Junio 2013

Las biopelículas se caracterizarán por:

• Difracción de Rayos X• Espectroscopia de Infrarrojo con Transformada de Fourier (FTIR),• Microscopia Electrónica de Barrido (SEM)• Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)• Esfuerzo a la Tensión• Permeabilidad al Vapor de Agua y O2

Biopelículas

Quitosano 2% (p/V)

Ácido: Acético

y Fórmico

0.5M

Pectina

1:0, 1:0.5, 1:1

(Quitosano/pectina)

Glicerol: 0, 25 y 50%

(% p/p quitosano).

Mét

odo

de

cast

ing

Ácido: Acético

0.2, 0.5 y 1M

Modelo matemático utilizando la Metodología de Superficie de Respuesta, para obtener la respuesta óptima en cuestión a:

•Permeabilidad al vapor de agua•Permeabilidad al O2•Resistencia a la tensión•Porcentaje de elongación

Pectina

Tipo de solvente

Glicerol1

Es bien sabido que diariamente se desechan

miles de toneladas de envases o envolturas de alimentos elaborados a partir de polímeros en nuestro planeta, las

cuales pueden llegar a tardar años en

degradarse, por lo que se ha convertido en un

problema grave para el equilibrio ambiental.

Biopolímeros

Proteínas

Polisacáridos

Lípidos

GelatinaGluten

de trigo

AlmidónPectinaQuitosa

no

CerasSurfactan

tes

• Forma películas comestibles • Propiedades

antimicrobianas• Mejorando la calidad del

alimento • Retarda maduración

• Retarda tiempo de deterioro

QUITOSANO

2

ESTADO DEL ARTE

Viscosidades(cP)

pH: 3.07

a 3.87

3 Characteristics of different molecular weight chitosan films affected by the type of organic solvents. S.Y. PARK, K.S. MARSH, AND J.W. RHIM.

2002, Food Engineering and Physical Properties.

Quitosano 2% p/V

2% 4%2%2%

ESTADO DEL ARTE

Physicochemical Properties of Edible and Preservative Films from Chitosan/Cassava Starch/Gelatin Blend Plasticized with Glycerol. Qiu-Ping

Zhong, Wen-Shui Xia. 3, 2008, Food Technol. Biotechnol, Vol. 46, págs. 262–269.

4

100 g de quitosano

ESTADO DEL ARTE

Influence of the Concentrations of Chitosan and Glycerol on Edible Film Properties Showed by Response Surface Methodology. Mohamed Cisse´, Didier Montet,Ge´rard Loiseau,Marie-Noe¨lle Ducamp-Collin. 24 de Abril

de 2012, J Polym Environ, Vol. 20, págs. 830–837.

% p/p quitosano.

amol=1 x 1018 mol.

5

Quitosano(%)1.071.501.93

Glicerol (%)

12.5025

37.5050

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

4-5 millones

de toneladas anuales de residuos.

Industria Alimenticia

40 %

Entre:15 y 85 %

CAUSAS:

• Pudriciones•Lesiones físicas•Desórdenes fisiológicos•Tecnología inadecuada o carencia de esta, para el control de la maduración.6

JUSTIFICACIÓN

PROPIEDADESAntifúngicasAntimicrobianasFilmogénicasBuena biocompatibilidadBuena biodegradabilidadBajo costo

PROPIEDADESEstabilidadPermeabilidadFlexibilidadAlimentos congelados sin cambios en propiedades mecánicas.

Permeabilidad al oxígeno

Permeabilidad al vapor de

agua7

HIPÓTESIS

El modelo estadístico obtenido a partir del análisis de superficie de respuesta, permite la predicción teórica de las propiedades óptimas referentes a la permeabilidad al vapor de agua, permeabilidad al O2 y la fuerza de tensión de películas formadas a partir de quitosano/pectina, solventes como ácido fórmico y acético y el glicerol como agente plastificante, con un nivel de confianza del 95%, reduciendo tiempos y costos innecesarios. 

8

OBJETIVOS

Analizar las propiedades de biopelículas a base de quitosano/pectina/glicerol, utilizando la metodología de superficie de respuesta para determinar la mejor formulación.

1. Investigar el estado del arte referente a la elaboración de películas a base de pectina, quitosano y su combinación entre ellas, los resultados obtenidos en cuestión de propiedades mecánicas y de barrera así como la utilización de la metodología Superficie de respuesta para el análisis de éstas.

