EVALUACIÓN DE LA PERMEABILIDAD DE UN RECUBRIMIENTO ELABORADO A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA NATIVO Y MODIFICADO/EVALUATION OF PERMEABILITY OF AN EDIBLE COATING MADE FROM NATURAL AND MODIFIED CASSAVA STARCH

Headnote

RESUMEN

Antecedentes: Debido a los avances científicos sobre el uso de polímeros naturales en toda la industria y a los beneficios que presenta el almidón de yuca frente a los empaques derivados del petróleo, están surgiendo alternativas para direccionar el uso de materiales naturales en recubrimientos para frutas y hortalizas con el objeto de conservar las características pos cosecha y mantener la vida comercial por un mayor tiempo. Objetivos: Determinar el efecto de la velocidad y temperatura de agitación, variedad de yuca y tipo de almidón sobre la permeabilidad y propiedades de barrera de un recubrimiento elaborado a base de almidón nativo y almidón modificado de yuca. Métodos: Se establecieron los factores temperatura (67°C y 70°C), velocidad de agitación (700 rpm y 800 rpm) y variedad de almidón (SM 707-17 y Cumbre 3) para la elaboración del recubrimiento con almidón nativo y con almidón modificado para hacer la evaluación de la permeabilidad al vapor de agua y al oxígeno bajo la metodología contenida en las normas ASTM E 96-05 y ASTM D-1434. Los datos obtenidos fueron analizados empleando la prueba de Kruskal Wallis y matrices elaboradas en Microsoft Excel. Resultados. Se determinó que la permeabilidad no dependió de la velocidad ni de la temperatura de agitación y se obtuvieron valores de 5,48x10-12 y 4,62x10-10 (g/Pa*m*s) como máximo y mínimo para la permeabilidad al vapor de agua y de 2,80E-16 mol/m*s*Pa (variedad SM 707-17) y 2,07E-16mol/m*s*Pa (variedad Cumbre 3) para la permeabilidad al oxígeno. Conclusiones: El almidón de yuca modificado enzimáticamente permitió obtener películas con menos defectos y con mejor comportamiento que las elaboradas con almidón nativo, adicionalmente, se encontró que el espesor fue un factor influyente, por lo que se desarrollaron matrices para analizar su efecto, encontrando que la permeabilidad al vapor de agua disminuyó al incrementar el espesor entre 0,15 y 0,17 μm.

Palabras clave: Almidón de yuca, recubrimiento, polímero, permeabilidad al vapor de agua, permeabilidad al oxígeno.

ABSTRACT

Background: There are scientific advances of the use of natural polymers in all industries and the benefits that cassava starch packaging presents in lieu of packaging derived from petroleum. There are alternatives emerging to address the use of natural materials in coatings for fruits and vegetables in order to preserve postharvest characteristics and maintain a longer shelf life. Objectives: To determine the effect of stirring speed and temperature, variety of cassava and starch type on the permeability and the barrier properties of a coating made from natural and modified cassava starch. Methods: The established factors were temperature (67°C and 70°C), stirring speed (700 rpm and 800 rpm) and starch variety (SM 707-17 and Cumbre 3). This is the preparation for the coating made with natural and modified starch, to evaluate the water vapor permeability and oxygen using the methodology contained in the rules ASTM E 96-05 and ASTM D-1434. The data obtained were analyzed using the Kruskal Wallis and matrices developed in Microsoft Excel. Results: It was determined that permeability is not dependent on the speed and temperature of stirring. The obtained values were 5,48x10-12 and 4,62x10-10 (g/Pa*m*s) as maximum and minimum permeability for water vapor, and 2,80E-16 mol/m*s*Pa (variety SM 707-17) and 2,07E-16mol/m*s*Pa (Cumbre 3 variety) for oxygen permeability. Conclusions: Cassava starch enzymatically modified allowed to obtain films with fewer defects and better performance than those made with natural starch. Additionally, thickness was found to be an influential factor, so matrices were developed to analyze its effect, finding that the water vapor permeability decreased by increasing the thickness between 0,15 and 0,17 μm.

