Ciencia de los alimentos

 

Caracterización fisicoquímica, mecánica y estructural de películas de almidones oxidados de avena y plátano adicionadas con betalaínas

 

Physicochemical, mechanical, and structural features of oxidized oat and banana starch films enriched with betalains

 

Paul B. Zamudio-Flores^1*, Emilio Ochoa-Reyes¹, José de J. Ornelas-Paz¹, Juan M. Tirado-Gallegos¹, Luis A. Bello-Pérez², Anilú Rubio-Ríos³, Rosario G. Cárdenas-Felix³

 

¹ Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo, A. C. Unidad Cuauhtémoc, Fisiología y Tecnología de alimentos de la Zona Templada. 31570. Avenida Río Conchos s/n, Parque Industrial, Ciudad Cuauhtémoc, Chihuahua, México. *Autor responsable (pzamudio@ciad.mx).

² Instituto Politécnico Nacional, CEPROBI. 62731. Km. 8.5 carretera Yautepec-Jojutla, colonia San Isidro, Yautepec, Morelos, México.

³ Grupo BAFAR S. A. B. de C. V. a través de su subsidiaria AIAX, S. A. de C. V. 31450. Km. 7.5 carretera a Cuauhtémoc s/n, colonia Las Ánimas, Chihuahua, Chihuahua, México.

 

Recibido: septiembre, 2014.
Aprobado: junio, 2015.

 

Resumen

El almidón es una alternativa para elaborar películas biodegradables y reducir el problema de contaminación ambiental generada por los plásticos sintéticos. Para ello se buscan materiales inocuos, con propiedades similares a los plásticos comunes y, de manera reciente, que tengan una funcionalidad adicional. Por ello, el objetivo de este estudio fue elaborar películas con almidones oxidados de plátano y avena adicionadas con betalaínas. El diseño experimental fue completamente aleatorizado con cuatro tratamientos y se realizó ANDEVA de una vía con una prueba de comparación de medias de Tukey (p≤0.05). Las películas de almidón oxidado de plátano presentaron valores mayores de tensión a la fractura (5.7 MPa) y módulo de elasticidad (7.2 MPa), pero su porcentaje de elongación fue menor (25 %) en comparación con las películas de almidón oxidado de avena (1.6 MPa en tensión a la fractura, 0.2 MPa módulo de elasticidad, y 127 % de elongación). La adición de betalaínas aumentó el porcentaje de elongación en las películas de almidón sin afectar otras propiedades mecánicas, y además aumentó la permeabilidad al vapor de agua. La difracción de rayos X mostró una posible interacción entre el almidón oxidado de plátano y la betalaína. La modificación química por oxidación de los almidones de plátano y avena confirió propiedades fisicoquímicas y funcionales a las películas para usarse como materiales de empaque y como matrices poliméricas para la incorporación de betalaínas.

Palabras clave: Películas biodegradables, modificación química, propiedades mecánicas, permeabilidad al vapor de agua, antioxidantes.

 

Abstract

Starch is an alternative for developing biodegradable films that reduces the problem of environmental pollution generated by synthetic plastics. Safe materials with this characteristics must looked after, with similar properties to those of common plastics and, rather recently, they should have additional functionality. Therefore, the objective of this study was to produce films with oxidized starches of banana and oats with added betalains. The experimental design was completely random with four treatments. A one way ANOVA was carried out and means comparison was assessed with the Tukey statistical test (p≤0.05). The oxidized banana starch films presented higher tensile strenght values (5.7 MPa) and elastic modulus (7.2 MPa), but its percentage of elongation was lower (25 %) compared with the films of oxidized oat starch (1.6 MPa in stress fracture, 0.2 MPa modulus of elasticity, and 127 % elongation). The addition of betalains increased the elongation percentage in the starch films without affecting other mechanical properties, and further increased the permeability to water vapor. The x-rays diffraction showed a possible interaction between the oxidized banana starch and the betalain. Chemical modification by oxidation of the starches conferred physicochemical and functional properties to the films for packaging materials and polymeric matrices use via the incorporation of betalains.

