MX2013007742A

MX2013007742A - Proceso para la elaboracion de peliculas biodegradables a partir de glutelina.

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Publication number: MX2013007742A
Application number: MX2013007742A
Authority: MX
Inventors: Alma Leticia Martínez Ayala; Ada María Ríos Cortés; Minerva Rosas Morales; Ling-Fa Montiel Juárez
Original assignee: Inst Politécnico Nac
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-01-02
Also published as: MX365858B

Abstract

La presente invención describe el método para la elaboración de películas biodegradables ocupando como materia prima las proteínas obtenidas de la pasta residual que se genera en el proceso de extracción de aceite de Jatropha curcas con el fin de producir biodiesel. Esta pasta posee contenidos proteicos elevados, en torno al 60%, que podrían ser aprovechadas tras su extracción para alimentación animal y humana (Akintayo, 2004; Francis y col., 2005). Además, la calidad biológica de las proteínas de J. curcas es muy similar a la del frijol o la lenteja y superior a la del maíz (Castill y col., 1991; Makkar) por lo que esta innovación se centra en variedades mexicanas las cuales presentan bajo contenido de ésteres de forbol lo que las hacen comestibles. El método empleado para la elaboración de estas películas es mediante un proceso de dispersión continua o casting, dichas películas presentan diferentes tolerancias al desplazamiento-tensión, una rápida capacidad de degradación. Las películas de este tipo, que son elaboradas de productos naturales son de interés científico y comercial ya que estos materiales además de biodegradables permiten que sean excelentes candidatos para el desarrollo de una gran variedad de aplicaciones en diferentes áreas, por ejemplo: médica, alimenticia y agrícola. De igual manera esta invención presenta bajo costo de producción ya que la materia prima principal es un subproducto; por lo que está relacionada con las tendencias actuales del uso integral de la materia prima mediante el aprovechamiento de subproductos que se generan en beneficio para el medio ambiente.

Description

PROCESO PARA LA ELABORACIÓN DE PELICULAS BIODEGRADABLES A PARTIR DE GLUTELINA CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCION Esta invención describe un proceso para la elaboración de películas biodegradables obtenidas a partir de las proteínas extraídas de la pasta residual en el proceso de generación de biodiesel de semillas de Jatropha curcas L; se describe el proceso de fraccionamiento proteínico; la elaboración de las películas por método casting además de la evaluación de sus propiedades.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Jatropha curcas L. es un arbusto cotiledóneo, perteneciente a la familia de las Euforbiáceas, la cual comprende aproximadamente 170 especies, el género Jatropha pertenece a la tribu de los Joannesieae Crotonoideae. Es originaria de América central y ampliamente distribuida a nivel mundial, en países como Argentina, Bolivia, Brasil, Colombia, Islas Galápagos, Ecuador, Paraguay, Perú, Venezuela. En México se cultiva en Sinaloa, Oaxaca, Quintana Roo, Veracruz, Yucatán, Morelos, Sonora, Tamaulipas, Chiapas, Hidalgo, Puebla, Guerrero, Tabasco. Es un arbusto de pequeño tamaño, monoico que puede llegar a los dos metros de altura. El fruto de J. curcas es una cápsula con tres semillas. Las semillas son blancas y presentan una testa oscura (Heller, 1996). Llegan a pesar 0.75 g - 1 g y tienen un alto contenido de aceite y proteína, 58-60% y 27-32% respectivamente (Martínez-Ayala y col., 2002).

Ha sido objeto de atención en los últimos años como fuente potencial de biodiesel, por lo que recientemente su cultivo se está promocionando en diversos países para la extracción de aceite de sus semillas, el cual en una planta procesadora se obtiene tras prensado y filtración, después, mediante transesterificación se transforma en biodiesel con propiedades similares al diesel (Zhou y col., 2006). En este proceso ya recuperado el aceite el mayor subproducto que se genera es la pasta residual ya que del prensado de las semillas aproximadamente se obtiene el 58% de aceite y el 42% de pasta (Becker y Makkar, 2008).

En algunos países de África y la India las variedades de Jatropha presentan compuestos tóxicos denominados ésteres de forbol (Makkar y col., 1998) que han limitado su uso en alimentación (Adeyemi y col., 2001 ; Makkar y col., 1998; Makkar y col., 1999). Los ésteres de forbol (12-desoxi-16-hidroxiforbol) pueden causar diversos trastornos como pérdida del equilibrio, midriasis y diarrea extrema (Haas y col., 2002).

Sin embargo, sólo en México existen variedades no tóxicas, con bajo contenido de ésteres de forbol las cuales son parte de la dieta de los lugareños, lo que permite sustentar la teoría de Dehgan and Webster al citar a Wilbur (1954) ''Jatropha curcas es sin lugar a duda parte de la flora de México" (Heller, 1996). Esta harina tiene unos contenidos proteicos elevados que podrían ser aprovechados tras su extracción para alimentación animal y humana (Akintayo, 2004; Francis y col., 2005). Además, la calidad biológica de las proteínas de J, curcas es muy similar a la del frijol o la lenteja y superior a la del maíz (Castill y col., 1991 ; Makkar y col., 1998). Por lo que esta pasta puede aprovecharse por el contenido de proteínas.

