones 4
III.
OBJETIVOS
5
3.1.
Objetivo general
5
3.2.
Objetivos específicos 5
IV.
MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL 5
4.1. Antecedentes de la investigación
5
4.1.1.
Sacha inchi
5
4.1.2.
Bioempaques o biopelículas
8 4.2. Definición de términos
8
4.3. Bases teóricas
9
4.3.1.
Composición del Sacha inchi 9
4.3.2.
Procesos de elaboración de películas biodegradables (bioempaques) 10
4.3.2.1. Tipos de películas biodegradables
12
4.3.2.2. Películas biodegradables de proteína 12
4.4.
Hipótesis
13
4.5.
Sistema de variables
13 4.6.
Escala de medición 13
V.
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 14 5.1. Tipo de investigación
14 5.2. Nivel de investigación
14 5.3. Diseño de investigación
14
5.4.
Cobertura de investigación
16
5.5.
Fuentes, técnicas e instrumentos de investigación
16
5.6.
Procedimiento y presentación de datos 20
5.7.
Análisis e interpretación de datos
20
VI.
ASPECTOS ADMINISTRATIVOS 20 6.1. Cronograma de actividades
20
6.2. Asignación de recursos
20
6.3.
Presupuesto o costo del proyecto
21
6.4.
Financiamiento 21
VII.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 21
I.
DATOS GENERALES
1.1. Nombre del Proyecto
“Diseño y producción de películas biodegradables empleando torta de sacha inchi y glicerol”
1.2. Ubicación geográfica
2
El trabajo de investigación se realizará en los Laboratorios de Investigación, Control de Calidad
e Ingeniería y Diseño de la Facultad de Ingeniería Agroindustrial de la UNSM–T, Ciudad
Universitaria, Morales, Provincia y Región San Martín.
1.3. Período de ejecución del Proyecto
El proyecto tendrá una duración de nueve meses, de Abril 2014 a Diciembre 2014.
1.4. Facultad (es) que presentan el Proyecto
Las Facultades que estarán a cargo de la ejecución del proyecto serán la Facultad de Ingeniería
Agroindustrial y la Facultad de Educación y Humanidades (a través del Departamento
Académico de Ciencias Básicas).
1.5. Ejes temáticos prioritarios y línea de investigación
1.5.1 Eje temático
Conservación, aprovechamiento y gestión sostenible de los recursos naturales
1.5.2 Línea de investigación
Procesos agroindustriales de la producción agropecuaria y forestal de la Región San Martín
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1. Antecedentes del problema
En las últimas décadas el interés por sustituir a los polímeros sintéticos, que actualmente son
utilizados como material de embalaje, está en aumento. Los materiales sintéticos garantizan
una protección adecuada para diversos tipos de productos, pero presentan el inconveniente de
no ser biodegradables, por tanto de difícil reciclaje, siendo responsables por gran parte de los
residuos plásticos que se acumulan en el medio ambiente. Estos materiales contribuyen en un
alto porcentaje del total de desperdicios en el mundo, causando serios disturbios ecológicos.
Desde la década del 70 del siglo pasado, se han estudiado biopolímeros polares como
polisacáridos y proteínas para sustituir los materiales plásticos derivados del petróleo,
presentando como gran ventaja sobre ellos su característica biodegradable.
De otro lado, en la región San Martín existe una gran variedad de materias primas que podrían
ser utilizadas en la producción de biopelículas y películas comestibles, tal como la torta de
sacha inchi, subproducto de la industria aceitera, que posee un alto contenido de proteínas.
3
2.2. Definición del problema
La posibilidad de producir embalajes biodegradables a partir de materia prima de origen vegetal
es un concepto atractivo, que ha sido poco estudiado en el país y en la Región San Martín. Las
ventajas para la naturaleza serian considerables. Por un lado serian aprovechados al máximo
los recursos generados, evitando el desperdicio, y por otro se disminuiría el volumen de basura
no biodegradable, que actualmente representa un problema creciente y sin soluciones a corto y
mediano plazo.
2.3. Formulación del Problema
¿Es factible desarrollar películas biodegradables o comestibles (bioempaques), con
características físicas y mecánicas adecuadas para su uso en alimentos, empleando torta de
sacha inchi y glicerol como plastificante?
2.4. Justificación e importancia
En la Región San Martín se viene incrementando la producción de sacha inchi y, en
consecuencia, la cantidad de torta resultante del proceso de extracción de aceite. Esta torta, que
tiene un alto contenido de proteínas, puede ser utilizada para la producción de películas
biodegradables (bioempaques), diversificando los usos de este subproducto, y contribuyendo
en la sustitución de los empaques plásticos que afectan al ambiente.