Key words: Biodegradable films, chemical modification, mechanical properties, water vapor permeability, antioxidants.

 

INTRODUCCIÓN

El almidón es un carbohidrato utilizado para elaborar plásticos biodegradables debido a su bajo costo, biodisponibilidad y productos de degradación no tóxicos. Por ello se buscan fuentes alternativas para aislar almidón, como frutos en estado inmaduro (verde) y cereales subutilizados (Bello-Pérez y Paredes-López, 2009). El almidón en su forma nativa presenta limitaciones, como baja resistencia a los esfuerzos al corte, descomposición térmica, alta retrogradación y sinéresis, los cuales limitan su aplicación industrial, pero pueden ser superados por su modificación química (Simsek et al., 2012). El almidón oxidado tiene propiedades de formación de película (Zhang et al., 2009), con mejores propiedades mecánicas que las obtenidas con el almidón nativo (Zamudio-Flores et al., 2006). Además, el consumo de pigmentos, vitaminas, fibra dietética y compuestos fenólicos puede ayudar a reducir el riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares y cáncer (Yahia, 2010). Los mecanismos de los efectos protectores de estos compuestos no se conocen por completo, pero pueden deberse a su actividad antioxidante que les permite neutralizar radicales libres que desencadenan diversas patologías (Ferruzzi y Blakeslee, 2007). Las betalaínas se encuentran en los vegetales (e. g. betabel y tunas) y se usan como pigmentos en los jugos de frutas, pero el potencial industrial es mayor debido a su capacidad antioxidante (Butera et al., 2002) y hay actividad anticancerígena en humanos (Zou et al., 2005). Además hay investigaciones acerca de películas y recubrimientos de otros polisacáridos mezclados con agentes antioxidantes aplicados en frutas. Así, Brancoli y Barbosa-Cánovas (2000) evitaron el pardeamiento enzimático en rodajas de manzana usando un recubrimiento de metilcelulosa y maltodextrina con ácido ascórbico, mientras que Rojas-Graü et al. (2007 y 2008) confirman el potencial de una película de alginato como transportador de antioxidantes (cisteína y glutatión) en trozos de manzana, evitando el pardeamiento durante más de 20 días de almacenamiento.

La elaboración de películas a base de almidón oxidado de plátano con la incorporación de antimicrobianos como el quitosano (Zamudio-Flores et al., 2010a), con polímeros sintéticos biodegradables como el polivinil-alcohol (Palma-Rodríguez et al., 2012), y no biodegradables como el polietileno de baja densidad (Vargas-Torres et al., 2008), mostraron la versatilidad de este almidón para mezclarse con diversos compuestos y mejorar o cambiar sus propiedades fisicoquímicas y funcionales.

En la literatura revisada no hay reportes sobre la factibilidad de emplear extractos de betalaínas con almidones oxidados de fuentes vegetales subutilizadas (como la avena y el plátano) para la elaboración de películas y como la adición de las betalaínas modifican sus propiedades mecánicas y de barrera. Por ello el objetivo de este estudio fue elaborar películas con almidones oxidados de avena y plátano adicionadas con betalaínas y caracterizarlas mediante métodos fisicoquímicos, mecánicos y estructurales.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

En este estudio se usaron lotes de 5 kg de granos de avena (Avena sativa L. cv. Bachíniva) descascarillados en estado seco (maduro) procedentes de Canadá, adquiridos de Avenas del Norte S. A. de C. V. (Ciudad Cuauhtémoc, Chihuahua, México). Además se usaron plátanos machos (Musa paradisiaca L.) en estado fisiológico inmaduro, los cuales se compraron en el mercado de Cuautla, estado de Morelos. El glicerol (99 % pureza) y los demás reactivos usados fueron de grado analítico y se adquirieron de Sigma-Aldrich Co. (Toluca, Estado de México).