Las películas que se han elaborado a partir de proteínas vegetales por lo regular son de diferentes componentes de la semilla, por ejemplo polisacáridos, almidón, etc, algunas de estas películas también se hacen a partir de proteínas comerciales, hasta el momento se desconoce la elaboración de estas a partir de un subproducto como en el caso de la pasta residual de Jatropha curcas.

La fracción formadora de estas películas es la glutelína (32.6%), fracción proteínica de reserva mayoritaria en la semilla después de la globulina (42.2%) contenido que pueden compararse con proteínas de reserva de leguminosas como frijol, lupino, chícharo y soya. Y para su elaboración presenta la ventaja de formarse con concentraciones bajas de proteínas respecto a otras películas realizadas y teniendo una buena elongación de un del 14.7- 30.8% por ejemplo: Gillgren y Standing (2008), reportan la elaboración de películas de avena empleando 1.60 g de avenina y concentraciones de plastificante de 23, 34 y 44% de plastificante (glicerol) para obtener elongaciones «10, 25 y 20 mm respectivamente. Parris y Coffin (1997), realizaron películas de zeína con concentraciones del 10% (m/v) disolviendo 1g de proteína en 10 mi de disolvente y 30% de glicerol como plastificante. Reportaron un porcentaje de elongación al quiebre de 2.6% concentración del plastificante. En el caso de soya Guerrero y col. (2010), realizaron películas disolviendo 7.5ml en 125 mi de agua y empleando glicerol como plastificante (30, 40, 50%) reportando elongaciones de 105.4, 145.5 y 170.2 respectivamente. Por otro lado Kunte y col. (1997), reportan la elaboración de películas a partir de aislado proteínico de soya comercial 7S y 1 1S (5%m/v) y glicerol como plastificante (1.5% m/v) y reportan porcentajes de solubilidad de 8.59 y 3.99 y elongaciones de 37.6 y 37.93 % respectivamente. De la misma forma K¡ y col. (2001), al realizar películas a partir de proteínas de soya, disolviendo 5g de proteína comercial en 100ml de agua y empleando 2.5g de glicerol como plastificante.

Duminda y col. (2001) desarrollaron películas a partir de aislado proteínico de soya, disolviendo 1g de proteína por cada 10 mi de disolvente y glicerol como plastificante con concentraciones de 10, 15, 20 y 30%.

Las películas de glutelina de semilla de Jatropha curcas L. presentan la ventaja de formarse con soluciones proteínicas con concentraciones de 0.028%, presenta elongaciones del 14.7- 30.8%, así mismo las películas presentan un periodo de degradación de tres días.

Por todo lo anterior y debido a la tendencia hacia el uso de materiales biodegradables seguros y eco-amistosos, especialmente subproductos, en la presente invención se establece un proceso para la elaboración de películas biodegradables obtenidas a partir de las proteínas extraídas de la pasta residual en el proceso de generación de biodiesel de Jatropha curcas L. Ya que se conoce que la ciencia de polímeros emplea a las proteínas como materia prima polimérica al considerar la relación que existe entre su estructura macromolecular y su función, las que pueden ser definidas como polímeros naturales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1.- Diagrama de flujo del método Osborne modificado para fraccionar proteínas.

Figura 2 - Vaciado de la mezcla de glutelína y plastificante.

Figura 3.- Películas de glutelina de semillas de Jatropha curcas L. con diferentes concentraciones de glicerol. a)6.7%, b)8.9%, c)1 1.1 %, d)13.4%, e)15.6%, f)17.9%, g)20.1 , h)22.3%.

Figura 4.- Espectro FT-IR de la glutelína.

Figura 5.- Espectro FT-IR del glicerol.

Figura 6.- Espectro FT-IR de las películas de glutelína, con diferentes concentraciones de glicerol.

Figura 7.- Espectro FT-IR de películas de glutelina con diferente contenido de glicerol, región del grupo C-O.

Figura 8.- Intensidades absolutas de las bandas l(C-0)ci,c3 y l(C-0)c2 de las películas en función del contenido de glicerol.

Figura 9.- Dependencia del cociente de intensidades l(C-0)C2/l(C-0)Cic3 determinado por FTIR como una función de la concentración de glicerol.

Figura 10.- Espectro uv-vis de las películas de glutelína con diferentes concentraciones de plastificante.

Figura 1 1-. Espectro uv-vis normalizado de las películas de glutelína con diferentes concentraciones.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a la elaboración de películas biodegradables a partir de la pasta resultante del prensado de semillas de Jatropha curcas L. (variedad no tóxica) para la obtención de aceite, el cual posee diversos usos y el más relevante es en la producción de biodiesel. Esta pasta posee un alto contenido de proteínas, aproximadamente de un 24% en la harina y de 60% en la harina desgrasada, por lo que es buena opción como fuente de proteínas.