Keywords: Cassava starch, coating, polymer, water vapor permeability, oxygen permeability.

INTRODUCCIÓN

La yuca es fuente de materia prima para la obtención de polímeros biodegradables y recubrimientos para frutas y hortalizas que minimizan la pérdida de propiedades fisicoquímicas y organolépticas y evitan la proliferación de microorganismos, manteniendo la integridad estructural y actuando como vehículo de aditivos alimentarios (1), empleados en productos como calabaza (2), manzana (3) y mango (4), alimentos fritos o pre cocidos (5), en el desarrollo de empaques activos (6), en mezclas con agentes antimicrobianos (7) para tomate (8), chontaduro (9), guayaba (10) y pimentón (11), con cera de carnauba (3) e incluso la aplicación en conjunto con almidones, lípidos o proteínas (12, 6).

MATERIALES

Materias primas y obtención de la película

Almidón nativo de yuca variedades Cumbre 3 y SMS 707-17, modificado enzimáticamente con BAN 480L provista por NOVOZYMES, entre 10 y 13% Dextrosa Equivalente. Glicerol usado como agente plastificante con 99% de pureza. Posteriormente, se mezcló el almidón de yuca modificado al 4% p/p con 2% (v/v) de glicerina, aforando hasta 350 mL con agua destilada (9) en el dispositivo HL (DWORKS, Colombia, 2013) enlazado al software National Instruments LabVIEW(TM) (Texas, Estados Unidos de Norteamérica, 2013) a 67°C y 70°C, con velocidades de agitación de 700 y 800 rpm; se enfrió hasta 55°C y se vertió sobre placas de acrílico y se llevó a secado a 40°C durante 12 horas en un horno de conducción forzada BINDER Serie FD (Alemania), luego se llevaron las muestras a la cámara BINDER durante 48 horas a 23°C y humedad relativa del 50%; sobre dichas películas se efectuó el análisis de permeabilidad al vapor de agua y al oxígeno.

Permeabilidad al vapor de agua

Según el método desecante de la norma ASTM E-96-05 (13), se pesaron las muestras en una Balanza analítica RADWAG XA 110/X (Polonia) y se llevaron a una cámara a 23°C y 50% de humedad relativa, registrando el peso cada hora durante 8 horas hasta obtener una correlación de 0,9 ± 0,05.

Permeabilidad al oxígeno

Según el Teorema de Prueba del Analizador de Permeabilidad VAC-VBS bajo la norma ASTM D1434-82 (14) y el software VAC-VSB de Labthink Instruments Co. (China, 2013), para obtener la permeancia, que se multiplicó por el promedio del espesor.

Diseño experimental

Se aplicó un diseño factorial 23 siendo los factores la variedad de almidón (SM 707-17 y Cumbre 3), la temperatura (67 y 70 °C) y velocidad de agitación de la mezcla (700 y 800 rpm). El análisis de datos se realizó por medio del software SPSS V.20 para determinar la normalidad de los datos y establecer la influencia de los factores sobre la variable de respuesta. En hoja de cálculo se obtuvo la relación entre los datos de espesor y de la permeabilidad.

RESULTADOS

El espesor como factor influyente: Durante la fase de análisis se encontró que el espesor de la película tenía un efecto sobre la permeabilidad al vapor de agua, y para evaluar su efecto se emplearon matrices de 54x54 (muestras) para formar grupos de espesores de modo que el análisis de permeabilidad tuviera todos los elementos controlados; de dichas matrices se extrajeron los grupos con mayor cantidad de datos y se analizó la tendencia y la relación entre el espesor y la permeabilidad.

Permeabilidad al vapor de agua

La prueba de normalidad arrojó diferencias significativas para más del 80% de los datos, por lo que se aplicó la prueba de Kruskal-Wallis que mos tró una significancia de 0,109 para la variedad de almidón, de 0,291 para la temperatura de agitación y de 0,166 para la velocidad de agitación, indicando que no fueron influyentes sobre la permeabilidad al vapor de agua de las películas.

