Caracterización de películas comestibles de quitosano y la afectación de las propiedades por aplicación de aceites esenciales
Autor: Alfonso Arce, Christian Camilo
Asesor: Penagos Rincón, Johon Freddy (Thesis advisor)
Fecha: 2011
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: La influencia del tipo de aceite esencial (romero y/o tomillo), su contenido y el tratamiento de homogeneización, ha sido objeto de varios estudios, observando que varían las propiedades físicas de las películas de quitosano y otros tipos de dispersiones comestibles que el quitosano forma. Las propiedades características de las películas de quitosano varían en resistencia, grosor, apariencia y aspectos organolépticos y se observo que hay una relación directa entre la concentración de aceite esencial y de quitosano que presente la película. Películas compuestas de aceites esenciales fueron más suaves, menos rígidas y más elásticas que las películas puras de quitosano. Las películas del 1% y del 3% (% p/p) quitosano, resultaron ser mejores respecto al patrón de celophane® en dureza, resistencia al quiebre, pero en el aspecto organoléptico la película de 3% quitosano no resultó atractiva para ser una película comestible, por el color amarillo que presento, además de un olor fuerte similar al PVA, por lo cual se omitió esta concentración para las posteriores pruebas y se prosiguió la investigación con las películas de 1% quitosano para realizar los ensayos evaluando diferentes variables. Se utilizaron aceites esenciales de romero y de tomillo debido a que se comprobó en estudios anteriores que su contacto directo con los alimentos sirve como antimicrobiano y su uso en productos de pesca nos mostro efectividad importante respecto a patrones almacenados la misma cantidad de tiempo en temperatura de refrigeración y sin ningún aditivo. Las películas al ser formadas con los aceites esenciales mencionados presentaron algunas burbujas en el caso que el aceite llegara a ser concentrado pero poco homogeneizado, una buena homogeneización generó películas elásticas, de buena apariencia y con el olor característico de los aceites esenciales, distribuido uniformemente.   Se evaluaron las propiedades de punto de ruptura, punto de quiebre, reología, y aspectos físicos de las películas en concentración de 1 y 3% de quitosano, como patrón (solo quitosano) y con adicción de 0.75 g de aceite esencial/ 1 g de quitosano presente en el biopolimero. / Abstract. The influence of the type of essential oil (rosemary and thyme), its content and treatment of homogenization of the physical properties of chitosan-based film-forming dispersions and edible films has been studied. The characteristic properties of chitosan films vary in strength, thickness, appearance and organoleptic aspects are highly related to the concentration of essential oil and chitosan present the film. Films composed of essential oils were softer, less rigid and more elastic than pure chitosan films. The films of 3% chitosan, were much better than the pattern of cellophane® in hardness, resistance to cracking, resistance to cutting, but the organoleptic aspect is not attractive for an edible film, the yellow color present, and a strong odor similar to PVA were unaccepted, so the 1% chitosan films were chosen for testing different variables. Essential oils of rosemary and thyme, because previous studies found that direct contact with food and serves as an antimicrobial use in poultry and fish products showed us important effect. The films to be formed with the essential oils mentioned had some bubbles in the case that the oil came to be concentrated but not very homogenized, good homogenization generated elastic films of good appearance and a smell of essential oils, evenly distributed.   Properties were assessed breaking point, turning point, rheology, and physical aspects of the films in concentrations of 1 and 3% chitosan, as an employer (only chitosan) and 0.75 g of addition of essential oil / 1 g present in the biopolymer chitosan.

CARACTERIZACIÓN DE PELICULAS COMESTIBLES DE QUITOSANO Y LA
AFECTACIÓN DE LAS PROPIEDADES POR APLICACIÓN DE ACEITES
ESENCIALES
CHRISTIAN CAMILO ALFONSO ARCE
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE CIENCIAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Bogotá, 2011CARACTERIZACIÓN DE PELICULAS COMESTIBLES DE QUITOSANO Y LA
AFECTACIÓN DE LAS PROPIEDADES POR APLICACIÓN DE ACEITES
ESENCIALES
CHRISTIAN CAMILO ALFONSO ARCE
CODIGO: 107460
Trabajo de grado presentado para optar al titulo de Especialista en Ciencia y
Tecnología de Alimentos
DIRIGIDO POR:
Ing. WILLIAM ALBARRACIN HERNÁNDEZ
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE CIENCIAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Bogotá, 2011CARACTERIZACIÓN DE PELICULAS COMESTIBLES DE QUITOSANO Y LA
AFECTACIÓN DE LAS PROPIEDADES POR APLICACIÓN DE ACEITES
ESENCIALES
RESUMEN
La influencia del tipo de aceite esencial (romero y/o tomillo), su contenido y el
tratamiento de homogeneización, ha sido objeto de varios estudios, observando
que varían las propiedades físicas de las películas de quitosano y otros tipos de
dispersiones comestibles que el quitosano forma. Las propiedades características
de las películas de quitosano varían en resistencia, grosor, apariencia y aspectos
organolépticos y se observo que hay una relación directa entre la concentración
de aceite esencial y de quitosano que presente la película. Películas compuestas
de aceites esenciales fueron más suaves, menos rígidas y más elásticas que las
películas puras de quitosano. Las películas del 1% y del 3% (% p/p) quitosano,
resultaron ser mejores respecto al patrón de celophane® en dureza, resistencia al
quiebre, pero en el aspecto organoléptico la película de 3% quitosano no resultó
atractiva para ser una película comestible, por el color amarillo que presento,
además de un olor fuerte similar al PVA, por lo cual se omitió esta concentración
para las posteriores pruebas y se prosiguió la investigación con las películas de
1% quitosano para realizar los ensayos evaluando diferentes variables. Se
utilizaron aceites esenciales de romero y de tomillo debido a que se comprobó en
estudios anteriores que su contacto directo con los alimentos sirve como
antimicrobiano y su uso en productos de pesca nos mostro efectividad importante
respecto a patrones almacenados la misma cantidad de tiempo en temperatura de
refrigeración y sin ningún aditivo. Las películas al ser formadas con los aceites
esenciales mencionados presentaron algunas burbujas en el caso que el aceite
llegara a ser concentrado pero poco homogeneizado, una buena
homogeneización generó películas elásticas, de buena apariencia y con el olor
característico de los aceites esenciales, distribuido uniformemente.