2. Determinar las variables para la formación de las biopelículas a base de pectina-quitosano y de las concentraciones de los solventes Ácido fórmico y ácido acético.

9

3. Desarrollar las biopelículas variando las concentraciones de pectina-quitosano, los solventes mencionados anteriormente y la concentración de glicerol como agente plastificante.

4. Observar e identificar el comportamiento de las propiedades físicas: Permeabilidad al vapor de agua y permeabilidad al O2; así como el análisis de las propiedades mecánicas: esfuerzo a la tensión y porcentaje de elongación.

5. Analizar las propiedades adquiridas por medio de la metodología de Superficie de respuesta con ayuda del software Minitab 15.

6. Establecer un modelo estadístico-matemático que permita optimizar la utilización de pectina-quitosano y solventes en la formación de biopelículas, y que nos otorgue las propiedades físicas y mecánicas más adecuadas.

10

METAS

1. Obtener un modelo matemático que optimice los valores de las propiedades mecánicas y de barrera a partir de las biopelículas a base de quitosano/pectina/glicerol, con un nivel de significancia del 95%.

2. Asistir y presentar el presente proyecto en el congreso de la AMIDIQ que se llevará a cabo en Mayo 2014.

3. Publicar un artículo referente al presente proyecto.

4. Realizar una breve estancia en otro centro de investigación.

11

MARCO TEÓRICO

Las películas y cubiertas comestibles sirven de barrera a la humedad, oxígeno, dióxido de carbono, aromas, lípidos, entre otros; suministran varios materiales al alimento, los cuales pueden mejorar sus propiedades mecánicas, protectoras, sensoriales o nutricionales durante su comercialización; entre ellos se encuentran agentes humectantes, emulsificantes, antioxidantes y antimicrobianos, componentes del aroma, pigmentos o aditivos nutricionales y plastificantes(2). También las biopelículas buscan mejoran las propiedades mecánicas de los alimentos con la finalidad de incrementar su tiempo de vida.

OBTENCIÓN

FUNCIONES DE BARRERA:

Humedad

O2 y CO2

AromasLípidos

Características:

Película o recubrimie

nto??

CARACTERÍSTICAS

Dispersar y solubilizar el

biopolímero en una gran

cantidad de disolvente

Mezcla del biopolímero con otros aditivos en condiciones de baja humedad.

12

Permeabilidad al

O2

Permeabilidad al

CO2

Permeabilidad al

vapor de agua

Resistencia a la

tensión

Porcentaje de

elongación

PROPIEDADES:

MARCO TEÓRICO

Polisacárido que es extraído por medio de la hidrólisis de la

quitina en medio

alcalino(hidróxido de sodio)a

altas temperaturas.

α-(1-4)-2- amino-2-desoxi-Dglucosa

constituidas por moléculas de azúcar entrelazadas entre sí, que forman una sustancia semitransparente que se encuentra naturalmente en la cubierta externa de los crustáceos

Polímero:

largas

cadenas

Fue

descubierto

por Rouget

en 1859,

pero fue

hasta 1894

que Hoppe

Seyler lo

nombró

como

“quitosano”

o

“quitosana”

.

Industria alimentaria MedicinaBiotecnologíaProcesos industrialesAgriculturaCosméticosIndustria farmacéuticaTextilPapelera

APLICACIONES

13

Exoesqueletos

MARCO TEÓRICO

Industria alimentaria Medicina (patologías)Industria farmacéutica

APLICACIONES

Polisacárido

gran concentración en las pieles de las fruta, constituye aproximadamente una tercera parte de las paredes celulares de las plantas

Ácido α-(1,4)-D-galacturónico

cadena lineal de restos de ácido α-(1,4)-D-galacturónico

14

MARCO TEÓRICO

Estrategia experimental y de modelación mediante la cual se pretende hallar las condiciones óptimas de una variable de interés que esté influenciada por otras.

tres palabras claves: Diseño, modelo y optimización. El diseño y el modelo son aspectos unidos uno al otro, se piensan juntos, y dependen del tipo de comportamiento que se espera de la variable respuesta.

DISEÑO

MODELO

OPTIMIZACIÓN

CRIBADOExperimento

inicial

BÚSQUEDA 1er Orden

BÚSQUEDA 2do Orden

8 factores

(k ≤ 5)

15

Comportamiento de la variable

respuesta

Diseños factoriales 2k completos o fraccionados

Interacción y permitir la

detección de curvatura.

Modelar y caracterizar

adecuadamente la curvatura

METODOLOGÍA

Silanización de moldes

Preparación de

solución

Diseño experiment

al

Diclorodimetil-silano al 3% etanol.