Almidón de avena y plátano

Para obtener el almidón de avena se usó el método de la molienda húmeda (Bello-Pérez et al., 2010); los granos de avena se remojaron (16-24 h) en una solución amortiguadora de acetato de sodio (0.02 M) y se ajustó el pH a 6.5 con una solución amortiguadora de acetato de sodio 2 M. La relación de grano/solución de remojo fue 1:2 (p/v). La mezcla se mantuvo a temperatura ambiente (20 ±3 °C) y fue agitada 24 h por periodos de 30 min. La solución se desechó, los granos se lavaron con agua destilada, se molieron (150 g) en una licuadora (Waring Laboratory, modelo 38BL54, Torrington, Connecticut, EE.UU.) con 500 mL de agua a la máxima velocidad por 1.5 min. La mezcla se tamizó con las mallas estándar ASTM no. 40 (425 μm), 100 (150 μm), 200 (75 μm), 270 (53 μm) y 325 (45 μm) usando una tamizadora eléctrica (Retsch, modelo AS 200 Control, Haan, Alemania). Finalmente, se secó el filtrado (40 °C) en una estufa (VWR, Scientific Products, modelo 1370GM-2, Cornellius, Oregon, USA) por 24 h. El almidón de plátano se aisló de acuerdo con la metodología reportada por Flores-Gorosquera et al. (2004). Los frutos se pelaron, y se cortaron en cubos de 5-6 cm (3 kg en peso total), y se sumergieron inmediatamente en una solución acuosa de ácido cítrico (0.5 g L^-1), después se molieron a baja velocidad en una licuadora Waring (modelo 38BL54, Torrington, Connecticut, EE.UU.) con 500 mL por 1.5 min. La mezcla se tamizó por las mallas estándar ASTM no. 40 (425 μm), 100 (150 μm), 200 (75 μm), 270 (53 μm) y 325 (45 μm) con una tamizadora eléctrica (Restch, modelo AS 200 Control, Hann, Alemania). El filtrado se secó (40 °C) en una estufa (VWR, Scientific Products, modelo 1370GM-2, Cornellius, Oregon, EE.UU.) por 24 h.

Oxidación de los almidones

Almidón (200 g, base seca) se pesaron y colocaron en un vaso de 2 L se pesaron y se agregaron 371 mL de agua destilada. La mezcla se mantuvo a 35 °C y se ajustó a un pH de 9.5 con NaOH 2 N. Gota a gota se adicionaron, 100 mL de NaOCl al 0.5 % de cloro activo, manteniendo un pH de 9.5 con H2SO4 1 N. Terminada la adición del NaOCl, se mantuvo el pH a 9.5 agregando NaOH 2 N durante 30 min como lo reportan Zamudio-Flores et al. (2006). La mezcla se ajustó a un pH de 7 con H₂SO₄ 1 N, se filtró al vacío y se lavó dos veces con agua desionizada; la pasta húmeda se secó 48 h a 40 °C. Los almidones se molieron y tamizaron en malla 100 US (150 μm).

Cuantificación de grupos carbonilo y carboxilo en almidones oxidados

El nivel de oxidación de los almidones se determinó por la cuantificación de los grupos carbonilo y carboxilo. El contenido de grupos carbonilo se determinó mediante el método de titulación propuesto por Smith (1967). El contenido de grupos carbonilo se calculó así:

Se utilizó 1 g de almidón (base seca) a la concentración de 1 % p/v. En promedio de tres repeticiones se consumieron 4.2 mL de blanco y ≈ 4.0 mL de muestra.

El contenido de grupos carboxilo de los almidones oxidados se determinó con el procedimiento modificado por Chattopadhyay et al. (1997). El porcentaje de grupos carboxilo se calculó así:

donde 0.028 son los miliequivalentes del grupo carbonilo y 0.045 son los miliequivalentes del grupo carboxilo. Esta determinación se realizó con 1 g de almidón (base seca) a una concentración de 1 % p/v. Se cuantificó un promedio de tres repeticiones por muestra y se cosumieron 4.0 mL de blanco y ≈ 3.8 mL de muestra.

Análisis químico proximal

En los almidones nativos y oxidados se determinó el contenido de humedad (método 934.01), proteínas (33.2.11), lípidos (920.39) y cenizas (942.05) (AOAC, 2002). El almidón total se determinó por los métodos 76-13 y 996-11 de la AACC (2000).