Se evaluaron las propiedades de punto de ruptura, punto de quiebre, reología, y
aspectos físicos de las películas en concentración de 1 y 3% de quitosano, como
patrón (solo quitosano) y con adicción de 0.75 g de aceite esencial/ 1 g de
quitosano presente en el biopolimero.
Palabras Clave: aceite esencial, quitosano, película comestible, tomillo, romero.Effect of essential oils and their concentration and homogenization
conditions on properties of chitosan-based films
ABSTRACT
The influence of the type of essential oil (rosemary and thyme), its content and
treatment of homogenization of the physical properties of chitosan-based film-
forming dispersions and edible films has been studied. The characteristic
properties of chitosan films vary in strength, thickness, appearance and
organoleptic aspects are highly related to the concentration of essential oil and
chitosan present the film. Films composed of essential oils were softer, less rigid
and more elastic than pure chitosan films. The films of 3% chitosan, were much
better than the pattern of cellophane® in hardness, resistance to cracking,
resistance to cutting, but the organoleptic aspect is not attractive for an edible film,
the yellow color present, and a strong odor similar to PVA were unaccepted, so
the 1% chitosan films were chosen for testing different variables. Essential oils of
rosemary and thyme, because previous studies found that direct contact with food
and serves as an antimicrobial use in poultry and fish products showed us
important effect. The films to be formed with the essential oils mentioned had
some bubbles in the case that the oil came to be concentrated but not very
homogenized, good homogenization generated elastic films of good appearance
and a smell of essential oils, evenly distributed.
Properties were assessed breaking point, turning point, rheology, and physical
aspects of the films in concentrations of 1 and 3% chitosan, as an employer (only
chitosan) and 0.75 g of addition of essential oil / 1 g present in the biopolymer
chitosan.TABLA DE CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 10
MARCO CONCEPTUAL 11
1.1 ALTERNATIVAS DE BARRERAS Y MATERIALES PARA
AMPLIAR LA VIDA ÚTIL 11
1.2 ACEITES ESENCIALES 12
1.2.1 Definición y características 12
1.2.2 Mecanismo de acción antioxidante 13
1.2.3 Tomillo y romero: generalidades y mecanismo antioxidante 15
1.2.4 Análisis de propiedades de una película polimérica 16
2. MATERIALES Y MÉTODOS 17
2.1 MATERIALES 17
2.2 DISEÑO EXPERIMENTAL 17
2.3 ENSAYOS PRELIMINARES 17
2.3.1 Determinación de la cantidad de aceite esencial 17
2.3.2 Determinación del sistema de aplicación 17
2.4 Evaluación del efecto antioxidante de los aceites esenciales en las
propiedades de las peliculas de quitosano 18
2.4.1 Preparación de las muestras para análisis 18
2.4.2 Analisis de propiedades. Comportamiento reológico 18
2.5 Preparación de las peliculas 19
2.6 Caracterización de las peliculas 19
2.6.1 Espesor 19
2.6.2 Propiedades mecánicas 20
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 213.1 PRUEBAS PRELIMINARES 21
3.2 Propiedades físicas de las peliculas 22
3.2.1 Pruebas de ruptura 22
3.3 Aspecto Visual 23
3.4 Propiedades mecánicas de las peliculas 23
3.5 Analisis organoléptico por panel no entrenado 24
4. CONCLUSIONES 28
5. RECOMENDACIONES 29
6. BIBLIOGRAFÍA 30LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Datos muestrales requeridos para la medición 17
Tabla 2. Propiedades físicas evaluadas en las películas y soluciones de quitosano
21
Tabla 3. Valores absolutos de esfuerzos cortantes vs gradiente para la película de
quitosano al 1% (p/p) 23
Tabla 4. Valores absolutos de esfuerzos cortantes vs gradiente para la película de
quitosano al 3% (p/p) 24LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Diagrama de flujo para el proceso de preparación de las muestras
18
Figura 2. Diagrama de flujo para el ensayo de 18
Figura 3. Diagrama de flujo para análisis de tensión por ruptura 19
Figura 4. 22
Figura 5. 23LISTA DE IMAGENES
Pág.
IMAGEN 1. 34
ANEXO 2. 35INTRODUCCIÓN
Actualmente hay un creciente interés por el desarrollo de materiales que puedan
mejorar la vida útil de los alimentos y también por la seguridad microbiológica que
se les da. Los polímeros biodegradables son unos de estos materiales que ha
logrado mayor interés y por lo tanto tienen un alto potencial comercial. En este
contexto, si añadimos el lograr un uso comercial del gran volumen de
desperdicios que genera la industria de los mariscos y específicamente de los
crustáceos, se muestra una gran propuesta en las películas de quitosina para su
aplicación en la preservación de los alimentos. Recientes estudios muestran que
hay diversas posibilidades de extracción de la quitina presente en los crustáceos,
y se considera que en Colombia existe un mercado de mariscos suficientemente
grande para poder otorgar esta materia prima y lograr avances en investigación y
desarrollo de materiales para la industria alimenticia.
Por otro lado, podemos observar una aplicación proyectada a una necesidad
colombiana específicamente. Colombia es un país de amplia agricultura e
importador de alimentos, y parte de su mercado está compuesto por la
importación de frutas, productos pesqueros y algunos productos cárnicos, ya que
son estos alimentos parte del catalogo de productos que actualmente el país usa
orgánicas, las cuales tiene un mercado ya fuertemente posicionado en países
europeos y de Norteamérica. En este proyecto se plantea la posibilidad de
generar una película comestible de quitosano que será evaluada para incorporarle
aceites esenciales de romero y tomillo (dos aceites esenciales comerciales
comunes en Colombia) utilizada en el almacenamiento de frutas mínimamente
procesadas, buscando mejorar la vida útil del alimento y a la vez utilizando un
material que actualmente en Colombia se maneja como un desecho.1. MARCO CONCEPTUAL
1.1 Alternativas de barreras y materiales para ampliar la vida útil
Las barreras artificiales ayudan a extender la corta vida útil de las carnes y
alimentos en general. Una de las alternativas que se usan como barrera son las
películas o recubrimientos comestibles, que se usan para complementar u suplir
la refrigeración de las carnes y lograr una mejoría al tiempo de conservación.