En este contexto, a través de la presente propuesta de investigación se pretende determinar la s
condiciones adecuadas para producir biopelículas con adecuadas características físicas y
mecánicas, que puedan ser empleadas en alimentos. Así mismo, el desarrollo de la presente
propuesta puede contribuir para iniciar las relaciones entre Universidad, empresa y productores
agrarios, como ocurre en otros países, como también para mejorar la formación profesional de
los estudiantes mediante la investigación aplicada.
2.5. Limitaciones
La Facultad de Ingeniería Agroindustrial de la Universidad Nacional de San Martín, pese a
contar con docentes con experiencia en el campo de investigación agroindustrial, formados
principalmente en universidades del exterior, tiene limitaciones en cuanto a instalaciones y
equipos de proceso, lo cual puede ser parcialmente superado con la adquisición de materiales
y equipos requeridos para la presente propuesta de investigación.
III. OBJETIVOS
3.1. Objetivo general
4
Obtener películas biodegradables, con adecuadas características físicas y mecánicas, a partir de
torta de sacha inchi y glicerol.
3.2. Objetivos específicos
Evaluar el comportamiento reológico de las soluciones filmogénicas, a partir de las cuales se
forman las películas biodegradables, antes del secado.
Evaluar el efecto de la concentración de torta de sacha inchi y glicerol en las propiedades físicas
y mecánicas de las películas biodegradables obtenidas.
Fijar la isoterma de adsorción de vapor de agua de las biopelículas obtenidas.
IV. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL
4.1. Antecedentes de la investigación
4.1.1. Sacha inchi
Sacha inchi (Plukenetia volúbilis L.) (Figura 1) conocido también con los nombres de:
“Sacha Inchic”, “Sacha Maní”, “Maní del Inca”, “Maní del Monte” , “Maní Jibaro”, “Inca
Peanuts”, es una planta de la Amazonía Peruana conocida por los nativos desde hace miles de
años, la utilizaron los preincas y los incas como lo testimonian cerámicas encontradas en
tumbas (huacos Mochica-Chimú). La “Porra” o “Mazo” esta inspirada en la cápsula de 04
puntas del fruto (Proamazonia, s/a).
(a)
(b)
Figura 1. Fruto de Sacha Inchi (Plukenetia volúbilis L.)¸(a), verde; (b), maduro.
El "sacha inchi" es un producto de consumo muy popular en la población nativa y mestiza de
algunas áreas rurales de San Martín. La semilla actualmente se consume tostada, cocida con
sal, en confituras (turrón), en mantequilla y como ingrediente de diversos platos típicos como:
inchi cucho (ají con maní), lechona api (mazamorra de plátano con maní), inchi capi (sopa de
gallina con maní o sopa de res con maní), en los cuales reemplaza al maní. En algunos lugares
5
se obtienen aceites en forma artesanal para la alimentación y combustible de iluminación. Los
frutos son cápsulas de 3 a 5 cm. de diámetro, dehiscentes de color verde intenso, cuando
maduran son de color marrón oscuro (Figura 1.b); usualmente presentan 04 lóbulos, pero
algunos frutos presentan de 05 a 07 lóbulos; las semillas se encuentran dentro de los lóbulos de
las cápsulas; miden de 15 a 20 mm. de ancho, por 7 a 8 mm de espesor; el peso de Semillas,
varia de 0,8 a 1,4 gr; en las semillas se encuentran los cotiledones a manera de almendras,
cubiertas de una fina película blanquecina que cubre a la almendra que es la materia prima
para la extracción del aceite; las semillas contienen de 49 a 54 % de aceite; composición de la
Semilla es de 33 a 35% de Cáscara y 65 a 67% de almendra.
Según Arévalo (s/a) y Valles (1990), el contenido de proteínas del Sacha Inchi es de 33%, y su
perfil de aminoácidos, en algunos aspectos, es mejor que el de las otras semillas oleaginosas.
Los niveles de leucina y lisina son más bajos que los de la proteína de la soya, aunque igual o
mayor que los niveles de la proteína de maní, semilla de algodón o del girasol. El contenido
de aminoácidos azufrados (metionina + cistina), tirosina, treonina y triptófano es mayor que en
las otras oleaginosas. Agroindustrias Amazónicas (2005) reportó que el contenido de aceite es
de 54% y su perfil de ácidos grasos es como sigue: palmítico, 3,85%; Esteárico, 2,54%; Oleico,
8,2%; Linoleico, 36,8 % y Linolénico 48,6 %. El aceite, por provenir de una especie vegetal,
carece de colesterol, el sabor ligeramente amargo de la almendra cruda, que desaparece durante
el cocido, el tostado y en la cocción por microondas (Arévalo, s/a).