Permeabilidad al oxígeno

Se encontró que las mejores condiciones de elaboración fueron 70°C y 700 rpm, con valores de 2,80E-16 mol/m*s*Pa para la variedad SM 707-17 y de 2,07E-16 mol/m*s*Pa para la variedad Cumbre 3.

DISCUSIÓN

Permeabilidad al vapor de agua

No hubo incidencia de la temperatura porque el bajo rango usado (3°C) generó efecto similar sobre la gelatinización; la velocidad de agitación puede incidir sobre otras propiedades de la película debido a la nueva estructuración molecular en las cadenas y a la fuerza mecánica ejercida. Las características fisicoquímicas de las variedades de almidón no mostraron diferencias significativas entre sí, por lo que no ejercen influencia sobre las propiedades de barrera, comportamiento que se atribuye al volumen libre entre las moléculas de las películas, generado por acción de los plastificantes hidrofílicos que disminuyen las fuerzas intermoleculares de las cadenas del polímero, permitiendo la migración del agua (15). La humedad circundante debe ser controlada para evitar un diferencial de presión que interfiera en la medición e incremente la higroscopicidad en el film (16). Resultados similares fueron alcanzados por Dias et al., (17), donde el almidón de yuca enriquecido con amilosa obtuvo valores permeabilidad de 10-9 g/m*s*Pa, se atribuyen a la acción del plastificante y la adición de amilosa, la temperatura, tiempo y velocidad de agitación.

Como resultado adicional, tras la fase experimental, se encontró que el efecto del espesor se vio reflejado en los datos obtenidos, los cuales fueron variables según el espesor por lo tanto, para el análisis de la información obtenida se recurrió a la elaboración de matrices de espesor, lo que permitió realizar el análisis de la permeabilidad cuyos parámetros pertenecen al mismo grupo y por lo tanto están bajo control.

Permeabilidad al oxígeno

Pudo afectarse por la cristalinidad del polímero (18), la adición de plastificantes (19) y el contenido de amilosa, incidiendo sobre las propiedades de barrera por el empaquetamiento de la amilosa y la disminución de las fuerzas intermoleculares (18) ya que el glicerol ocupa los espacios vacíos de la matriz y reduce los poros y grietas en la superficie de las películas (3): concentraciones de glicerol mayores al 2% reducen la tasa de respiración en rebanadas de manzana con permeabilidad al oxígeno de 2,22 x 10-10 g/Pa*s*m, menor a la reportada por Pelisari et al., (15) de 6,87x10-12 mol/Pa*s*m para películas obtenidas de almidón y quitosano por extrusión soplado.

CONCLUSIONES

La temperatura, velocidad de agitación y la variedad de almidón no fueron influyentes sobre la permeabilidad al vapor de agua, sin embargo, por la baja permeabilidad de las muestras (10-12 a 10-10 g/ Pa*s*m), las mejores condiciones fueron 70°C y 700 rpm, con incidencia del espesor ya que la barrera generada hace más difícil la difusión molecular en la película con valores entre 0,15 y 0,17 μm. A pesar de las diferencias en las condiciones de elaboración de otras películas, se puede intuir que la obtenida en este estudio presenta mejores propiedades de barrera al oxígeno que al vapor de agua.

AGRADECIMIENTOS

Al programa "Joven Investigador" de COLCIENCIAS para el desarrollo del proyecto - ID 3799 y a los integrantes de los grupos de investigación CYTBIA y ASUBAGROIN de la Facultad de Ciencias Agrarias de la Universidad del Cauca.

References

REFERENCIAS

1. Saavedra N, Algecira N. Evaluación de películas comestibles de almidón de yuca y proteína aislada de soya en la conservación de fresas. Ciencias Biomédicas. Julio - 2010 Dic; 8(14): 121-240.

2. Lago ES, Do Nascimento P, Fontes EAF, Mauro MA, Kimura M. Edible coatings from native and modified starches retain carotenoids in pumpkin during drying. LWT - Food Science and Technology. 2013 Mar; 50(2): 420-425.