Por otra parte, algunos materiales estudiados en los últimos años, tienen un alto
potencial en la industria porque a la vez son películas comestibles y sirven como
aditivos de los alimentos que cubren, funcionando como antioxidantes,
antimicrobianos, saborizantes y colorantes (Han, 2000; Perez et al, 2001). Los
métodos de aplicación varían desde la aplicación directa, hasta la incorporación
de los agentes antimicrobianos en la película comestible. Las propiedades
antimicrobianas se ven reducidas con el tiempo de la superficie del alimento, no
obstante, logra mantenerse alta la concentración antimicrobiana por periodos
largos de tiempo (Coma et al., 2002; Ouattara et al., 2000).
Las películas y recubrimientos comestibles ofrecen ventajas como las
propiedades barrera, biocompatibilidad y mejor apariencia estética (Han, 2000;
Kim et al, 1995; Kalemba and Kunicka, 2003). En adición este tipo de materiales
son afectados por parámetros como la formulación, la tecnología de formación de
la película, las características del solvente y los aditivos (Gocho et al., 2000;
Gontard et al, 1993).
De los biopolimeros antes nombrados, la quitina es el segundo biopolímero más
abundante en la tierra después de la celulosa y se encuentra en fuentes como el
exoesqueleto de los crustáceos, en la pared celular de los hongos y en otros
recursos biológicos variados (Andrady, 2011). El quitosano es derivado de la
quitina por desacetilación en presencia de una base alcalina. Es un copolímero
que consiste de unidades β-(1-4)-2-acetamido-glucosa y β-(1-4)-2-amino –
glucosa, siendo el ultimo más del 80% por lo general. Los quitosanos son
descritos en términos del grado de acetilación, el peso molecular, la viscosidad y
la solubilidad. La importancia de este biopolimero esta en sus propiedades
antimicrobianas en conjunto con sus propiedades para formar películas
(Fernandez-Saiz et al, 2009, Muzzarelli, 2000). Dentro de sus características se
conoce que es hidrofílico, biocompatible, biodegradable y que es el principal
componente estructural de cangrejo y cáscaras de camarón. El quitosano tiene
muchas propiedades específicas tales como la actividad antimicrobiana, no
toxicidad y la afinidad notable a las proteínas.Del quitosano y sus derivados se han estado recibiendo crecientes intereses por
diversas áreas tales como las ciencias de los alimentos, la purificación del agua,
la industria de pulpa y papel, farmacia y la medicina (Felse y Panda, 2000;
Beverlya et al., 2008, Bernkop-Schnürch et al. 2006, Hu et al., 2005, Mathew and
Abraham, 2008, Perez-Gago et al., 1999, Santos et al., 2009 y Vargas et al.,
2006).
Sin embargo, las aplicaciones prácticas de quitosano se ven limitadas por su
insolubilidad en agua a pH superior a 6. Varios derivados del quitosano han sido
diseñados para superar este obstáculo (Muzzarelli et al., 1982 y al Muzzarelli et
al., 1988). Una de las maneras más populares para proporcionar un carácter
hidrofílico de este polisacárido es a través de carboxilación.
Los recubrimientos y películas de quitosano que se han investigado tienen
propiedades muy diferentes entre los variados experimentos realizados alrededor
del mundo. De estas películas se hacen evaluaciones de quiebre, elongación,
opacidad y un gran número de diferentes características que pueden verse en un
polímero.
1.2 ACEITES ESENCIALES
1.2.1 Definición y características. Los aceites esenciales (AE, también llamados
aceites volátiles o etéreos) son líquidos aceitosos aromáticos obtenidos de
material vegetal (flores, botones, semillas, hojas, corteza, tronco, hierbas, frutas y
raíces) (Burt, 2004). También se los define como sustancias que “constituyen las
fracciones líquidas volátiles responsables del aroma de las plantas, y que tienen
gran importancia en la industria cosmética (perfumes y aromatizantes), de
alimentos (condimentos y saborizantes) y farmacéutica (saborizantes y principios
activos)” (Martínez, 2003). Los aceites esenciales pueden obtenerse mediante
sistemas de expresión (exprimir las frutas como en el caso de naranjas y cítricos),
extracción (sistema tradicional con solventes orgánicos o con fluidos
supercríticos) y destilación por arrastre con vapor. La diferencia en los perfiles
organolépticos indica una diferencia en la composición de los aceites, y ello
también puede influenciar las propiedades antimicrobianas y antioxidantes (Burt,
2004).
Los aceites esenciales han demostrado poseer propiedades antimicrobianas que
no sólo se limitan al efecto antibacterial sino que incluyen características
antivirales, antimicóticos, antitoxigénicas, antiparasitarias e incluso insecticidas.
Estas propiedades están relacionadas con la naturaleza de los AE en la planta, en
la cual comúnmente hacen parte de factores preinfección (sustanciasalmacenadas en los tejidos vegetales listas para su expulsión ante el ataque de
agentes patógenos en la planta; un símil a los antígenos del sistema inmune en
los animales) (Burt, 2004; Shafiur, 2007). Como metabolitos secundarios, los AE
están a su vez conformados por compuestos de diferente naturaleza, la mayoría
de los cuales comprenden sustancias terpenoides junto con sustancias
oxigenadas (alcoholes, ésteres, éteres, aldehídos y compuestos fenólicos)
(Instituto de investigación para recursos biológicos “Alexander Von Humboldt”,
2003). Los aceites esenciales pueden englobar más de 60 compuestos
individuales, donde los componentes primarios aportan cerca del 85% del AE, y el
resto sólo están presentes como trazas; generalmente el efecto antimicrobiano se
atribuye a los compuestos fenólicos presentes en el aceite (Burt, 2004). El análisis
composicional detallado se puede realizar mediante técnicas como la
cromatografía de gases acoplada a un espectrómetro de masas o la
espectroscopia de infrarrojo, aunque ésta última no posee el mismo grado de
resolución que las anteriores y por tanto es más útil para la identificación de los
principales grupos funcionales (Burt, 2004; Instituto de investigación para recursos
biológicos “Alexander Von Humboldt”, 2003).