La cantidad de hectáreas sembradas y la producción de sacha inchi en la Región San Martín se
presentan en el Cuadro 1. Puede verse que, entre los años 2005 y 2010, la producción se
incrementó notoriamente, con el consecuente aumento de la extracción de aceite, destinado
principalmente a la exportación, y de torta considerada como subproducto de la industria
aceitera.
El potencial agroindustrial del sacha inchi se presenta en la Figura 2, en la cual se consideran
diversas aplicaciones para el aceite y la torta, que en la forma de harina podría ser utilizada
para la producción de bioempaques; mientras que en la Figura 3 se presenta el proceso de
extracción de aceite.
Cuadro 1. Área sembrada y producción de Sacha inchi en la Región San Martín
Año
Superficie en verde
(Hás)
Superficie cosechada
(Hás)
6
Producción
(TM)
2005
1156
0
2006
1267
209,5
115,4
2007
1159
524
1447,25
2008
1755,5
882,5
2635,89
2009
1950,5
694,5
2165,65
2010
1922
742
2413,48
2011
1925
396,8
Fuente: GORESAM, DRASAM, Dirección de Estadística Agraria, Área de Estadística
Agraria, 2014.
Figura 2. Potencial agroindustrial del sacha inchi (IIAP, 2009)
7
Figura 3. Proceso de extracción de aceite de sacha inchi (Chirinos et al., 2009)
4.1.2. Bioempaques o biopelículas
El empleo de embalajes o envolturas comestibles para la protección de alimentos se practica de
forma empírica desde hace mucho tiempo. Por ejemplo, podemos citar la protección frente a la
desecación e intercambios gaseosos de trozos de carne mediante recubrimiento con grasa (que
se practica en Europa desde el siglo XVI), de algunos productos de bollería con azúcar o
chocolate o de ciertas frutas por recubrimiento con películas de cera (practicado en China desde
el siglo XII) (Bureau y Multón, 1995).
El empleo de “hojas” lipoproteicas, obtenidas mediante secado de la “piel” formada durante la
ebullición de la leche de soja, se utiliza tradicionalmente en Asia como material de embalaje
para mejorar la presentación o conservación de ciertos alimentos. Algunos alimentos naturales,
por ejemplo, el pan, disponen de una capa superficial protectora, la corteza, que se forma a lo
largo de distintas operaciones como por ejemplo, la cocción, el secado o la fritura (Bureau y
Multón, 1995).
4.2. Definición de términos
Materia prima. La materia extraída de la naturaleza y que se transforma para elaborar
materiales que más tarde se convertirán en bienes de consumo.
Biopelícula. Película formada por materiales biodegradables (polisacáridos, proteínas, grasas),
que puede ser utilizada como empaque.
8
Comportamiento reológico. Comportamiento de los materiales durante el flujo o sometidos a
un esfuerzo.
Propiedades mecánicas. Propiedades relacionadas con la resistencia de un material ante
solicitaciones externas (tensión, compresión).
Propiedades físicas. Atributos relacionados con la solubilidad, permeabilidad al vapor de agua,
permeabilidad a los gases, adsorción de vapor de agua.
4.3. Bases teóricas
4.3.1. Composición del Sacha Inchi
El sacha inchi ha sido objeto de varios estudios para la determinación de su composición
química. La composición proximal del Sacha inchi proveniente de la Región San Martín,
reportada por diferentes investigadores, es mostrada en el Cuadro 2; en el se puede observar
que en el contenido de grasa y carbohidratos reportados difieren en gran medida, no ocurriendo
esto en el contenido de proteínas, debido esto, posiblemente, al diferente lugar de cultivo.