Elaboración de películas a partir de almidones oxidados

Para preparar las películas se usó el método de Zamudio-Flores et al. (2006) con modificaciones. Cuatro lotes fueron preparados: dos con los almidones oxidados de avena y plátano, y dos con los almidones oxidados adicionados con betalaínas. Los almidones oxidados y el glicerol se mezclaron con agua destilada para hacer lotes con un peso total de 2 kg. La concentración de glicerol y almidón en la solución fue de 2 y 4 % (p/v), respectivamente. La solución se calentó en una placa Corning (Modelo PC-620D, EE.UU.), iniciando a 25 °C y calentando hasta 95 °C. Esta última temperatura se mantuvo 10 min con una velocidad de agitación uniforme (250 rpm) con un agitador de hélice (IKA modelo RW 20 digital, WERKE, Wilmintong, NC, EE.UU). Otros estudios bajo estas condiciones y equipo permitieron corroborar que la gelatinización del almidón y su historial termomecánico fueron reproducibles. Después, la solución filmogénica se enfrió a 60 °C y se adicionó una solución acuosa de betalaínas a una concentración de 0.01 g por cada 120 mL de solución (se usó un solo lote de betalaínas para todos los tratamientos) continuando la agitación por 15 min a 250 rpm. Las películas se prepararon por "casting" (vaciado en placa), depositando las suspensiones gelatinizadas en cajas petri estériles de poliestireno (P100), y se secaron a temperatura ambiente (20±5 °C) por 72 h. Las películas formadas se desprendieron de las cajas petri y se acondicionaron en desecadores que contenían una solución salina de NaBr (HR=50±5 %) por 48 h. Después, las películas se almacenaron en bolsas herméticas (Ziploc^®, Johnson y Sons, Inc., Racine, WI, EE.UU.) por un mínimo de 24 h hasta su caracterización.

Obtención de betalaínas

La metodología reportada por Zamudio-Flores et al. (2015) fue usada. El extracto de betalaínas se obtuvo de betabeles frescos adquiridos en un mercado local, los cuales se lavaron y cortaron en trozos de 2 cm³, se introdujeron a un extractor (Túrmix, modelo Ext. Uso rudo, México). El jugo se filtró, centrifugó (13 000g 15 min^-1 4 °C^-1) y liofilizó. Para cuantificar betalaínas, el extracto se filtró través de una membrana de nylon con un tamaño de poro de 0.2 μm (Millipore Corp., Bedford, MA, EE.UU.) y se inyectó manualmente (20 μL) a un sistema de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC, Agilent, modelo 1200, Tokio, Japón), compuesto por un desgasificador, una bomba cuaternaria, un compartimento de columna de temperatura controlable y un detector UV-Vis con arreglo de diodos. La separación de las betalaínas (betanina) se realizó en una columna Zorbax Eclipce XDB-C18, la cual se mantuvo a 25 °C. Se empleó un sistema isocrático de fase móvil, compuesto por agua y metanol (70:30, v/v). El flujo de la fase móvil fue de 1 mL min^-1. El análisis se determinó a l= 538 nm. La cuantificación se realizó empleando una curva de calibración construida con tres series de diluciones independientes de betanina (como estándar externo, Sigma-Aldrich CDS000584-1G). El contenido de betalaínas en el extracto de betabel fue 5.17 mg g^-1. Para los cuatro lotes de películas se utilizó un solo lote de betalaínas.

Contenido de humedad en las películas

Después de acondicionadas las películas (50 % HR) y como parte de su caracterización se determinó el contenido de humedad, para lo cual se pesaron 0.5 g de las películas y se secaron 12 h en una estufa a 106 °C. El contenido de humedad fue el promedio de diez repeticiones.