En las etapas iniciales del método de la invención es el prensado y desgrasado de estas semillas las cuales debe ser variedad no tóxica, para saber esto se realiza una determinación de ésteres de forbol de acuerdo a la metodología realizada por Makkar y col (1997).

Ya reconocida la variedad se les retira la testa a la semilla mecánicamente ya que la pasta está libre de aceite se procede al fraccionamiento efectuado de acuerdo a la solubilidad de las proteínas.

Esta invención se basa en la realización de películas a base de proteínas y plastificante debido a la capacidad de dispersión de los materiales donde la formación se basa en la separación de las proteínas del disolvente por precipitación o cambios debidos a las condiciones del disolvente, tratamientos térmicos o remoción del disolvente debido al incremento en la concentración del polímero en el medio, induciendo la formación de enlaces y formando una red tridimensional.

El proceso de esta consta de varias etapas: a) Obtención de la pasta b) Fraccionamiento de proteínas c) Capacidad formadora de película de las fracciones proteínicas de la semilla de Jatropha curcas L. d) Caracterización de las propiedades de las películas. a) Obtención de pasta Ejemplo 1.- La obtención de la pasta se realiza con el prensado de semillas, a las cuales previamente se les retira la testa, se prensan en 2 o 3 ocasiones con el fin de extraer el aceite en una prensa de pistón con temperatura de 60 a 150 "C y de 650 psi. La pasta resultante se le agrega hexano y se deja por 24 hrs a 4 °C, se deja secar hasta que el hexano se evapore. Este procedimiento se puede realizar hasta dos ocasiones dependiendo que tan grasosa esté la pasta, ya seca esta se tritura y cierne, se procede al fraccionamiento de las proteínas, hasta obtener una harina. b) Fraccionamiento de proteínas Ejemplo 2. -Ya que se obtiene la harina de la semilla desgrasada se procede al fraccionamiento de las proteínas de acuerdo a su solubilidad, en la que se pueden obtener por orden de extracción las siguientes: Albúminas, globulinas, prolaminas y glutelinas.

La obtención de las fracciones proteínicas se realizó a partir de una modificación del método Osborne (1924) Figura 1 , fundamentado en la estructura- solubilidad de las proteínas y reportado por Peralta L (2004). Cuadro 1.

Cuadro 1. Solubilidad de las fracciones proteínicas de la semilla de Jatropha curcas L.

(Peralta L .2004).

*Glutelína, fracción formadora de películas Ejemplo 3.- Para la obtención de las albúminas se suspende harina en agua en una proporción 1 :10 (p/v) durante 2 horas a 4°C manteniendo una agitación constante. La suspensión se centrifuga a 10 000 rpm durante 30 minutos a 4°C. El sobrenadante con la fracción proteínica se liofiliza y almacena a 4°C.

Ejemplo 4.- El precipitado se suspende para obtener la fracción de globulinas en una solución de NaCI 10%, en una proporción 1 :10 (p/v) durante 2 horas a 4CC con agitación constante y centrifugado a 10 000 rpm a 4°C durante 30 minutos. El sobrenadante se liofiliza y almacena a 4°C.

Ejemplo 5.- El residuo de la fracción de globulinas se suspende en EtOH al 10% en una proporción 1 :10 (p/v) para obtener la fracción de prolaminas bajo condiciones de agitación constante a 4°C durante 2 horas. La suspensión se centrifuga a 4°C por un período de 30 minutos a 10 000 rpm. El alcohol en el sobrenadante se evapora en un equipo de rotavapor y liofilizado para su almacenamiento a 4°C.

Ejemplo 6.- La fracción de glutelínas se extrae a partir del precipitado obtenido de la fracción de prolaminas, se suspende el precipitado en una solución de NaOH 0.1 M en una proporción 1 :10 (p/v) durante 2 horas con agitación constante a 4°C y fue centrifugado a 10 000 rpm por 30 minutos a 4°C. El sobrenadante se dializa con agua y liofilizado. Se almacena a 4°C. c) Capacidad formadora de película de las fracciones proteínicas de la semilla de Jatropha curcas L.

La elaboración de las películas se realiza por un método de dispersión continua o vaciado en placa (casting). Se preparan soluciones proteína-disolvente (v/p), homogeneizadas por agitación para disolver a las diferentes fracciones proteínicas, se le adiciona plastificante preferentemente glicerol a diferentes concentraciones (0, 20, 30, 40, 50%). Así mismo se varía el pH con NaOH 0.5M de las soluciones entre el intervalo de 5, 6, 7, 8 y 9. Cada solución se calienta en baño de agua durante una hora con agitación constante, alcanzando una temperatura de 80°C (ver Figura 2).

Para el proceso de secado, cada solución fue colocada en cajas Petri de vidrio para evaporar el disolvente a temperatura ambiente alrededor de 22-25°C. Finalmente cada solución fue colocada sobre sustratos (caja Petri) para eliminar el disolvente por evaporación manteniéndoles a una temperatura entre 23-27°C con un humedad relativa de 22%.