3. Chiumarelli M, Hubinger M. Stability, solubility, mechanical and barrier properties of cassava starch - Carnauba wax edible coatings to preserve fresh-cut apples. Food Hydrocolloids. 2012 Jul; 28(1): 59-67.

4. Chiumarelli M, Ferrari C, Sarantópoulos C, Hubinger M. Fresh cut 'Tommy Atkins' mango pre-treated with citric acid and coated with cassava (Manihot esculenta Crantz) starch or sodium alginate. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 2011 Jul; 12(3): 381-387.

5. Varela P, Fiszman SM. Hydrocolloids in fried foods. A review. Food Hydrocolloids. 2011 Dic; 25(8): 1-12.

6. Falguera V, Quintero JP, Jimenez A, Muñoz JA, Ibarz A. Edible films and coatings: Structures, active functions and trends in their use. Trends in Food Science & Technology. 2011 Jun; 22(6): 292-303.

7. Souza AC, Goto GEO, Mainardi JA, Coelho ACV, Tadini CC. Cassava starch composite films incorporated with cinnamon essential oil: Antimicrobial activity, microstructure, mechanical and barrier properties. LWT-Food Science and Technology. 2013 Dic; 54(2): 346-352.

8. Barco PL, Burbano AC, Mosquera SA, Villada HS, Navia DP. Efecto del recubrimiento a base de almidón de yuca modificado sobre la maduración del tomate. Revista Lasallista De Investigación. 2011 Jul-Dic; 8(2): 96 - 103.

9. Tosne ZL, Mosquera SA, Villada, HS. Efecto de recubrimiento de almidón de yuca y cera de abejas sobre el chontaduro. Revista Biotecnología en el sector Agropecuario y Agroindustrial. 2014 Jul-Dic, 12(2): 30-39.

10. Achipiz SM, Castillo AE, Mosquera SA, Hoyos JL, Navia DP. Efecto de recubrimiento a base de almidón sobre la maduración de la guayaba (Psidium guayaba). Biotecnología en el sector agropecuario y agroindustrial. 2006 Jun; 2: 92-100.

11. Zuñiga D, Ordoñez DY, Mosquera SA, Hoyos JL, Mosquera LP. Efecto de recubrimiento de almidón de yuca modificado y aceite de tomillo aplicado al pimiento (Capsicum anuum). Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas. 2014 Dic; 5(6): 115-123.

12. Adeodato MG, Da Silva M, Oliveira L, Masumi M. Naturalbased plasticizers and biopolymer films. A review. European Polymer Journal. 2011 Mar; 47(3): 254 -263.

13. ASTM. Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials: ASTM E96 / E96M - 05. [norma]. Philadelphia (USA): ASTM: 2005.

14. ASTM. Standard Test Method for Determining Gas Permeability Characteristics of Plastic Film and Sheeting: ASTM D1434-82. Philadelphia (USA): ASTM: 2009.

15. Pelissari F, Yamashita F, García M, Martino M, Zaritzky N, et al. Constrained mixture design applied to the development of cassava starch-chitosan blown films. Journal of Food Engineering. 2012 Ene; 108(2): 262-267.

16. Müller C, Yamashita F, Borges J. Evaluation of the effects of glycerol and sorbitol concentration and water activity on the water barrier properties of cassava starch films through a solubility approach. Carbohydrate Polymers. 2008 Abr; 72(1): 82-87.

17. Dias V, Mali S, Beléia A, Grossmann MV. Effect of glycerol and amylose enrichment on cassava starch film properties. Journal of Food Engineering. 2007 Feb; 78(3): 941-946.

18. Shen X, Min J, Chen Y, Zhao G. Antimicrobial and physical properties of sweet potato starch films incorporated with potassium sorbate or chitosan. Food Hydrocolloids. 2010 Jun; 24(4): 285-290.

19. Famá L, Rojas AM, Goyanes S, Gerschenson L. Mechanical properties of tapioca-starch edible films containing sorbates. LWT - Food Science and Technology. 2005 Sep; 38(6): 631-639.