Porcentaje de solubilidad de las películas

La solubilidad de las películas se determinó a 25 y 80 °C de acuerdo con la metodología de García et al. (2004). Piezas de 2 X 3 cm se cortaron, se pesaron, se colocaron en vasos de precipitados de 150 mL y se agregaron 80 mL de agua desionizada. Las muestras se mantuvieron en agitación constante (250 rpm) en una placa de calentamiento y agitación controlada (Corning, Modelo PC-620D, EE.UU.) por 1 h a 25 °C o a 80 °C. Las películas se secaron 2 h en una estufa a 60 °C. El porcentaje de materia soluble (% solubilidad) se calculó así:

Color triestímulo de las películas

El color triestímulo se evaluó con un colorímetro Minolta CR-300 (Minolta, Co., Ltd., Osaka, Japón). El equipo se calibró con un estándar de color blanco. Las lecturas se tomaron de puntos aleatorios en la superficie de las películas (por quintuplicado). Un promedio de 10 lecturas por muestra fue registrado. Las lecturas se reportaron en el sistema CIELAB (L*, a*, b*). El valor del ángulo hue (°hue) se calculó por la relación tan^-1 (b*/a*), y el croma por (a*² +b*²)^½.

Propiedades mecánicas de las películas

Las pruebas mecánicas consistieron en la determinación de la tensión a la fractura (TF), porcentaje de elongación (% E) y el módulo de elasticidad (ME). Las determinaciones se realizaron de acuerdo con el método ASTM-882-95a con una celda de carga de 30 kg. Se utilizaron muestras rectangulares de 6 X 1 cm, a las cuales se les determinó el grosor en 10 posiciones aleatorias longitudinales. El promedio de estas determinaciones se utilizó para calcular el área de sección transversal sobre la cual se ejerció la fuerza de tensión. Los rectángulos se mantuvieron por 24 h a una HR de 52 % en desecadores con solución salina saturada de NaBr. Las muestras se colocaron en las mordazas de sujeción del texturómetro TAXT- Plus (Stable Micro Systems, Surrey, UK), dotado con el software Exponent lite (versión 4.0). La separación entre las mordazas fue de 4 cm y se utilizó una velocidad de deformación de 20 mm min^-1. La TF se calculó por la división de la fuerza máxima sobre la película durante la fractura entre el área de sección transversal (A= grosor promedio por el ancho). El % E se determinó como el porcentaje del cambio en la longitud original entre la separación inicial de las mordazas durante la ruptura (siendo una deformación de Cauchy) %E = [(L— L₀) / L₀ X100] como fue reportado por Zamudio-Flores et al. (2010a). El ME se evaluó de la pendiente obtenida durante el comportamiento lineal de la curva de esfuerzo-deformación. Para cada película se realizaron diez repeticiones.

Propiedad de barrera al vapor de agua de las películas

La propiedad de barrera al vapor de agua consistió en la evaluación de la permeabilidad al vapor de agua (PVA) y se utilizó el método gravimétrico estándar de la ASTM E96-80. Las películas se cortaron en forma circular con un diámetro de 9 cm (área = 20.25X10^-4 m²), se acondicionaron en un desecador a una HR de 52 %, y se colocaron sobre la parte superior en las celdas de prueba. En el interior de las celdas se colocó sílica gel para generar una HR cercana al 0 %. Cada celda se colocó en un desecador, el cual contenía una solución saturada de NaCl (60 % HR). Los cambios de peso de las celdas se registraron cada hora durante al menos 7 h. Con los datos se realizó un análisis de regresión lineal, registrando la ganancia de peso en función del tiempo para calcular el coeficiente de transmisión de vapor de agua (CTVA) a partir de la pendiente de la línea recta (g s^-1) dividido por el área de transferencia (m²). Después de las pruebas de permeación, se midió el grosor (promedio de diez determinaciones aleatorizadas sobre el área de la película) y se determinó la PVA (g Pa^-1 s^-1m^-1):

donde S es la presión de saturación del vapor de agua (Pa) a la temperatura de prueba (25 °C), R1 es la HR en el desecador, R2, es la HR en la celda de permeación y D es el grosor promedio de la película (m). Bajo estas condiciones, el producto (R₁— R₂) X D fue 1753.55 Pa. Todas las pruebas se realizaron a 25 °C por cuadruplicado para cada formulación de la película.