Cuadro 2. Análisis químico proximal de la almendra de Sacha Inchi
(%) (1)
(%)(2)
(%)(3)
Humedad
6,50
8,5
7,9
Grasa
51,59
41,7
40,5
Proteína
26,70
27,4
25,8
Ceniza
2,60
2,1
2,0
Fibra
3,44
2,5
3,0
Carbohidratos
9,17
17,7
20,8
Componentes
(1)
Vela (1995); (2)Ecotipo Lamas (Benavides y Morales, 1994); (3) Ecotipo Shanao
(Benavides y Morales, 1994)
Medina et al. (2007), en el estudio de la influencia del piso ecológico en la composición
proximal del sacha inchi, reportaron que, como se observa en Cuadro 3, el porcentaje de
proteínas obtenido del Sacha inchi proveniente del Pongo de Cainarachi fue elevado en
comparación a los valores obtenidos de las semillas provenientes de pisos ecológicos de mayor
altitud, notándose un aumento del contenido de proteínas con la disminución de la altitud. El
contenido de grasa total obtenido en todas las muestras se encontraron en el rango reportado
9
por otros autores; notándose una aparente disminución de los valores obtenidos con la
disminución de la altitud.
Cuadro 3. Análisis Proximal de Sacha Inchi provenientes de cuatro pisos ecológicos
Naranjos Chirapa 808
1134 msnm
msnm
300 msnm
Pongo de
Cainarachi
Ahuashiyacu
Humedad, %
7,64
4,08
4,69
6,88
Proteínas crudas, %
33,11
33,4
34,97
45,26
Grasa bruta, %
43,89
44,52
38,25
40,65
2,8
2,56
2,49
2,40
Ceniza, %
Los componentes del polvo atomizado (PA) y de la harina desgrasada por prensado (HD) de
sacha inchi, según estudios realizados por el Instituto Nacional de Nutrición (Gómez– Sánchez
et al., 1995, citado por Agroindustrias Amazónicas, 2005), se presentan en el Cuadro 4, en el
cual se puede notar el elevado contenido de proteína en la harina desengrasada que puede
destinarse a la elaboración de diversos platos o a la producción de películas biodegradables o
bioempaques.
Cuadro 4. Resultado de análisis de Polvo atomizado y Harina desgrasada de Sacha inchi
Componentes
Polvo atomizado (%)
Harina desgrasada (%)
Humedad
10,20
3,80
Proteína
46,67
47,79
Extracto etéreo
29,80
39,00
Fibra cruda
2,80
4,60
Cenizas
4,00
Fuente: Agroindustrias Amazónicas, 2005.
3,80
4.3.2. Procesos de elaboración de películas biodegradables (bioempaques)
La elaboración de películas y coberturas comestibles envuelve la utilización de varios
componentes, cada uno con una finalidad especifica. Los componentes principales son: el
polímero formador de film, de alto peso molecular y el plastificante (Cuq et al., 1997). Los
plastificantes son moléculas capaces de aumentar la plasticidad y flexibilidad de los polímeros,
10
tornándolos manipulables. Esto ocurre por la disminución de fuerzas intermoleculares,
resultando en una mayor libertad de movimiento de cadenas. No es el caso de las proteínas, los
plastificantes se integran
a la red proteica modificando el número e intensidad de las
interacciones moleculares, produciéndose interacciones proteínaplastificante con disminución
de las interacciones proteína-proteína (Cuq et al., 1997). El efecto de contenido de plastificante
utilizando la formulación de biofilmes a base de proteínas miofibrilares de carne bovina fue
estudiado por Ocuno y Sobral (1998). Ellos encontraron que la permeabilidad al vapor de agua
aumentaba con la concentración de plastificante y que esta propiedad también era influenciada
por el tipo de plastificante empleado (sorbitol, glicerol, sacarosa).
Los películas y coberturas son elaborados normalmente utilizando la denominada “vía húmeda”
(Cuq, 1996); los filmes son formados a partir de una solución de dispersión filmogénica. Kester
y Fennema (1986) describen tres mecanismos para la formación de películas comestibles a
partir de soluciones. Una de ellas consiste en la simple agregación de polímero (vía evaporación
de solvente, enlaces cruzados, cambio de pH, y la adición de un solvente inmiscible),
agregación completa (vía interacciones entre diferentes polímeros) y gelatinización, cuando
ocurre una transición sol-gel o por coagulación térmica.
El secado de la solución filmogénica es el paso siguiente para la obtención de biopelículas;
mediante esta operación produce un aumento de concentración de biopolímero, con
consiguiente agregación de moléculas, formando una red tridimensional que constituye los
filmes. La técnica más utilizada es la denominada “casting”. Esta técnica permite el control
del espesor del film a través de la cantidad de materia seca (Gontard et al., 1992) y la variación
de “espesor aparente” de soluciones en los moldes (Cuq et al., 1996).
Otro componente de las películas es el ajustador de pH, que también influencia la solubilidad
de proteína. El pH para trabajar con proteínas debe ser encima o debajo del pI, donde la proteína
posee cargas disponibles para interactuar con el agua y aumentar, así, a su solubilidad el cual
permitirá la formación de gel (Carvalho,1997).