La calidad de los aceites esenciales depende de varios factores inherentes a la
planta y su manipulación, lo que hace que éstos compuestos no tengan una
estandarización global. Básicamente estos factores que afectan la calidad final
son las condiciones edáficas del cultivo (existencia y disponibilidad de nutrientes
para las plantas), el régimen climático (luminosidad, temperatura, pluviosidad,
vientos, altitud), latitud (en algunas zonas o regiones latitudinales las plantas
producen aceites esenciales en cantidades y calidades más convenientes),
labores agrícolas (distancias de siembra, abonos, podas, asociaciones), prácticas
poscosecha (lavado, secado, empaque, almacenamiento, transporte), métodos de
extracción y procesos industriales de refinamiento (desterpenado, descerado,
esterificación, hidratación, etc.) (Instituto de investigación para recursos biológicos
“Alexander Von Humboldt”, 2003).
1.2.2 Mecanismo de acción antioxidante. No se tiene un mecanismo absoluto que
explique la actividad antioxidante de los aceites esenciales, principalmente debido
a que están conformados por una gran cantidad de compuestos de diferente
naturaleza. Stashenko et al (2005) establecen que si bien el mecanismo de la
acción antioxidante de los aceites esenciales no se conoce con toda certeza, la
composición química inherente de los mismos establecerá las pautas para
determinar los medios de la acción antioxidante o pro-antioxidante. Fotti et al
(2003) establecen la actividad antioxidante del γ-terpineno (un componente de
algunos aceites esenciales) como resultado de la capacidad de sus radicales para
reaccionar con los radicales libres de ácidos grasos insaturados, de lo cual se
infiere que en mayor o menor grado los compuestos del tipo monoterpenoide y/o
sesquiterpenoide tienen capacidad antioxidante mediante el atrapamiento deintermediarios de radicales y consecuente bloqueo de la reacción en cadena
típica de la oxidación lipídica. De igual modo, en otros estudios se ha mostrado
una capacidad similar para atrapar radicales del tipo DPPH y ATBS por parte de
aceites esenciales y sus componentes, especialmente aquellos de tipo fenólico
(Stashenko, 2005). Las propiedades antioxidantes de los compuestos fenólicos,
especialmente polifenoles, es conocida en el ámbito científico dada su capacidad
para atrapar radicales libres y evitar su propagación en el medio. En efecto, la
capacidad de un antioxidante para reducir un radical como el DPPH depende en
gran parte en su habilidad para donar protones (H+) lo que a su vez está
directamente relacionado con el número de grupos hidroxilo dentro del compuesto
fenólico. Estudios sobre potenciales de oxidación y reacciones redox entre
polifenoles e iones de metales de transición han mostrado que una estructura del
tipo o-dihidroxil es crucial en la eficiencia del sistema (Li, 2009; Rojas & Brewer,
2007).
Sin embargo, el mecanismo no dependerá exclusivamente de la interacción entre
los compuestos fenólicos del aceite esencial y los radicales libres producidos
durante el proceso de oxidación lipídica; sino que en él también intervienen las
relaciones sinergísticas internas entre los componentes del aceite esencial y los
efectos de otros componentes como proteínas, minerales y vitaminas (Bouhdid,
2008). Las investigaciones relacionadas con la aplicación in Vivo del aceite
esencial a fin de conseguir un efecto antioxidante en carnes crudas y productos
procesados constituyen el punto de interés más relevante para este trabajo.
Estévez et al (2006, 2007) realizaron una aplicación de aceites esenciales de
romero y salvia sobre un derivado cárnico (paté de hígado de cerdo) comparando
su efectividad con la de un antioxidante químico conocido: butil hidroxitolueno
(BHT). Estévez & Cava (2006) analizaron la efectividad del aceite esencial de
romero sobre la oxidación de proteínas y lípidos en diferentes tipos de salchichas.
Bözkurt (2006) igualmente investigó los efectos de antioxidantes naturales
(extracto de té verde y aceite esencial de Timbra spicata) en un tipo de salchicha
turca fermentada, donde los aditivos naturales mostraron mayor efectividad para
evitar el proceso de enranciamiento que el BHT.
1.2.3 Tomillo y romero: generalidades y mecanismo antioxidante. Se conoce con
el nombre “tomillo” a las diversas plantas aromáticas del género Thyme, familia
lamiaceae o lamiales, y que se emplea generalmente con fines medicinales y
alimenticios (como condimento). El tomillo (Thymus vulgaris) es originaria del
mediterráneo, donde algunas especies forman un tipo especial de vegetación
arbustiva no mayor a 50 cm de altura. Morfológicamente es una planta perenne
de tallos leñosos y grisáceos, hojas ovadas, flores blancas o rosadas, y cuya
mayor cualidad sensorial es su potente olor característico, como resultado de la
composición de su aceite esencial (Stahl – Bizkut & Sáez, 2002). La composición
química del aceite esencial de tomillo varía según la geografía, país de origen,clima, etc.; aunque sus componentes principales se mantienen a lo largo de la
especie. Para la variedad Thymus vulgaris (la más común) el timol es el
componente principal (aproximadamente en un 40 – 50%), seguido por el
carvacrol (≈5%), p-cimeno (≈30%) y γ-terpineno (≈2%) (Horváth et al, 2006). De
hecho, el efecto antioxidante está determinado principalmente por los isómeros
timol y carvacrol; especialmente el timol dada su mayor resistencia estérica en el
grupo fenólico en comparación con el carvacrol lo que a su vez impide reacciones
colaterales indeseables (los compuestos fenólicos tienen la capacidad de donar
los átomos de hidrógeno del grupo funcional hidroxilo al reaccionar con radicales
peroxilo, lo cual produce radicales estables fenoxilo y por ende termina la reacción
en cadena típica de los procesos de oxidación lipídica. Luego, entre menor sea la
probabilidad de reacciones simultáneas para dicho grupo funcional mejor será su
efecto como receptor de radicales libres). El efecto antioxidante de estos
compuestos fenólicos (timol y carvacrol) es dependiente de la concentración de
los mismos (Yanishlieva et al, 1999; Mastelic et al, 2008).