Difracción de rayos X

Para esta difracción se usó un difractómetro de rayos X (modelo 2100, Rigaku, Amsterdan, Países Bajos) con barridos desde 2θ = 2° a 2θ = 40°, utilizando una radiación de CuKct (longitud de onda=0.1543 nm). Se pesaron 20 mg de muestras de películas y se colocaron entre dos hojas de aluminio, las cuales se sellaron herméticamente. El equipo se trabajó a 30 kV y 16 mA con una velocidad de graficación de 0.067 °/s.

Análisis estadístico

El diseño experimental fue completamente aleatorizado y los tratamientos fueron las películas con las formulaciones de almidones oxidados (avena y almidón de plátano) sin y con betalaínas. Con los datos se realizó un ANDEVA de una vía y se usó el programa Sigma-Stat, versión 2.03 (Fox et al., 1995). Las diferencias entre las medias de los tratamientos se compararon con la prueba de Tukey (p≤0.05) (Walpole et al., 1999).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Contenido de grupos carbonilo y carboxilo

En el almidón oxidado de plátano se obtuvo 0.060±0.001 % de grupos carbonilo y 0.010± 0.004 % de grupos carboxilo. El almidón oxidado de avena presentó 0.018± 0.005 % de grupos carbonilo y 0.022 ±0.001 % de grupos carboxilo. Hubo diferencias entre ambos almidones, lo cual repercutió en las propiedades de las películas. Las diferencias encontradas en el contenido de grupos carbonilo y carboxilo en los almidones pueden ser atribuidas al arreglo de los componentes del almidón (amilosa y amilopectina) en una estructura semicristalina, a la presencia de poros o fracturas, así como al tamaño de los gránulos de almidón, los cuales son característicos de cada almidón (Chávez-Murillo et al., 2008; Wurzburg, 1986). Chávez-Murillo et al. (2008) reportaron en almidones de cebada y maíz oxidado a diferentes concentraciones de NaOCl, para carbonilos de 0.05-0.26 % en maíz y 0.15-0.30 % en cebada, y para carboxilos 0.09-0.74 % en maíz y 0.20-0.83 % en cebada. Los valores aquí encontrados fueron similares en cebada e inferiores a los reportados en maíz. Otros estudios sugieren que la fuente botánica de la que procede el almidón es una variable que repercute directamente en la capacidad que tienen los almidones de oxidarse, ya que esta determina la relación de amilosa/amilopectina, la presencia de poros, canales o fracturas, el tamaño, forma y la distribución granular, y la relación de áreas amorfo/cristalinas (Chávez-Murillo et al., 2008; Palma-Rodríguez et al., 2012; Simsek et al., 2012; Zhang et al., 2009).

Análisis químico proximal

El contenido de humedad en los almidones nativos y oxidados osciló entre 4.2 y 13.1 % (Cuadro 1). El contenido de humedad aumentó en los almidones oxidados y fue mayor en el almidón de plátano; esto se relaciona con el aumento en el carácter hidrofílico de los almidones, debido a que los grupos carbonilo y carboxilo en los almidones oxidados son susceptibles de formar puentes de hidrógeno con moléculas de agua (Adebowale et al., 2002). La oxidación redujo el contenido de lípidos y el almidón total en ambos almidones, y en el almidón de plátano hubo una disminución mayor en el contenido de proteínas y cenizas comparado con la muestra de almidón de avena. La reducción en el contenido de proteínas, lípidos y cenizas está relacionada con la hidrólisis de las proteínas, reacciones de saponificación en los lípidos a causa de los reactivos químicos, y con los lavados sucesivos realizados durante el proceso de oxidación (Zamudio-Flores et al., 2007 y 2010b).