Existen muchos estudios que avalan el efecto del pH en las propiedades de las biopelículas.
Wall y Beckwith (1969) obtuvieron películas a partir de una solución de gluten, ácido láctico
y agua como solvente, pero ellos fueron muy quebradizos. Anker et al. (1972) describieron un
método para solubilizar la proteína de trigo con calentamiento alcohólico y en medio alcalino.
Biopelículas de proteína de gluten fueron elaborados con 20% de etanol y pH 5 (Gontard et al.,
1992), en tanto las películas de gelatina fueron elaboradas utilizando agua destilada como
11
solvente y pH 5,6 (Carvalho, 1997; Sarmento, 1999). Películas de proteína miofibrilar de
bovino fueron obtenidos utilizando agua destilada como solvente y pH 2,8 (Souza, 2001).
Pérez y Krochta (2000) estudiaron el efecto de las condiciones de secado en la elaboración de
películas de proteína de suero y de emulsiones proteína–lípido, encontrando que el aumento de
la temperatura de secado a 40% de humedad relativa disminuye la permeabilidad al vapor de
agua, en ambos casos, y también que las propiedades mecánicas no fueron afectadas por las
condiciones de secado.
4.3.2.1. Tipos de películas biodegradables
Los materiales básicos de los que están formados los revestimientos y películas se pueden
clasificar en tres categorías: polisacáridos, proteínas y compuestos lipídicos.
Los polisacáridos (celulosa, pectina, almidón, alginatos, quitosano, carragenatos y gomas
vegetales y microbianas) poseen buenas propiedades para la formación de películas y adhesión
a las superficies cortadas de los vegetales. Debido al carácter hidrofílico de estos compuestos,
las películas que forman constituyen eficientes barreras frente a los lípidos, pero no frente a la
humedad. Su principal función es el control del intercambio gaseoso. El quitosano (derivado
parcialmente desacetilado y despolimerizado de la quitina) inhibe el crecimiento de diversos
mohos y levaduras. Entre los polisacáridos, la celulosa y el quitosano son los dos materiales
que se han empleado en recubrimientos para alargar la vida útil de productos vegetales (Pennisi,
1992).
En el grupo de materiales proteicos ensayados hasta el momento se encuentra el colágeno, o
la zeína, el gluten de trigo, la ovo albúmina, la proteína de soya, la caseína, etc. (Guilbert y
Biquet, 1989). Las propiedades de barrera y mecánicas de los film a base de proteínas, en
general, son mejores que los de polisacáridos, aunque no han sido estudiados tan extensamente
como éstos últimos (Guilbert y Graille, 1994; Cuq et al., 1996). Poseen buenas cualidades para
la formación de film y se adhieren bien a superficies hidrofílicas, pero en la mayoría de los
casos no constituyen barreras al vapor de agua. Las proteínas de soya y las caseínas se han
empleado en formulaciones para productos vegetales (Baldwin et al., 1995).
4.3.2.2. Películas biodegradables de proteína
Los filmes a base de proteínas de alto peso molecular son generalmente insolubles o un poco
solubles en agua, poseen buenas propiedades mecánicas (resistencia y flexibilidad) (Carvalho,
1997).
12
La elaboración de películas a base de proteínas envuelve varios componentes con finalidades
específicas. De un modo general las formulaciones están constituidos por los siguientes
compuestos: agente formador de películas (macromoléculas), agente plastificante, solvente y
de ajuste de pH (Souza, 2001).
Dentro de las proteínas utilizadas como agente formador de películas se destacan: las de origen
animal, como gelatina (Carvalho, 1997; Sarmento, 1999), proteínas miofibrilares de peces
(Monterrey y Sobral, 2000) y de bovino (Souza, 2001) y proteína de suero de leche (Miller y
Krochta, 1997); y los de origen vegetal, como gluten, zeína y proteína de soya.
Generalmente se utilizan aislados de proteína de soya, con más del 90% de proteína, obtenidos
por extracciones ácidas y alcalinas, que posteriormente se solubilizan en soluciones acuosas
alcalinas para formar las películas cuando se elimina el disolvente por secado (Rhim et al.,
2000). Las películas de proteína de soya requieren de la adición de plastificantes para darles
textura y flexibilidad, siendo el glicerol y el sorbitol los más usados (Rhim et al., 2002; Kim et
al., 2003). Sin embargo otras leguminosas que también se están usando para la obtención de
películas comestibles son el frijol verde, haba, chícharo y garbanzo, aunque la información
acerca de ellas todavía es limitada (Bourtoom, 2008; Saremnezhad et al., 2011; Adebiyi y
Aluko, 2011; Kowalczyk y Baraniak, 2011).