30 min; 120°C, 2h Agitar

30 min,vaciar,16 h,

50 °C

16

METODOLOGÍA

Medición del pH

Método de casting

Medición del

espesor

Potenciómetro

Conductronic PC18 a

temperatura ambiente

Digimatic IP65

MITUTOYO

10

17

50 ml, 60 °C 5 h

< 1,0 mm[0,04 in] ASTM D 638 – 03

METODOLOGÍA

Permeabilidad al vapor

de agua

Norma ASTM

E96; 6cm

18

Permeabilidad al O2

Propiedades mecánicas

Norma ASTM D1434

VAC-V2 Permeabi

lity tester

ASTM D882-02,

2x10 cm,V=0.05 mm/s,

D=50mm

BlueHill Lite de INSTRO

N

“Método de la

copa”

UAEH, Tulancingo, Dr.

Norberto Chavarría

Hernández.

Difracción de Rayos X

Espectropia de Infrarrojo

con Transformada

de Fourier (FTIR)

Microscopía Electrónica de barrido (SEM)

RYGAKU

modelo D max 2100

Perkin Elmer

Spectrum Two con software Spectrum

® 650 a 4000 cm-1

AccesorioATR

JEOL Modelo

JSM-6010ª,

100, 500 y 1000X

donde ß0 es la media global de los datos, ß1, ß2 y ß3 son los coeficientes de regresión para los términos lineales de los efectos, ß11, ß22 y ß33 son los efectos cuadráticos y ß12, ß13 y ß23 son los efectos de interacción.

17

METODOLOGÍA

CINVESTAV U.Qro, Dr. Gerónimo

Arámbula Villa

METODOLOGÍA

Calorimetría diferencial de barrido (DSC)

Modelo (MSR)

TA Instruments

, modelo 2010, New Castle USABarrid

os de 5°C a 250°C

Y = ß0 + ß1x1 + ß2x2 + ß3x3 + ß11x12 +

ß22x22 + ß33x3

2 + ß12x1x2 + ß13x1x3 + ß23x2x3

+ Ɛ

Donde ß0 es la media global de los datos, ß1, ß2 y ß3 son los coeficientes de regresión para los términos lineales de los efectos, ß11, ß22 y ß33 son los efectos cuadráticos y ß12, ß13 y ß23 son los efectos de interacción.

19

CEPROBI, IPN, Dr. Rodolfo

Rendón Villalobos.

CALENDARIZACIÓN

20

REFERENCIAS

1. ¿Biopelículas comestibles? Garciglia, Rafael Salgado. 6, 2012, Saber más. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, págs. 4-5.2. PELÍCULAS Y CUBIERTAS DE QUITOSANA EN LA CONSERVACIÓN DE VEGETALES. García, Mario A. 1, 2008, Ciencia y Tecnología de Alimentos, Vol. 18, págs. 71-76.3. Physicochemical Properties of Edible and Preservative Films from Chitosan/Cassava Starch/Gelatin Blend Plasticized with Glycerol. Qiu-Ping Zhong, Wen-Shui Xia. 3, 2008, Food Technol. Biotechnol, Vol. 46, págs. 262–269.4. Moléculas pécticas: extracción y su potencial aplicación como empaque. Daniela Sánchez Aldana-Villarruel, Cristóbal Noé Aguilar-González, Juan Carlos Contreras-Esquivel, Gpe. Virginia Nevárez-Moorillón. 2, 20 de Junio de 2011, Tecnociencia, Vol. 5, págs. 76-82.5. Characteristics of different molecular weight chitosan films affected by the type of organic solvents. S.Y. PARK, K.S. MARSH, AND J.W. RHIM. 2002, Food Engineering and Physical Properties.6. Development of an edible coating based on chitosan-glycerol to delay ‘Berangan’ banana (Musa sapientum cv. Berangan) ripening process. Jafarizadeh Malmiri H., Osman A., Tan C.P.,Abdul Rahman R. 3, 2011, International Food Research Journal, Vol. 18, págs. 989-997.7. Influence of the Concentrations of Chitosan and Glycerol on Edible Film Properties Showed by Response Surface Methodology. Mohamed Cisse´, Didier Montet,Ge´rard Loiseau,Marie-Noe¨lle Ducamp-Collin. 24 de Abril de 2012, J Polym Environ, Vol. 20, págs. 830–837.8. Envases biodegradables: una necesidad de compromiso. Pardo, L., Menéndez, J. y Giraudo, M. 292, Argentina : s.n., 2011, La Alimentación Latinoamericana, págs. 42-44.9. Elaboración y caracterización de películas biodegradables a base de nanobiopartículas (mucilago y pectina) de nopal verdura (Opuntia ficus-indica). J.C. Guevara-Arauza, J.D. Pérez-Martinez, J.deJ. Órnelas-Paz. 2011, Nanomex'11 Encuentro Internacional e Interdisciplinario en Nanociencia y Nanotecnología.10. Chitosan/Pectin Laminated Films. Peter D .Hoagland, Nicholas Parris. 7, 1996, Journal of Agricultural and Food Chemistry, Vol. 44, págs. 1915-1919.11. ASTM E96–00, Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. [Annual Book of ASTM Standards]. 12. García, Patricia Guillermina Mendoza. Desarrollo de películas activas para el envasado de alimentos. Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional . 2009. TESIS.21