Ejemplo 7 - Para la fracción de albúmina con diferentes concentraciones de plastificante y a pH de 5, la proteína precipita al aumentar el valor de pH (6.7) y en las diferentes concentraciones de plastificante, las soluciones permanecen líquidas, un pH de 9 y concentraciones de 20 y 40% de plastificante permiten obtener geles, ligeramente viscosos sin la formación de película.

Ejemplo 8.- Para la fracción de globulina, con diferentes concentraciones de plastificante y a un pH de 5, la proteína precipita, mientras que a pH de 6 y 9 para las diferentes concentraciones de plastificante, la solución permaneció en estado líquido; con un pH de 7 y concentraciones de glicerol del 20 y 40%, con esta fracción se obtienen polímeros frágiles y poco flexibles.

Ejemplo 9.- Para la fracción de prolamina, se obtienen geles de consistencia frágil a un valor de pH de 7 y concentraciones de plastificante de 20 y 40%, mientras que para valores de pH menores y superiores a 7 y para las diferentes concentraciones de plastificante, las soluciones proteína-glicerol permanecen líquidas.

Ejemplo 10.- Sorprendentemente se encontró que la fracción de glutelína a un valor de pH de 7 y concentraciones de glicerol de 20 y 40 % forma películas flexibles y translúcidas, concentraciones mayores de 40 de plastificante formaron geles poco consistentes, así mismo si se disminuye el pH de 6.

Debido a esto se preparan soluciones de glutelína (0.028%, m/v) con diferentes concentraciones de plastificante (6.1, 8.94, 11.18, 13.42, 15.65, 17.89, 20.13, 22.37 % m/m). Cada solución se calienta en baño de agua durante una hora con agitación constante, alcanzando una temperatura de entre 30-80°C logrando así la formación de películas.

Para el proceso de secado, cada solución se coloca en cajas Petri de vidrio o un molde de vidrio o acero inoxidable para evaporar el disolvente a temperatura ambiente alrededor de 25 a 40°C. La formulación final para la elaboración de las películas a partir de la fracción proteínica de glutelína con una concentración de 0.028%(m/v) con diferentes concentraciones de glicerol permitió obtener películas con características visualmente diferentes; diferente grosor, facilidad de desprendimiento del molde, elasticidad, resistencia y fragilidad Figura 3. d) Caracterización de propiedades de las películas.

Ejemplo 11. -Determinación del color y densidad El análisis de color de las películas se determina a partir de un Colorímetro (Universal Milton Roy modelo Color Mate), con un iluminante D65 y un ángulo de observación de 10° para cuantificar el color a partir de la comparación de los atributos cromáticos (L, a*, b*) sugeridos por la Comisión Internacional sobre Iluminación (CIE) a partir de mediciones de reflexión directa, así como la medición de las coordenadas cromáticas a*, b* (Gómez y col. 1996). El equipo se calibra con un estándar de color blanco y las lecturas se tomaron en la superficie de las muestras y en puntos aleatorios y las lecturas fueron reportadas en el sistema de espacio de color tridimensional CIELAB (L*, a*, b*).

Los parámetros análogos a la intensidad, saturación y tonalidad del color cromaticidad (C*) y el ángulo "hue" (h*) fueron calculados a partir de las ecuaciones siguientes: C* = ( * + b*fl2 h* = tan^_1(¿7a*) cuando a* > 0 y b*= 0 h* = 180 + tanflT^Va*) cuando a* < 0 El valor de a*, donde un valor positivo y mayor a cero indica un color rojo, mientras que un valor negativo indica un color verde. El parámetro b* positivo indica un color amarillo, mientras que un valor negativo indica un color azul, sin embargo, cuando a* y b* tienden a cero la muestra presenta un color blanco.

Ejemplo 12.- La luminosidad (L*) Luminosidad presenta un intervalo de 0 (negro) a 100 (blanco). El parámetro de luminosidad caracteriza que tan clara u oscura se encuentra una muestra independientemente del tono. En la películas realizadas con glutelína los valores de luminosidad decrecieron con respecto al incremento de plastificante en la muestras, mostrándose un oscurecimiento de las mismas, sin embargo, no se observó una diferencia significativa (a=0.05). Debido a que el color de las películas se debe a la naturaleza de la proteína empleada para la formación del material, un oscurecimiento de las muestras podría deberse a la presencia y concentración del plastificante.

Ejemplo 13.- Cromaticidad El parámetro C* indica la intensidad de la tonalidad de un material, si el valor de C* es cercano a cero, la tonalidad de la muestra presenta una baja saturación, por lo que la muestra presenta una tendencia al color blanco.

El intervalo de los valores de cromaticidad en las películas elaboradas a partir de la fracción proteínica de glutelína de Jatropha curcas L. son valores cercanos a cero, mostrando una tendencia de las muestras al blanco y una baja saturación del color, por lo que al relacionar los valores de la cromaticidad con los valores del ángulo "hue", las películas de glutelína aumentan su tonalidad, sin embargo, la intensidad del color es tenue.

Ejemplo 14.- Densidad (p) Con el propósito de conocer la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de un biopolímero y se determina dividiendo el peso de la película con el volumen de la solución.