Evaluación de color en las películas

Hubo una diferencia significativa (p≤0.05) en todas las variables de color cuando se adicionó betalaína. La variable luminosidad (L*) disminuyó de 95 a 91, lo que significó un ligero obscurecimiento de la película, pero visualmente la película se mostró transparente (Cuadro 2). La variable a* describió mejor el color de las películas, ya que mostró valores negativos en las películas de almidones oxidados sin betalaína y positivos cuando se adicionó betalaína. El croma aumentó significativamente de 2.8 a 4.6 cuando se agregó la betalaína. Las variables de color como el croma y sobre todo el °hue indicaron que las películas de los almidones oxidados (plátano y avena) sin la adición de las betalaínas presentaron un aspecto transparente, y las que contenían betalaína en su formulación tomaron un color ligeramente rosado.

Contenido de humedad y grosor en las películas

La película de almidón oxidado de avena con betalaína presentó mayor contenido de humedad que su contraparte sin betalaína, pero la humedad no cambió en la película de almidón de plátano por la adición de betalaína (Cuadro 3). Al comparar la humedad de las películas sin betalaína, la de plátano presentó un valor menor que la de avena, lo cual está relacionado con la mayor oxidación en el almidón de avena. No hubo diferencias significativas (p> 0.05) en el grosor promedio de las películas, por lo que ni la fuente de almidón ni la adición de betalaínas modificó esta variable. Un grosor homogéneo de las películas se debe a la estandarización del procedimiento de elaboración. Estos valores son similares a los reportados por López et al. (2008) en películas obtenidas a partir de almidones modificados químicamente por acetilación, entrecruzamiento y acetilación, entrecruzamiento e hidroxipropilación, y por hidrólisis ácida. El grosor de las películas es una característica importante ya que puede modificar propiedades como la permeabilidad al vapor de agua y propiedades mecánicas.

Solubilidad de las películas

Las películas de almidón de plátano con y sin betalaínas presentaron menor solubilidad que las de avena a las dos temperaturas (Cuadro 3). Estos resultados se deben al mayor carácter hidrofílico del almidón oxidado de avena y al mayor número de cadenas cortas, lo cual es característico de los almidones de cereales (Chávez-Murillo et al., 2008). Al aumentar la temperatura se incrementó la solubilidad, lo cual está relacionado con el aumento en la energía cinética que ocasiona rompimiento de las cadenas y por lo tanto se solubilizan. La adición de las betalaínas en la formulación de almidón oxidado de plátano incrementó de manera significativa (p≤0.05) el porcentaje de solubilidad a las dos temperaturas, mientras que en la película de almidón oxidado de avena se observó un comportamiento inverso. En la película de almidón oxidado de avena pudiera existir una interacción entre las betalaínas y los grupos OH^- del almidón, lo cual produce una disminución en la solubilidad, mientras que en el almidón de plátano esta interacción pudiera no ser suficientemente fuerte, aunque a mayor temperatura el aumento en la energía cinética provoca mayor solubilidad debido al rompimiento de dichas interacciones y, por lo tanto el valor de solubilidad de las películas con y sin betalaínas fue similar (Barros et al., 2012). Los valores de solubilidad a 80 °C son similares a los encontrados en películas de almidón oxidado de plátano y sus mezclas con quitosano (Zamudio-Flores et al., 2009 y 2010a). Romero-Bastida et al. (2005) reportaron que el porcentaje de solubilidad en las películas de almidón de plátano, okenia y mango dependió, en su mayor parte, del tipo de almidón de fruta empleado en su elaboración.