El romero (Rosmarinus officinalis) es un arbusto perenne muy aromático de la
familia de las labiadas, que puede llegar a medir hasta 3 metros y que
generalmente crece espontáneamente en los matorrales en compañía de otras
plantas como el tomillo o el espliego. Posee tallos erectos y ramificados, hojas
lineares de color verde al haz y blanquecinas al envés y flores pequeñas de color
azul pálido. Al igual que el tomillo posee un olor particular debido a la composición
de su aceite esencial (Botanical-online, 2009). La composición química de su
aceite esencial es mayoritaria en 1-8 cineol / eucaliptol (40 – 80%) con menores
cantidades de otros compuestos como el canfor (2 – 14%), borneol 12 (2 – 10%) y
el α-pineno (2 – 25%) (Burt, 2004; Dimitrijévic et al, 2007).
Ocasionalmente (como en el caso del aceite a usar en este trabajo) ácido
rosmarínico puede estar presente dentro de la composición del aceite esencial. El
mecanismo antioxidante del aceite esencial de romero obedece principalmente al
efecto conjugado del eucaliptol, el pineno y el ácido rosmarínico (de estar
presente). Los dos primeros hacen parte de compuestos monoterpenoides
(aunque el eucaliptol es más bien un fenólico) que se caracterizan por su
interacción con radicales libres lo que impide que las reacciones en cadena se
lleven a cabo. El ácido rosmarínico es un compuesto fenólico con cuatro grupos
hidroxilo en su estructura, y si bien esto puede beneficiar la reacción entre el
antioxidante y el radical libre para impedir la propagación de más radicales,
realmente es la posición estructural de los OH- en el compuesto antioxidante la
que es determinante (en el ácido rosmarínico están hacia los extremos lo que
puede favorecer las reacciones colaterales indeseables) (Wang et al, 2011; Erkan
et al, 2008).1.2.4 PELICULAS POLIMERICAS COMESTIBLES.
El efecto nocivo del oxígeno en los alimentos se han retrasado comúnmente con
la aplicación de antioxidantes y agentes anti-pardeamiento, tales como los ácidos
ascórbico y cítrico. La inclusión de antioxidantes de sabor fuerte, (por ejemplo,
aceites esenciales, N-acetilcisteína y otros) en películas y recubrimientos
comestibles puede permitir la encapsulación de sabores generados por la
oxidación y pueden reducir los fuertes aromas. Además de este método, la
oxidación puede ser eficaz mediante la selección de películas y recubrimientos de
permeabilidad limitada para el oxígeno. De acuerdo con Kester y Fennema (1994)
las películas y recubrimientos hidrofílicos (polisacáridos o basados en proteínas)
por lo general ofrecen una buena barrera a la transferencia de oxígeno. Esta
propiedad es a su vez, muy afectada por la cantidad de agua que pueden
hidrolizar la película y la temperatura de almacenamiento. Dentro de las peliculas
poliméricas más investigadas están las que se basan en proteínas como almidón,
quitosano, colágeno y gluten, ya que son hechas a partir de materias primas más
fáciles de obtener. De lo anterior se puede hacer un aparte en la peliculas de
quitosano, ya que este compuesto tiene un gran número de aplicaciones y ha
comprobado ser una materia prima de excelentes resultados en el campo de los
alimentos.2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Materiales
A partir de quitosano de alto peso molecular y alto grado de deacetilación 98.9% (
donación de la Universidad Austral de Chile, Santiago, Chile) puesto en solución
se preparo una dispersión para la formación de la película, (con viscosidad de
0.8 Pa s , quitosano 1% p/p en 1% p/p acido acético glacial). Sin adicción de
plastificante. Los aceites esenciales de tomillo y de romero fueron provistos por
los laboratorios de fisicoquímica ICTA (Bogotá, Colombia) y los demás
compuestos requeridos fueron entregados por los laboratorios LIQ e ICTA
financiados por la DIB de la Universidad Nacional de Colombia.
2.2 DISEÑO EXPERIMENTAL
Tabla 1. Tabla de datos muéstrales requeridos para medición de cada una de las
propiedades a evaluar
1 % Quitosano 3 % Quitosano
Tip X X
Romero 1 4
o
0.75 g/1g X X
de 2 5
quitosano X X
Ac
3 6
eite X X
Tomillo 7 10
0.75 g/1g X X
8 11
quitosano X X
9 12
2.3 ENSAYOS PRELIMINARES
2.3.1 Determinación de la cantidad de aceite esencial en las películas. Se
realizó una revisión bibliográfica para comparar las cantidades de aceite esencial
usado en investigaciones preliminares con otros aceites esenciales (AES),
observando que el valor de 1 % p/p es el valor que mas reporta la literatura
reciente. Se realiza junto a esta concentración unas muestras blanco las cuales
solo contienen el quitosano.
2.3.2. Preparación de las soluciones formadoras de peliculas
Se realizó una solución acuosa de acido acético glacial (0.1 M) a 25 ºC a la cual le
fue agregado quitosano (1 % p/p).después de una agitación a 600 RPM durante la
noche se obtiene una mezcla homogénea de color traslucido y tono ligeramenteamarillo. Luego de tener esta solución se agrega la cantidad de aceite esencial a
la solución del polímero hasta alcanzar la concentración final de (1% p/p).
Junto a esto se realizan las soluciones de quitosano a sus diferentes
concentraciones sin la adicción de aceites esenciales.
Las mezclas son agitadas a temperatura ambiente usando agitadores magnéticos
esterilizados.
Luego estas mezclas pasan a ser desgasificadas por medio de un equipo de
ultrasonido (Bransonic® 8510, USA) durante un periodo de 15 min a temperatura
ambiente.