Los materiales desarrollados, presentaron una densidad promedio de 1.24g/cm3. La variación en el contenido de plastificante no afecto significativamente a la densidad de las películas de glutelína.

El Cuadro 2 presenta los valores obtenidos de L*. a* y b* directamente del equipo y los valores calculados de C* y h*. El ángulo h* representa la tonalidad o el color de los materiales. De modo general, los valores de h* muestran un aumento con respecto al aumento de la concentración de plastificante en las muestras, sin embargo, las diferencias son estadísticamente no significativas (a=0.05). Un ángulo de 118-120° implica que la muestra presenta un color amarillo no puro (+b*) con tendencia al verde (-a*).

Cuadro 2.- Resultados de color, luminosidad, cromaticidad y densidad de películas glutelína.

Media aritmética de 3 repeticiones ± error estándar Letras ¡guales en la misma columna indica que no hay diferencia significativa (a=0.05) Ejemplo 15.- Contenido de humedad y materia soluble total El contenido de humedad se determina en base a la metodología reportada por Zamudio (2008), se calcula por la pérdida de peso de las películas después de ser secadas en estufa a 1 10°C durante 2 horas, las muestras se analizaron por triplicado. El contenido de humedad se determina a través de la siguiente formula expresada en porcentaje: % Humedad = [(Peso inicial de la muestra/peso seco de la muestra) - 1] x 100 La cuantificación de materia soluble total de la película se determina a partir la metodología propuesta por García y col. (2004); se cortan muestras representativas de cada película (2x3cm) para ser almacenadas durante 7 días en desecador a temperatura ambiente alrededor de 22-25°C y un porcentaje de humedad relativa de 43%.

Posteriormente las muestras se pesan y cada una se coloca en un vaso de precipitado con 80 mL de agua desionizada. Las muestras se mantienen en agitación constante por 1 hora a temperatura ambiente (25°C), finalmente las porciones insolubles se filtran ya secas y se pesan nuevamente para registrar el peso final.

El porcentaje de solubilidad se calculó mediante la siguiente ecuación: solubilidad = 100 El análisis de las películas mostró un aumento en la solubilidad de las muestras con respecto al aumento del contenido de plastificante, sin embargo, se generaron 4 niveles de significancia; a) que involucra a la muestra con un contenido de plastificante de 6.7%, b) muestras con 8.9 y 1 1.1 % de plastificante, c) muestras con 13.4, 15.6 y 17.9% de glicerol y d) que involucra a la muestra con 22.3% de plastificante Cuadro 3.

Cuadro 3. Contenido de humedad y materia soluble total en películas de glutelína.

Ejemplo 16.- Determinación de las propiedades mecánicas Antes de realizar los ensayos de tensión se calcula el espesor de las muestras. El espesor de las películas se determina por medio de un micrómetro digital, marca Mitutoyo midiendo 10 posiciones aleatorias en cada película. Se estima un valor promedio que se toma como espesor final. Las pruebas mecánicas se valúan por medio de ensayos de tensión para la determinación de la tensión a la fractura (s), el porcentaje de elongación (% ?) y el módulo de elasticidad (E). El espesor de las películas se emplea para calcular el área de sección transversal sobre la cual se ejerce la fuerza de tensión.

Ejemplo 17.- Determinación de la resistencia de películas La determinación de la resistencia de las películas se efectúa en un texturómetro TAXT2Í (Stable Micro Systems, Surrey, UK), con una celda de carga de 245.1662N y una velocidad de deformación de 24mm min."1. La fuerza de tensión a la fractura 14/27 (s) es el cociente entre la fuerza carga F y la sección transversal A o área de estiramiento de la película (espesor x ancho) F ° = A Alargamiento o deformación; es originada por la acción de una fuerza de tensión sobre una muestra, es el cociente entre el cambio de longitud de la muestra en la dirección de la fuerza y la longitud original.

Dónde: I es la longitud después de la acción de la fuerza, lo es la longitud inicial de la pieza.

Por lo que el cálculo del porcentaje de deformación (% ?) se determinó a partir de la siguiente ecuación: % deformación = deformación x 100% = % de alargamiento El módulo de elasticidad o módulo de Young se determinó a partir de la ley de Hooke Ejemplo 18.- Evaluación de la difusividad.

El análisis de la difusividad de las muestras se efectúa por fotoacústica a partir de la metodología de fotoacústica (FA) auto-normalizada-propuesta por Balderas y col. (2009). La técnica involucra la configuración frontal y por transmisión en el modelo de absorción luminosa de Beer-Lambert, para la medición de las propiedades ópticas y térmicas de láminas delgadas de sustancias en la fase sólida, para lo cual se emplean las ecuaciones que describen el efecto fotoacústico en el modelo de Rosencwaig-Gersho.