13. Quiñones, Olga Miriam Rutiaga. Elaboración de películas plásticas flexibles a partir de polímeros naturales como una alternativa de empaque y la evaluación de sus propiedades. Facultad de Ciencias Biológicas. División de Estudios de Posgrado, Universidad Autónoma de Nuevo León. 2002.14. Industrialización de los crustáceos para la obtención de Quitosano en ungüento con efecto cicatrizante. Teonila García Zapata, Johana Melissa Roca Ortega. 2, Octubre de 2008, Revista de la Facultad de Ingeniería Industrial, Vol. 11, págs. 24-32.15. Pseidy Luz Mamani Crispín, Roberto Ruiz Caro, Mª Dolores Veiga. Pectina: Usos farmaceúticos y aplicaciones terapeúticas. Departamento de farmacia y tecnología farmaceútica., Universidad Complutense de Madrid. 2011. REVIEW.16. Cristian Albacete, Amparo Chiralta, Chelo González-Martíneza. Efecto de la humedad y del glicerol en las transiciones de fase de biopolímeros: Proteína de guisante y quitosano. Departamento de Tecnología de Alimentos, Instituto Universitario de Ingeniería de Alimentos para el Desarrollo, Universidad Politécnica de Valencia. 2013.17. Torres, Raiza, y otros. Optimización en Modelos de Superficies de Respuesta. Facultad de Agronomía, Universidad Central de Venezuela. 2003. págs. 69-83, REVIEW.18. Melo, Susana Anguiano. Caracterización de películas de quitosano de bajo peso molecular obtenidas mediante diferentes sistemas de ácidos orgánicos como solventes. Instituto Tecnológico de Zacatepec. 2010. TESIS.19. An Outline of Standard ASTM E96 for Cup Method Water Vapor Permeability Testing. [Labthink Instruments CO., ]. 20. CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS A BASE DE CASEINATO, CON FUNCIÓN ANTIMICROBIANA PROVENIENTE DE CALDOS DE FERMENTACIÓN DE Streptococcus sp. AISLADO DEL POZOL. B. Mendoza-Mendoza, A.I. Rodríguez-Hernández, G. Díaz-Ruiz, R. Montiel-Duarte. 2013, Nousitz : Revista de Investigación Científica y Tecnológica, Vol. 54, págs. 1-6.21. ASTM D882–02. Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting. [Annual Book of ASTM Standards]. 22. Estudio del tratamiento térmico sobre las propiedades de películas híbridas de grenetina-nanoarcilla. E. M. Subdíaz-Guadarrama, J. C. Ochoa-Jaimes, A. Stefanoni-Altamirano, A. Perfecto-Peralta, J. R. Rendón-Villalobos, R. Salgado-Delgado, E. García-Hernández. 2013, Nousitz : Revista de Investigación Científica y Tecnológica, Vol. 54, págs. 45-50.23. Estudio de las propiedades de biopelículas a base de celulosa obtenida a partir del bagazo de caña. N. P. Delgado Hernández, E. García Hernández, J. R. Rendón Villalobos, R. Salgado Delgado, Z. Vargas Galarza y G. Arámbula Villa. 2013, Nousitz : Revista de Investigación Científica y Tecnológica, Vol. 54, págs. 36-44.24. Development of model for barrier and optical properties of tapioca starch based edible films. J. Prakash Marana, V. Sivakumarb, R. Sridharc, K. Thirugnanasambandhamd. s.l. : ELSEVIER, 2012, Carbohydrate Polymers, Vol. 92, págs. 1335– 1347.

22