2.4 EVALUACIÓN DEL EFECTO DE LOS ACEITES ESENCIALES EN LAS
PROPIEDADES DE LAS PELICULAS DE QUITOSANO
2.4.1 Preparación de las muestras para análisis. Se dispersa las soluciones en
placas de teflón de manera que se agrega 10 ml de solución para realizar cada
película, luego se realiza un proceso de casting en un horno secador donde se
colocan las soluciones a 60 ºC durante 24 horas. Luego se puede retirar las
películas resultantes fácilmente de la placa de teflón, las cuales obtienen forma
irregular que se recorta para lograr un tamaño y forma estándar con el cual se
hacen las pruebas de las propiedades respectivas.
Figura 1. Diagrama de flujo para el proceso de preparación de las muestras
Mezclado Desgacificac
Agitaci
Quitosan con Ac ión con
ón por
o Acetico ultrasonido
15 h
0.01 M por 15 min
Filtración
con papel
Mezclado filtro (Si se
Homogeneización
con AES presentan
sedimento
s)
2.4.2 Analisis de propiedades. Comportamiento reológico. El comportamiento
reológico de las soluciones formadoras de las respectivas peliculas fueron
analizados por triplicado a 25 ºC usando un reómetro rotacional (HAAKE
Rheostress 1, Thermo Electric Corporation, Karlsruhe, Germany LIQ) con un
sistema de sensores por cilindros coaxiales, tipo Z34DIN Ti. Las muestras se
dejan en reposo por 5 minutos antes de tomar las medidas en el equipo. Losesfuerzos cortantes (s) fueron obtenidos como una función de la tasa de corte Þ
entre 0 and 300 s-1, tomando 3 min cada prueba (ciclo de up and down). Los
datos experimentales obtenidos se ingresan a la siguiente ecuación del modelo
Ostwald deWaale (Eq. (1)) para determinar los esfuerzos cortantes y la viscosidad
de la solución.
2.5. Preparación de películas
Se utilizo un método de casting para la obtención de películas. La solución
formadora de película se vierte sobre una placa plana de teflón enmarcado y
nivelado placa (cuadrado de 15 cm de lado) y se secaron en las condiciones
reguladas de un horno secador (alrededor del 60% de humedad relativa y 60 ºC)
durante 20 h. El espesor de la película fue controlado mediante el vertido de la
cantidad de solución utilizando la cantidad mínima para cubrir en totalidad la
superficie de la placa. Las películas secas lograron un peso de aproximadamente
60 g/m2 en todas las formulaciones de película. El secado se dio de manera
uniforme y controlada por la utilización del equipo nombrado anteriormente.
2.6 Caracterización de las películas
2.6.1. Espesor
El espesor de las películas fue determinado con un micrómetro análogo de
medida cercana a 0.01 mm. Para esta prueba fueron tomados tres datos de cada
película en puntos aleatorios de la misma para obtener las medidas.
2.6.2. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas fueron analizadas por medio de ensayos de tensión
(ASTM método estándar D882, ASTM, 2001), para obtener el verdadero estrés (s)
vs curvas de tensión de Hencky (3H). Se evaluaron los siguientes parámetros
mecánicos: Módulo de elasticidad (EM), resistencia a la tensión (TS) y punto de
quiebre (E). Las pruebas fueron realizadas en un texturometro universal de
ensayos (Modelo TA.XT plus, Stable Micro Systems, Haslemere, Inglaterra), con
una carga de 500 N se utilizó para realizar las pruebas.
Se estableció utilizar muestras rectangulares (30 * 100 mm) se cortaron y se
almacenaron a 25 ° C. La humedad contenida por las películas utilizadas para la
prueba mecánica presentan un rango entre 0,09 y 0,15 (g agua / g de la película),
con una disminución significativa (p <0,05).
Muestras uniformes de película se montaron sobre las pinzas de tensión del
texturometro para agarrar y se estirar a 50 mm de 1 min hasta que se rompa. Las
pruebas se realizaron por triplicado con cada formulación.RESULTADOS Y DISCUSION
3.1 PRUEBAS PRELIMINARES
En los ensayos preliminares se evaluó la estabilidad de las soluciones de
quitosano y si era necesario el uso de agente plastificante o emulsificante en las
muestras, la influencia del tiempo de agitación y las revoluciones sobre el
resultado final de las películas obtenidas. En la prueba de estabilidad se encontró
que después de 24 h de agitación a mas de 450 RPM ninguna de las
concentraciones evaluadas mostró evidencia de separación de fases, por lo que
se eligió el límite superior del rango reportado bibliográficamente (es decir se
utilizo 24 h a 600 RPM) como características de agitación para las demás
películas que se produjeron en adelante. El medio utilizado de acido acético (0.1
M) se evaluó también en concentraciones menores hasta llegar a agua (0.1 M,
0.05 M y 0 M Ac. Acético), observando que a 0.05 M no se lograba total
solubilidad del quitosano y además las películas finales resultaban quebradizas.
La agitación de las soluciones al aplicárseles posteriormente los aceites
esenciales es de suma importancia, ya que se obtuvieron varias películas con
burbujas de aceite dispersas en la superficie, causando así la ruptura final de la
película y que esta no fuera uniforme, la agitación aconsejable para la agitación
de la solución con los aceites esenciales es un tiempo mayor a 15 min a 450 RPM
o más. Las propiedades finales de las películas se ven afectada de manera
importante al cambiar el material de la placa donde se realiza el proceso de
Casting, ya que se obtuvieron películas de buen aspecto y muy uniformes al
utilizar vidrio como placa, pero con el gran inconveniente que eran muy difíciles de
desprender y en consecuencia se fracturaron en repetidas ocasiones, en cambio,
al utilizar placas de teflón, el desprendimiento resulto más sencillo, pero, las
películas resultantes son de una tonalidad más oscura y no es del todo traslucida
la película.