El procedimiento consiste en determinar el radio de la señal en la transmisión y las configuraciones frontales eliminando la función de transferencia, para ello se emplea un sistema que consiste en un diodo láser rojo (658nm) de Hitachi HL6535 G de intensidad modulada mediante un controlador de láser diodo (Thorlabs model LCD-202B), impulsado por un bloqueo interno de salida TTL (lógica transistor a transistor) modelo SR830 (Ford Research Systems).

Concentraciones de plastificante del 6.7 % permitieron obtener películas flexibles, al incrementar la concentración de glicerol fue posible obtener muestras de mayor grosor y flexibilidad. Sin embargo concentraciones de glicerol superiores al 13.4 % provocaron la disminución en la capacidad de elongación del material en el Cuadro 4.

Cuadro 4. Propiedades mecánicas de películas de glutelína de semillas de Jatropha curcas L.

Ejemplo 19.- Calorimetría diferencial de barrido (CDB) Para el análisis térmico de las películas se emplea un equipo calorímetro diferencial de barrido CDB o DSC por sus siglas en ingles marca TA modelo 2010 (TA Instruments, New Castle, DE), el equipo CDB conectado a una computadora para el control y análisis de los datos. Los parámetros que se evalúan son la temperatura de fusión (Tf) y la variación de la entalpia (??). El equipo se calibra con una constante de celda de 0.9747 y se emplea una rampa de 0-275°C/min.

Para el análisis de las películas de glutelína, se pesan muestras de película con masas constantes, dentro de una charola de aluminio sellada herméticamente, como referencia se emplea una charola vacía, los valores de ?? se obtienen directamente de los termogramas. Los puntos de fusión son superiores a 195.76X e inferiores a 208.13°C Cuadro 5.

Cuadro 5. Propiedades térmicas de películas de glutelína con diferentes concentraciones de glicerol.

Media aritmética de 2 repeticiones + error estándar.

Se puede observar el cambio de la temperatura de fusión de las películas de glutelína con respecto a la concentración de glicerol y la variación de la entalpia (??) al incrementar la concentración de plastificante.

La menor temperatura de fusión es para las muestras con mayor contenido de glicerol; al incrementar la concentración del plastificante, la temperatura de fusión de la película disminuye. Por otro lado, se observa en general una tendencia a la disminución en ?? al aumentar la presencia del plastificante en las muestras.

Ejemplo 20.- Análisis FTIR Se obtienen los espectros de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) empleando un sistema Bruker Mod. Vértex 70, provisto del software Opus, con una resolución de 4 cm"1Para la obtención y procesamiento de los datos, el rango de análisis es de 4000-400 cm"1. Se realizan 120 barridos para la muestra y 60 barridos para la línea de base.

Se realiza la caracterización de las películas obtenidas, así como de las materias primas por espectroscopia de infrarrojo, observándose cambios espectrales asociados a interacción de las proteínas y el plastif ¡cante. El espectro FTIR de la proteína se presenta en la Figura 4, y destacan principalmente bandas de absorción correspondientes a los enlaces C=O (amida I) alrededor de 1634 cm"1 , así como al enlace N-H (amida II) alrededor de 1539cm"1. La señal en 1300 cm"1 se atribuye al enlace C-N (amida III). Se observan además bandas centradas en 2923. y 2850 cm"1 las cuales corresponden a vibraciones de extensión (stretching) de los enlaces C-H.

El espectro FTIR de glicerol se muestra en la Figura 5, donde bandas típicas debidas a la absorción de este plastificante se observan en la región del 800 cm"1 a 1050 cm"1, donde cinco señales correspondientes a las vibraciones de C-C y C-O se localizan.

En la región denominada de huella dactilar, se observan bandas cuya frecuencia se centra en 850 cm"1 y en 995 cm"1, las cuales se asignan a la vibración del esqueleto C-C. La señal en 1029 cm"1 está asociada a la vibración correspondiente al enlace C-O de los carbonos Ci y C3, mientras que la señal en 1 109 cm"1 se asocia al enlace C-O del carbono G2.

La Figura 6 presenta el espectro FT-IR de las películas obtenidas de la interacción de las proteínas con diferentes concentraciones de glicerol como plastificante (6.7, 8.9, 11.1 , 13.4, 15.6, 17.9, 20.1 , 22.3% de glicerol), el espectro se expresa en unidades arbitrarias con base a su intensidad Se observa un cambio en las señales de 1324 cm"1 atribuida a la amida III y que corresponde al enlace C-N, en la señal de la amida I correspondiente al enlace C=O en la región de 1639 cm"1 y en la banda relacionada a la amida A en 3272 cm"1.

La Figura 7 muestra los espectros FTIR de las películas obtenidas, así como del glicerol en el intervalo de 800 a 1200 cm"1. En el espectro del glicerol puede observarse la presencia de una banda intensa en 1029 cm"1 asociada al enlace C-0 de los carbonos Ci y C3 de esta molécula. Asimismo, la presencia de otra banda centrada en 1109 cm-1 la cual está asociada también al enlace C-0 pero del carbono C2 de la molécula de glicerol.

Comparando ahora estas dos bandas presentes en el espectro de glicerol con las observadas en las películas, puede observarse que una de ellas (C1, C3) ha sufrido un corrimiento hacia altas energías, posicionándose ahora en 1037 cm"1.