4.4. Hipótesis
Ho: Las películas biodegradables (bioempaques) obtenidos empleando torta de sacha inchi y
glicerol no presentan adecuadas propiedades físicas y mecánicas.
Hi: Las películas biodegradables (bioempaques) obtenidos empleando torta de sacha inchi y
glicerol presentan adecuadas propiedades físicas y mecánicas.
4.5. Sistema de variables
Las variables independientes serán la concentración de torta de sacha inchi y la concentración
de glicerol que tendrá la función de plastificante.
Las variables dependientes serán: solubilidad, permeabilidad al vapor de agua, color,
resistencia a la perforación y resistencia y deformación a la tracción.
4.6. Escala de medición
Se empleará una escala de medida cuantitativa para todas las variables consideradas, tanto
independientes como dependientes.
13
V. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
5.1. Tipo de investigación Aplicada.
5.2. Nivel de investigación Explicativo.
5.3. Diseño de investigación
Los ensayos serán realizados empleando torta de sacha inchi a la cual se le aplicará un
pretratamiento, consistente en molienda y tamizado (malla #180), con la finalidad de
uniformizar el tamaño de partícula. Para la preparación de la solución filmogénica se utilizará
torta de sacha inchi (concentración: 1%, 1,5%, 3%, 4,5%, 5%) y glicerol como plastificante
(concentraciones de 0,75%, 1%, 1,5%, 2%, 2,25%), con agitación y temperatura de 80°C,
adicionándose la cantidad de agua requerida para completar el 100% de la solución
filmogénica. La solución será colocada en placas de acrílico para permitir la formación de las
películas, las cuales serán secadas en secador convectivo a temperaturas de 40 – 50°C por un
tiempo de 24 horas. Las películas ya secadas serán retiradas de las placas y sometidas a
evaluación de sus propiedades físicas y mecánicas. En la Figura 4 se presenta el flujograma
tentativo para la obtención de las películas biodegradables. Las propiedades reológicas de las
soluciones filmogénicas serán evaluadas empleando reómetro (RVT Brookfield), y el grosor
de las películas deberá estar en torno de 0,1 mm.
Figura 4. Diagrama de flujo para la obtención de películas biodegradables de torta de sacha
inchi y glicerol
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El diseño experimental que se utilizará será del tipo compuesto con punto central 2 k,
considerando dos variables independientes
(concentración de torta de sacha inchi y
concentración de glicerol) con tres niveles (-1, 0, +1), y puntos axiales –α(–1,4142) y
+α(+1,4142). Los tratamientos del estudio (22 + 5 + 2 x 2) se presentan en el Cuadro 5.
Cuadro 5. Tratamientos del estudio
Dominio Experimental
Factores
-α
-1
0
1
α
1
1,5 3
4,5
5
2
2,25
X1: Concentración torta de sacha inchi (%)
X2: Concentración glicerol (%)
0,75 1 1,5
Cuadro 6. Matriz de experimentos del diseño factorial 2 k
Variables
Variables naturales
codificadas
Respuesta
Torta Glicerol
Nº
(%)
(%)
X1
X2
1
1,5
1
-1
-1
(Y1)
2
1,5
2
-1
1
(Y2)
3
4,5
1
1
-1
(Y3)
4
4,5
2
1
1
(Y4)
5
3
1,5
0
0
(Y5)
6
3
1,5
0
0
(Y6)
7
3
1,5
0
0
(Y7)
8
3
1,5
0
0
(Y8)
9
3
1,5
0
0
(Y9)
10
5
1,5
α
0
(Y10)
11
1
1,5
-α
0
(Y11)
12
3
2,25
0
α
(Y12)
13
3
0,75
0
-α
(Y13)
En el Cuadro 6 se muestra el plan de experimentación que se obtiene al reemplazar los valores
de las variables codificadas por los valores de las variables reales.
Las interacciones entre los diferentes factores serán analizadas mediante Análisis de varianza
y las diferencias entre tratamientos mediante prueba de Tuckey.
15
5.4. Cobertura de investigación
La unidad experimental estará compuesta por 100 gramos de solución filmogénica, por cada
tratamiento, la cual será sometida a secado para obtener las biopelículas. De las biopelículas se
tomarán 20 secciones para realizar los diferentes análisis (físicos y mecánicos) del producto.