Figura 2. Película de quitosano obtenida en casting sobre placa de teflónFigura 3. Película de quitosano obtenida por casting en placa de vidrio
3.2. Propiedades físicas de las películas
En general, el valor de contenido de humedad disminuyó a medida que fue
incorporado el quitosano en la película, esto se atribuye a lo compacta que se va
volviendo la estructura con mayor concentración. La agregación de AES (aceites
esenciales) causa la formación de enlaces covalentes entre los grupos
funcionales de las cadenas de quitosano, dando lugar a una disminución en la
disponibilidad de los grupos hidroxilo y amino y limitando las interacciones del
agua por enlaces de hidrógeno, lo cual resulta en una disminución del valor
de contenido de humedad de las películas comestibles (Park & Zhao,
2004). Como la concentración de AES aumenta, el contenido de humedad de las
películas disminuyó significativamente (p <0,05).Las películas de control hechas
con únicamente quitosano se compactan, y la superficie de la película tuvo un
aspecto liso, sin poros o fisuras (Fig. 1A y B, FOTOS DE LAS PELICULAS).
Estos mismos resultados obtuvieron por
Wong, Gastineau, Gregorski, Tillin y Pavlath (1992)y Seydim y Sarikus (2006).
A continuación se observa una tabla donde se comparan diferentes aspectos
evaluados a las películas y soluciones obtenidas:
Tabla 2. Propiedades físicas evaluadas en las películas y soluciones de quitosano
Propiedades físicas de las películas de quitosano con AES incorporados
Espesor (mm) Control quitosano 1% 0.095
Control quitosano 3% 0.108
Quitosano 1% Tomillo 0.102
1%
Quitosano 1% Romero 0.108
1%Porcentaje de humedad
%
Control quitosano 1% 21
Control quitosano 3% 19
Quitosano 1% Tomillo 18
1%
Quitosano 1% Romero 18.5
1%
Ph
Control quitosano 1% 3.2
Control quitosano 3% 3.2
Quitosano 1% Tomillo 3.4
1%
Quitosano 1% Romero 3.4
1%
Densidad (Kg/m3)
Control quitosano 1% 1050.2
Control quitosano 3% 1120.3
Quitosano 1% Tomillo 1067.6
1%
Quitosano 1% Romero 1084
1%
3.2.1 Pruebas de ruptura.
Las pruebas de tensión y ruptura se realizaron con resultados para cada tipo de
película obtenida (1%, 3% sin AES, 1% con AES tomillo 0.75%, 1% con AES
romero 0.75%). Estas pruebas fueron realizadas en el texturometro que se
muestra en la siguiente imagen.
Figura 4. Texturometro digital TA XT plus, en prueba a película de quitosano.Para evaluar los resultados obtenidos por el texturometro se obtuvieron las
graficas de tensión contra tiempo que se presentan en la figura 3.
Figura 5. Tensión (Kg- fuerza) vs tiempo de la prueba (sec) para peliculas de 1%
quitosano y 3% quitosano, hechas en placa de teflón.
Figura 6. Grafica comparativa de prueba de ruptura (Kg-f contra tiempo de la
prueba en segundos) para varios materiales (quitosano al 1%, quitosano al 3%,
aluminio y celofán ®).Los resultados obtenidos a partir de las películas poliméricas de quitosano
muestran que el material es más resistente a la tensión que el celophane común o
el papel aluminio. (Muestras de igual tamaño expuestas a 6 kg de tensión).
3.3 Analisis organoléptico por panel no entrenado.
Las peliculas resultantes fueron evaluadas por cuatro personas no entrenadas
para la evaluación de peliculas y envases alimenticios, se revisaron el aspecto
visual, el olor, y la percepción general del producto.
3.3.1 Aspecto Visual
El color de las películas puede influir en la aceptabilidad de los consumidores de
un producto (Sivarooban et al, 2008). Visualmente, las películas de quitosano
tenían un aspecto ligeramente amarillo. Su transparencia se reduce a medida que
se les incorporó AES. La incorporación de AES manifestó colores que fueron más
oscuros que el del control. (Datos no mostrados)
Estos resultados se obtuvieron de acuerdo con las observaciones visuales. Sin
embargo, los estudios sensoriales deben llevarse a cabo para evaluar la
aceptabilidad de los consumidores de este cambio de color.
3.3.2 Percepción general de las peliculas luego de su consumo.
3.4. Las propiedades mecánicas de las películas
El efecto de la incorporación de AES en las propiedades mecánicas de quitosano
películas se presentan en la Tabla 3. La película de control hecha solo con
quitosano tuvo una resistencia a la tracción de 10,97 MPa. Al incorporarse AES
en las soluciones de quitosano, las películas que presentaron mayor resistencia a
la ruptura fueron las que no contenían AES (p <0,05). Se consideró que una
fuerte interacción entre el polímero y el AES produce un efecto de reticulación, lo
que disminuye el volumen libre y la movilidad molecular del polímero. También
hay posibilidades tales como la disminución en el contenido de humedad de las
películas incorporadas durante la producción de películas con aceite incluido, lo
que conduce a la disminución de la tensión y aumentar la resistencia a la tracción.
Los resultados de las mediciones de contenido de humedad se muestran en la
Tabla 2. De acuerdo con Gontard et al. (1993) y Redl et al., (2005) el agua es el
plastificante mas omnipresente e incontrolable para la mayoría de películas de
base hidrocoloide, debido a su capacidad para modificar la estructura de las
estructuras naturales de los polímeros. Así, el efecto de plastificación del agua no
puede ser insignificante para estas películas, y la eficiencia de plastificación de las
películas pudo ser comprobada en elementos sin requerir plastificante extra, como
se realizo en este caso, donde no se agregó mas plastificante, pero se lograron
películas con propiedades plásticas importantes. Dentro de los datos que secompararon para las películas obtenidas en el estudio y los reportados en la
literatura (Caner et al, 2007;. García et al., 2004) se puede atribuir a la
composición de quitosano y proveedores, la presencia de plastificante y la
preparación de la película, efectos que cambian de manera importante la película
obtenida.
El pH de la película en promedio fue entre 3,2 y 3,4, se observó un pequeño
cambio de pH al realizarse la inclusión de los aceites, se puede considerar que la
concentración de aceite puede ser otro factor para la variación de pH, pero no se
logra en este estudio hacer una relación directa, otro factor que puede afectar
esta propiedad es la forma como se realice la homogeneización de la solución, en
el caso propio, se tuvo una diferencia del tiempo de agitación y de las
revoluciones de agitación entre las soluciones (se paso de 450 RPM a 600 RPM).