Este corrimiento hacia altas energías puede interpretarse como un efecto de compresión del enlace C-O en los carbonos C1 y C3 como resultado de la interacción del glicerol con la proteína. Por su parte la frecuencia de vibración del enlace C-O del carbono C2 se mantiene inalterada.

Por otro lado, es posible observar la variación de la intensidad de estas dos bandas C1 C3 (1037 cm"1) y C2 (1109 cm"1) en el espectro infrarrojo, como se muestra en la Figura 8 Puede notarse también que la intensidad de la banda correspondiente a C1C3 aumenta más rápidamente que la banda correspondiente a C2 conforme aumenta el contenido de glicerol. El cociente de las intensidades de ambas bandas l(C-O)c2/l(C-O)ci ,c3 muestra una dependencia con el contenido de glicerol como se muestra en la Figura 9.

Ahora esta propiedad vibracional l(C-O)c2/l(C-O)ci c3 proporciona una medida de los cambios estructurales que sufre la molécula de glicerol en su interacción con las proteínas y de hecho puede ser de mucha utilidad si se le asocia con las propiedades mecánicas (elongación, fuerza de tensión y módulo de Young) determinadas experimentalmente a estas películas.

Ejemplo 21.- Espectrofotometría de ultravioleta visible Se efectuó un espectrofotómetro de ultravioleta visible Varían, modelo Cary 50 con un rango de longitud de onda de 190 a 1100nm. El análisis de luminiscencia se realiza empleando un sistema que consiste en un diodo láser violeta (407nm) con un intervalo de longitud de onda de 400-1000 nm, el sistema cuenta con un doble monocromador (SPEX) como sistema dispersor de la radiación emitida por la muestra, el haz es modulado mediante un modulador óptico (chopper), finalmente la señal es introducida a un amplificador look in. Los datos de las mediciones se procesan mediante el software Labviewer 8.

La Figura 10 muestra el espectro de ultravioleta de las diferentes películas de glutelína, se aprecian dos bandas de absorción; en 244 nm atribuida a la absorción de la proteína cuya intensidad es constante, por otro lado la banda en 307 nm atribuida a la absorción del glicerol, presenta diferentes intensidades debidas a las diferentes concentraciones de glicerol en las muestras.

Así mismo, se valora la luminiscencia de las películas de glutelína por excitación de las muestras con ultravioleta, las muestras muestran emisión en la región del verde en el espectro visible (495-570nm), el análisis de los espectros normalizados muestra que la variación en la concentración de glicerol en las muestras no afecta significativamente la emisión de estas. La Figura 12 muestra el espectro normalizado de las diferentes películas de glutelína, en la región del plastificante, se observa que no hay una influencia del glicerol en la emisión de las muestras.

Ejemplo 22.- Prueba de biodegradabilidad del polímero en suelo Para determinar el nivel de degradabilidad del polímero en suelo, se emplea una modificación de la metodología de Arieta y col. (2011) y Torres y col. (2011). El análisis desarrolla empleando tres muestras de cada matriz con un peso de 0.2345g, cada película se coloca entre mallas de acero inoxidable para facilitar su recuperación del suelo. Las membranas se introducen a una profundidad de 25 cm y monitoreadas cada 24 horas durante tres días advirtiendo temperatura y humedad relativa de los suelos. Se puede realizar en suelo rico composteado el cual es rico en nutrientes y enzimas y en suelo pedregosos. La extracción se realiza de una muestra por cada membrana por día para descartar el error debido a la extracción.

Las muestras colocadas en suelo de composta (elaborada a base de bagacillo y suelo) presentan un proceso de degradación menor a 48 horas, esta aceleración en el proceso pudo estar influenciado además de la acción de microrganismos y factores ambientales a la presencia de fibra en la composición de la composta, por lo que el bagacillo actúa como retenedor de agua absorbiendo la humedad de las muestras deshidratándolas, convirtiendo al polímero en fragmentos más pequeños, asimilables por los microrganismos del medio.

Las muestras colocadas en suelo pedregoso muestran un retardo en el proceso de degradación, debido a la ausencia de fibra en la composición del suelo, sin embargo, el proceso de degradación no excede las 72 horas. Así mismo se observa un aumento en peso en las muestras degradadas en suelo pedregoso en el día 2, este aumento en el peso de las muestras con respecto al día uno se atribuye a factores climáticos y la presencia de lluvia, aumentando la humedad del suelo, provocando la hidratación de las películas.

Los Cuadros 6 y 7 Muestran los porcentajes de degradación de las películas, observados en ambos suelos. El análisis se efectuó por triplicado, no se observó diferencia significativa en cuanto al contenido de glicerol y su intervención en el proceso de degradación Cuadro 6 Porcentaje de degradación de películas de glutelína en composta.

Media aritmética de 3 repeticiones terror estándar.

Cuadro 7. Porcentaje de degradación de películas de glutelína en suelo pedregoso.

Media aritmética de 3 repeticiones ± error estándar.