Propiedades mecánicas de las películas

La adición de betalaínas incrementó el porcentaje de elongación (% E), mientras que la tensión a la fractura (TF) y módulo de elasticidad (ME) no cambiaron significativamente (p> 0.05) (Figura 1). Las películas de almidón oxidado de avena presentaron valores mayores de % E (aunque absorbieron menor humedad) que las de almidón de plátano, lo que indica que las películas de almidón de avena son más flexibles, lo cual es importante para algunas aplicaciones como pueden ser en cubiertas para frutas y vegetales frescos (Das et al., 2013; Pan et al., 2013). La adición de betalaínas no modificó sustancialmente la elongación, por lo que se tiene una película que adicionalmente puede producir efecto antioxidante sobre el producto que recubra. El mayor carácter hidrofílico del almidón oxidado de avena es responsable del mayor % E, aunque esto no nesariamente corresponde con su solubilidad, ya que para esta intervienen otras variables fisicoquímicas como la densidad a granel, cohesividad, adhesividad, y el tamaño y forma granular (Fu et al., 2012; Traina et al., 2013), las cuales no se determinaron en nuestro estudio. Los valores de TF y % E son comparables a los encontrados en estudios con películas de almidones modificados químicamente (Romero-Bastida et al., 2005; López et al., 2008; Zamudio-Flores et al., 2009 y 2010a). Palma-Rodríguez et al. (2012) reportaron valores de TF que variaron de 5.7 MPa, en películas de almidón nativo de plátano, a 6.3 MPa, en películas elaboradas con almidón oxidado de plátano, mientras que los valores de % E variaron entre 34 y 61 % en dichas películas, observando que la modificación química por oxidación favorece el porcentaje de elongación en las propiedades mecánicas debido a la mayor captación de agua, lo cual favoreció la relajación molecular por el efecto plastificante.

Propiedad barrera al vapor de agua de las películas

La adición de betalaínas incrementó significativamente la permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las películas, lo cual puede estar relacionado con el incremento en la solubilidad, por el carácter hidrofílico de las betalaínas (Cuadro 3). Las películas de almidón oxidado de avena presentaron valores mayores de permeabilidad al vapor de agua que las de plátano, lo cual está relacionado con su mayor contenido de grupos carbonilos y carboxilos. Zamudio-Flores et al. (2006) reportaron valores de PVA similares en películas elaboradas con almidón oxidado de plátano (PVA X10^-11 =12.50 ± 3.20 g m^-1 s^-1 Pa^-1 ) y Romero-Bastida et al. (2005) encontraron valores ligeramente mayores de PVA (24.50X10^-11g m^-1 s^-1 Pa^-1). Esta evaluación indicó que las películas desarrolladas representan, hasta cierto punto, una barrera para el intercambio de humedad del producto con el medio ambiente.

Difracción de rayos X de las películas

En todas las películas se observó un pico de difracción en 2θ= 19°, mientras que las películas de almidón oxidado de plátano presentaron otros picos de difracción en 2θ= 19, 23 y 25°. En las películas de almidón de plátano se observó un pico pequeño a 2θ= 5°, el cual no estuvo presente en las películas de almidón oxidado de avena sin betalaína y con betalaína. El pico a 2θ= 5° es característico de los almidones que presentan un patrón de difracción de rayos X tipo B, y fue reportado en almidón de plátano (Millan-Testa et al., 2005). La adición de betalaínas produjo un incremento en los picos a 2θ= 23 y 25° en las películas de los dos almidones, lo cual sugiere posibles interacciones entre estos compuestos y el almidón, tópico en controversia y que se estudia, sobre todo por los aspectos relacionados con la digestibilidad del almidón (Azeredo, 2009). Las diferencias en la intensidad de los picos de los patrones de difracción de rayos X en las películas de los dos almidones, ayudan a explicar sus propiedades fisicoquímicas, ya que ellos indican diferentes arreglos de los componentes del almidón en la matriz de la película.

 

CONCLUSIONES

Las betalaínas modificaron el color y el % E en las películas de almidones oxidados de plátano y avena, sin afectar las otras propiedades mecánicas; también aumentó significativamente la permeabilidad al vapor de agua. El patrón de difracción de rayos X mostró diferente arreglo de la estructura en las películas de almidón de avena y plátano, así como en las adicionadas con betalaínas. La modificación química por oxidación confirió propiedades a las películas para ser utilizadas como recubrimientos y como matrices poliméricas para la incorporación de betalaínas.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a Mileidy Rubí Rodríguez Orozco y Arturo Ramos Martínez por su asistencia técnica. JMTG agradece la beca otorgada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACYT-México). Este trabajo fue financiado por el CONACYT y el Gobierno del Estado de Chihuahua (FOMIX CHIH-2009-C02-126281).

 

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