Sin importar el tratamiento de homogeneización, la incorporación de los aceites
esenciales tuvo un efecto significativo de la viscosidad. Al menor contenido
(0,5%), la incorporación de los aceites esenciales produjo un significativo aumento
de la viscosidad con respecto a las dispersiones de quitosano puro. Sin embargo,
en el contenido de aceite (1%), las soluciones con contenido de aceite al 1% eran
menos viscosas que las dispersiones de quitosano puro. Este comportamiento se
puede explicar teniendo en cuenta dos efectos opuestos: la presencia o el
aumento de la concentración de la fase dispersa (aceite) tiende a aumentar la
viscosidad del sistema, mientras que la adsorción de las gotas en la superficie del
polímero provoca una disminución de concentración de la fase acuosa en la
solución.
Los análisis de las propiedades de las soluciones formadoras de las películas nos
permiten concluir que el quitosano adsorbe sobre la superficie las gotas de tomillo
y de romero, se observa que entre mayor es la reducción del tamaño de partícula
para los AES, mayor es la adsorción de quitosano. Por lo cual las soluciones que
incluyeron aceite pero en gotas grandes (D > 2 mm) no lograron ser películas bien
formadas y se obtuvo en cambio burbujas que rompían la estructura.
Se realizo un cambio de la inclusión del aceite, al ser lentamente incluido por
medio de jeringa en toda la solución y luego se procedió a agitar a 600 RPM
durante 10 minutos. En estas condiciones el aceite tamaño de las partículas se
redujo considerablemente y la viscosidad se disminuyo.Figura 7. Grafico de esfuerzos vs gradientes para la solución de quitosano puro
1%
Esfuerzos vs gradientes
SLN QUITOSANO 1%
16
)
3 14
-
0
1 12
*
a 10
P
(
s 8
e
t n 6
a
t 4
r
o
c 2
s
o 0
z
r
e 0 100 200 300 400 500 600 700
u
f
s
E
Gradiente (s -1)
Tabla 3. Valores absolutos de esfuerzos cortantes vs gradiente para la película de
quitosano al 1% (p/p)
VALOR ABS
Tao D Viscosidad
0,7298 27 0,02702963
1,1926 43,2 0,02760648
1,869 75,6 0,02472222
3,1684 124,2 0,02551047
5,2866 207,9 0,02542857
8,7576 348,3 0,02514384
14,4536 580,5 0,02489854Figura 8. Grafico de esfuerzos vs gradientes para la solución de quitosano puro
3%
Esfuerzos vs gradientes
SLN QUITOSANO 3%
120
)
3
0- 100
1
*
a 80
P
(
s 60
e
t
n
a 40
t
r
o c 20
s
o
z 0
r
e
u 0 100 200 300 400 500
f
s
E
Gradiente (s -1)
Tabla 4. Valores absolutos de esfuerzos cortantes vs gradiente para la película de
quitosano al 3% (p/p)
VALOR ABS
tao D Visco sidad
1,88 4,45 0,42247191
3,008 7,12 0,42247191
4,512 12,46 0,36211878
7,144 20,915 0,34157303
12,032 34,265 0,35114548
18,8 57,405 0,3274976
29,328 95,675 0,30653776
45,12 159,755 0,28243247
67,304 267 0,25207491
98,888 445 0,22222022
Las graficas de esfuerzo cortante vs gradiente de velocidad sobre distancia,
muestran una relación lineal, lo cual significa que las soluciones de quitosano
funcionan como fluido newtoniano. Estas pueden ser comparadas con las graficas
obtenidas por otros autores en la literatura (Bonilla et al, 2011, Seyed et al, 2010).CONCLUSIONES
Se obtuvo de manera exitosa la solución de quitosano al 1% (p/p) y al 3% (p/p)
con las cuales se logro hacer el proceso de casting sobre placas de vidrio y de
teflón para obtener las películas de quitosano, que fueron posteriormente
utilizadas para evaluar algunas propiedades físicas y mecánicas. A las soluciones
de quitosano, se les hizo un agregado de aceite de romero y a otras muestras se
les agrego aceite de tomillo obteniendo películas con propiedades mas elásticas,
maleables, películas más delgadas y con el olor característico del aceite. En estas
películas se obtuvo valores de resistencia al punto de quiebre menores y sucedió
lo mismo para los valores de punto de ruptura.
Las soluciones y películas obtenidas tienen gran potencial para uso como
empaque para productos alimenticios con la especificidad que debe tener el
alimento, en cuanto a que el alimento debe tener una superficie seca para que
durante el tiempo de almacenamiento la película (que para el caso sería el
empaque del producto) no se logre solubilizar de alguna manera por factores
ambientales.
Además de su función como recubrimiento de alimentos, se le realizo a las
diferentes películas algunas pruebas organolépticas para lo cual se concluye que
debe tenerse una previa evaluación del aceite esencial que se incluya en la
película porque el olor y sabor presente en esta, puede alterar de manera
considerable la percepción organoléptica total del alimento.RECOMENDACIONES
Este polímero obtenido tiene gran capacidad de uso, en múltiples tipos de
alimentos, se recomienda seguir la investigación de este material con aceites
esenciales de otro tipos que puedan ser mas compatibles con el sabor, olor y
aspecto organoléptico general del alimento que vaya a empacar (el aceite de
romero y de tomillo es muy compatible para usar con productos cárnicos o
pescados, pero afecta mucho en el aspecto final si se usa para frutas o
alimentos muy aromáticos).
En otras investigaciones que fueron consultadas se observa que hay una
evaluación de la permeabilidad del agua que tiene la película de quitosano,
pero no se encontró que esta propiedad haya sido evaluada para peliculas de
quitosano con aceites esenciales incluidos dentro de su matriz, por lo cual es
muy recomendable analizar esta propiedad y revisar si es considerablemente
variada por el aceite
A partir de las diferentes peliculas de quitosano que se logro obtener se
puede hacer un completo estudio de cómo mejoran la conservación y el
alargamiento de la vida útil de algún alimento en especifico y si el efecto varia
entre el almacenar el mismo alimento con la película o secar su superficie y
recubrir el alimento por la solución de quitosano.6. BIBLIOGRAFÍA.
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