Al finalizar el período de 30 días establecido para el análisis, el 95 % de los materiales se había degradado y explica; el proceso de degradación de materiales plásticos elaborados a partir de proteínas se efectúa en dos etapas, en la primera, solo hay una disminución del peso molecular provocado por un mecanismo de ruptura aleatoria en la cadena polimérica y una segunda etapa se produce la pérdida de masa.

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Claims

REIVINDICACIONES

1. - Un proceso para la elaboración de películas biodegradables caracterizado porque comprende las etapas de: a) obtener una harina a partir de semillas; b) fraccionar las proteínas formadoras de películas; y c) mezclar plastificante con al menos una de las proteínas formadoras de películas obtenidas en el paso anterior.

2. - El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la etapa a) comprende prensar las semillas para obtener una pasta, agregar hexano y secar hasta obtener la harina.

3. - El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque las semillas se seleccionan de Jatropha curcas L.

4. - El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque las proteínas formadoras de películas de la etapa b) se seleccionan de al menos una de albúminas, globulinas, prolaminas y glutelínas.

5. - El proceso de conformidad con la reivindicación 4, en donde las albúminas se obtienen mediante los pasos de mezclar la harina con agua en una proporción de 1 :10 p/v con agitación constante durante 2 horas, centrifugar y liofilizar el sobrenadante.

6.- El proceso de conformidad con la reivindicación 4, en donde las globulinas se obtienen mediante los pasos de mezclar el precipitado resultante de las albúminas con cloruro de sodio al 10% en una proporción de 1 :10 p/v con agitación constante durante 2 horas, centrifugar y liofilizar.

7.- El proceso de conformidad con la reivindicación 4, en donde las prolaminas se obtienen mediante los pasos de mezclar del residuo de globulinas con Etanol en una proporción de 1:10 p/v con agitación constante durante 2 horas, centrifugar, evaporar y liofilizar.

8. - El proceso de conformidad con la reivindicación 4, en donde las glutelínas se obtienen mediante los pasos de mezclar el precipitado derivado de las prolaminas con Hidróxido de sodio 0.1 M en una proporción de 1 :10 p/v con agitación constante durante 2 horas, centrifugar, dializar con agua y liofilizar.

9. - El proceso de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la agitación se realiza a 4°C.

10. - El proceso de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el paso de centrifugar se realiza a 10 000 rpm por 30 minutos.

11. - El proceso de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque comprende el paso adicional de almacenar las albúminas, globulinas, prolaminas y glutelínas obtenidas a 4°C.

12. - El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el plastificante de la etapa c) se selecciona de glicerol.

13. - El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el glicerol se adiciona a diferentes concentraciones seleccionadas entre 6 a 40%.

14. - El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el glicerol se adiciona a preferentemente a concentraciones seleccionadas entre 6 a 22%.

15. - El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el pH de la mezcla del plastificante con al menos una de las proteínas formadoras de películas del paso c) varía en un intervalo entre 5, 6, 7, 8 o 9.

16. - El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la mezcla del plastificante con al menos una de las proteínas formadoras de películas del paso c) se caliente en baño de agua durante una hora con agitación constante hasta alcanzar una temperatura de 30 a 80°C.

17 - El proceso de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la albúmina se mezcla con glicerol preferentemente a una concentración entre 20 a 40% de plastificante y a pH de 9 permitiendo la obtención de geles ligeramente viscosos

18 - El proceso de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la globulina se mezcla con glicerol preferentemente a una concentración entre 20 y 40% de plastificante y a pH de 7 permitiendo la obtención de polímeros frágiles y poco flexibles.

19.- El proceso de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la prolamina se mezcla con glicerol preferentemente a una concentración entre 20 y 40% de plastificante y a pH de 7 formando un polímero líquido

20 - El proceso de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la glutelína se mezcla con glicerol preferentemente a una concentración entre 6-22 % de plastificante y a pH de 6, mezcla formadora de películas biodegradables.

21. - El proceso de conformidad con las reivindicaciones anteriores, que comprende el secado de la mezcla obtenida en el paso c), a una temperatura de entre 25- 40 °C.

22. - Una película biodegradable obtenida de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende: a) una mezcla de al menos una proteína formadora de película con un plastificante.

23. - La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 22, caracterizada porque comprende una fracción proteínica de glutelína.

24. - La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 22, caracterizada porque el plastificante se selecciona de glicerol.

25. - La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque tiene un espesor entre 4 a 8 mm.

26. - La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque tiene una elongación entre 14 a 30 mm.

27.- La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque tiene una fuerza entre 0.14 a 0.78 MPa.

28. - La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque tiene una tensión de fractura entre 0.008 a 0.0069 MPa/mm.

29. - La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque tiene un alargamiento de formación entre 0.1474 a 0.2381mm.

30. - La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque tiene una elasticidad de 0.0052 a 0.0288 MPa.

31. - La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque tiene una temperatura de fusión entre 195 a 208°C.

32.- La película biodegradable de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque el tiempo de degradación preferentemente no excede las 72 horas.