5.5. Fuentes, técnicas e instrumentos de investigación
Se emplearán como fuentes bibliográficas artículos científicos obtenidos en revistas
electrónicas indizadas y textos especializados sobre el tema.
Análisis
Los diferentes análisis serán realizados mediante metodologías validadas y recomendadas en
la literatura científica:
La humedad de las muestras será determinada por secado en estufa a 105ºC por 24 horas
(A.O.A.C, 1990).
La determinación del color se realizará con un colorímetro triestímulo portátil, Minolta modelo
CR-400, con iluminante D65 y un ángulo observador de 0ºC, utilizando el sistema CIELab. El
eje L* (claridad) va desde 100 (blanco) hasta 0 (negro), el eje a* va desde a*(verde) hasta +
a*(rojo), mientras que el eje b* va desde – b* (azul) hasta b* (amarillo) (Minolta, 1993).
Solubilidad en agua
La prueba de solubilidad será realizada según la metodología propuesta por Gontard et al.
(1992). Tres discos de cada muestra de filme, con 2 cm de diámetro, previamente pesadas,
serán inmersos en 50 ml de agua, a temperatura ambiente, y mantenidos por 24 horas, bajo
agitación esporádica, después la cual, será determinada el contenido de materia seca no
solubilizada.
La materia sólida insoluble será determinada utilizando el método de filtración según la técnica
971.09 de la AOAC (1990).
Permeabilidad al vapor de agua (PVA)
La permeabilidad al vapor de agua (PVA) de los filmes será determinada por el método
desecante, con base en la norma E 96-80 (ASTM, 1995), de acuerdo con el procedimiento
descrito por Souza (2001). Las muestras de película serán fijadas en células de permeación de
vidrio, con abertura circular (diámetro 34 mm), correspondiendo al área expuesta para el
cambio, cerrada herméticamente, y conteniendo silica gel en su interior (0% humedad relativa).
16
conforme al esquema de la Figura 5.
Película
célula de permeabilidad
HR2
HR1
Silica gel
Agua destilada
Las células de permeación, serán colocadas dentro de desecadores conteniendo agua destilada.
El peso ganado por las células será determinado en balanza analítica en intervalos de 24 horas
durante 5 días. Las determinaciones se realizarán en triplicado,
Figura 5. Esquema del dispositivo utilizado para la determinación de la permeabilidad al vapor
de agua.
PRUEBAS MECANICAS
Las pruebas mecánicas serán realizadas, por triplicado, utilizando un texturómetro TA-XT2
(Texas Instrument, USA).
Fuerza y deformación en la ruptura en la prueba de perforación
Las películas serán cortadas en forma de discos con 6 cm de diámetro, y fijados en una célula
con una abertura circular en la tapa de 3,4 cm de diámetro. Un sensor cilíndrico de 3 mm de
diámetro se mueve perpendicularmente en la superficie del filme, con velocidad constante (1
mm/s), hasta la ruptura de la película, como se muestra en la figura; donde lo es el radio de la
superficie del filme no tensionado, D es la distancia penetrada por la sonda en el momento de
la ruptura y L es el radio de la superficie de la película en el punto de ruptura (película
tensionada), como se indica en la Figura 6.
17
Película no
Sonda
Anillo de teflón
tensionada
lo
D
L
Cápsula
Película
tensionada
Figura 6. Esquema del sistema de determinación de la deformación en la Prueba de ruptura.
Fuerza y deformación en la ruptura en prueba de tracción
Cuerpos de prueba, cortados según la Figura 7, serán sometidos a la tracción con velocidad de
1,0 mm/s, partiéndose de una separación inicial de 80 mm, hasta la ruptura del filme. La tensión
en la ruptura y la elongación en la ruptura serán obtenidos directamente de la curva de tensión
en función de la elongación, conocidas las dimensiones iniciales de los cuerpos de prueba. El
módulo de elasticidad, o el módulo de Young, será obtenido de la tangente de la curva en la
región elástica.
6 mm
25 mm
115 mm
Figura 7. Esquema del cuerpo de prueba, para la prueba de tracción
Isotermas de Sorción
Las isotermas de sorción serán determinadas por el método gravimétrico. Aproximadamente 1
g de muestra serán colocados en pequeños desecadores los cuales contendrán soluciones
saturadas de diferentes sales con actividades de agua (aw) en el rango de 0,11 a 0,95. Los
desecadores serán colocados en ambientes a 25, 35 y 45°C. Cada tres días, las muestras serán
pesadas en balanza analítica y la actividad de agua será medida con un medidor de actividad
de agua con compensación de temperatura, Aqualab Modelo 3TE.
18
Los datos de las isotermas de adsorción serán analizados utilizando la ecuación de
Guggenheim-Anderson-De Boer (GAB). La ecuación de GAB es un modelo de tres parámetros
proporciona propiedades físicas y es reconocida como el modelo más versátil para isotermas
de sorción de alimentos (Rizvi, 1986; Perez-Alonso et al., 2006):
MoCKaw
M
(1 Ka )(1 Ka
w
CKa )
w
(1)
w
donde M es la humedad de equilibrio (g agua/g de sólido seco); Mo es la humedad de monocapa
(g agua/g de sólido seco); aw es la actividad de agua; C es la constante de Guggenheim e igual
a:
C
c'exp (hm
hn )
RT
(2)
donde c’ es una constante; hm es el calor total de sorción de la primera capa (kJ/mol); hn es el
calor total de sorción de las multicapas (kJ/mol); R es la constante universal de los gases
(kJ/mol K); T es la temperatura absoluta (K) y K es otra constante:
K
k'exp (hl
hm )
RT
(3)
donde k’ es una constante de la ecuación; hl es el calor de condensación del agua pura (kJ/mol).
Instrumentos y materiales:
Los instrumentos y materiales que serán utilizados en el presente trabajo son los siguientes:
Instrumentos (Equipos)
Materiales y Reactivos
19
Balanzas analítica y de precisión
Colorímetro triestímulo
Equipo extractor Soxhlet
Reómetro RVT Brookfield
Termómetro rango de 0–200 °C
Molino y tamizador
Estufa o secador convectivo (por adquirir)
Baño con recirculación (por adquirir)
Agitador mecánico (por adquirir)
Micrómetro digital 0–25mm (por adquirir)
Texturómetro TA.XT2 (por adquirir).
Determinador actividad de agua (por
adquirir)
Buretas, Pipetas
Placas Petri
Vasos de precipitados
Matraces
Láminas de poliéster
Cloruro de litio
Acetato de potasio, Cloruro de magnesio
Carbonato de potasio, Nitrato de magnesio
Cloruro de sodio, Cloruro de potasio
Cloruro de bario, Hidróxido de sodio
Glicerol
Campanas desecadoras
Papel filtro.
5.6. Procedimiento y presentación de datos
Los datos obtenidos serán presentados en cuadros y gráficos, con el objeto de facilitar su
análisis.
5.7. Análisis e interpretación de datos
El análisis de los datos será realizado empleando programas estadísticos (Statistica 5.0, Minitab
o Statgraphics).
La interpretación de los datos obtenidos será realizada contrastándolos con datos reportados en
la literatura científica.
VI. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS
6.1. Cronograma de actividades
Meses
Actividades
1
2
3
4
5
6
7
8
9
X
X
X
X
X
X
X
X
X
2. Ensayos y caracterización de la
X
materia prima
X
1. Investigación bibliográfica
20
3. Pruebas de producción bio-películas
X
X
X
X
X
4. Pruebas de evaluación de
propiedades
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
5. Proceso de la información
X
6. Análisis de resultados
7. Elaboración informe
8. Elaboración de artículo
X
X
6.2. Asignación de recursos
Los recursos asignados servirán principalmente para la adquisición de equipos y materiales de
laboratorio, capacitación y asignación de incentivos por investigación.
6.3. Presupuesto o costo del proyecto
RUBROS
23. Bienes y Servicios (16,24%)
Materiales de acopio
Material fotográfico
Material de escritorio y oficina
Material de laboratorio
Reactivos
Adquisición de insumos
Adquisición de materia prima
Pruebas tecnológicas
Movilidad y alimentación
Material de difusión
Libros, revistas y fotocopias
Pasajes y movilidad local
Supervisión y monitoreo, difusión y
publicaciones (1,50%)
25. Subvención a investigadores (21,54%)
21
MONTO TOTAL (Nuevos
Soles)
15 466,65
1 428.51
20 514,28
26. Equipamiento de laboratorio (60,72%)
Texturómetro TA-XT2
Determinador de actividad de agua
Agitador mecánico
Baño con recirculación
Estufa o Secador convectivo con adquisición
datos
Micrómetro digital
Monto total
57 828,51
95 238,00
6.4. Financiamiento
Fondo Especial de Desarrollo Universitario (FEDU–Investigación).
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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25