Producción de un biocompuesto a base de almidón termoplástico de yuca amarga (Manihot esculenta crantz) y nanocelulosa obtenida de rastrojo de piña (Ananas comosus)

Abstract

En este estudio se produjo un biocompuesto a base de almidón termoplástico de yuca (Manihot esculenta Crantz) y nanocelulosa obtenida de rastrojo de piña (Ananas comosus), la elaboración de este bioplástico se presenta como una opción que pretende dar valor agregado a la yuca amarga para la extracción de almidón cuya caracterización morfológica mostró un contenido de amilosa de 20,1 %, almidón total 76,7 % y un porcentaje de rendimiento de extracción del 22 % de gránulos nativos. Además, el almidón mostró una temperatura de gelación de 79 °C. Por otra parte, el sustrato celulósico obtenido del rastrojo de piña contiene: 28,97 % de extraíbles, 71,96 % de humedad, 1,26 % de ceniza, 2,85 % de lignina, 19,38 % de hemicelulosa y 13,97 % de α-celulosa; con un rendimiento de extracción de 4,95 % NCC extraída del sustrato celulósico cuya morfología presentó un aspecto alargado en forma de varilla al ser analizado por TEM. Además, la extracción condujo a una mezcla de partículas de tamaños entre 400 y 5300 nm, estas últimas consideradas dentro del rango de macropartículas según el análisis por DLS. Las elaboración de películas de TPS permitió observar una disminución en las propiedades térmicas y mecánicas y un aumento en las interacciones con el agua de 6,34 a 7,34 % en solubilidad y de 0,14 y 0,20 (g mm h-1 m-2 kPa-1) para WVP con respecto al incremento de glicerol ocasionado por el aumento del grupo hidroxilo en la película que aumenta las interacciones por puentes de hidrógeno con el agua. Además, se investigó el refuerzo de la matriz por medio de la adición de NCC para generar TPS/NCC con concentraciones de 5, 10 y 15 % en peso de NCC cuyas propiedades mecánicas mostraron un aumento gradual en la resistencia a la tracción de hasta 1,795 MPa. Además, la adición de NCC a la matriz termoplástica condujo a una reducción en la interacción de las películas con el agua mostrando una disminución en la solubilidad, WVTR y WVP según el aumento de NCC de 5, 10 y 15 % en el TPS respectivamente, debido a que los nanocristales de celulosa pueden limitar la disponibilidad de los grupos hidroxilo presentes en las macromoléculas del almidón para formar enlaces hidrófilos con agua. Por otra parte, la adición de AER aumentó las interacciones con el agua debido a que a pesar del carácter hidrofóbico de los aceites esenciales, estos generan una disminución de las interacciones polímero-polímero y polímero – NCC lo que facilita la difusión de moléculas de agua entre las cadenas de polímeros. Por otra parte, el alargamiento a la rotura presentó la tendencia creciente debido a que el AER se comporta como plastificante aumentando la capacidad de estiramiento de la película. Finalmente, la utilización de AER como agente antimicrobiano dentro de la matriz termoplástica presentó actividad contra las bacterias E. coli y S. Aureus y los hongos A. niger y A. flavus y F. oxysporum en menor medida, a una concentración mínima inhibitoria de 4000 ppm siendo los resultados más efectivos para las películas de TPS/AER frente a TPS/NCC/AER y al aumentar la concentración a 5000 ppm. La caracterización previa del AER mostró como componentes principales el 1,8-cineol, alcanfor, β-mirceno, α-pineno, canfeno, bornil acetato y β– pineno y con un contenido de fenoles totales de 6,71 mg AGE/g romero, los cuales son responsables de la actividad antimicrobiana detectada en el AER. Por lo cual, la combinación de elementos como la NCC en polímeros naturales permite obtener biocompuestos con posibles aplicaciones para la sustitución de plásticos de un solo uso y la adición de compuestos antimicrobianos como el AER puede promover una mayor vida útil y promover la inocuidad de los alimentos.

In this study, a biocomposite based on thermoplastic cassava starch (Manihot esculenta Crantz) and nanocellulose obtained from pineapple stubble (Ananas comosus) was produced, the elaboration of this bioplastic is presented as an option that aims to give added value to bitter cassava for the extraction of starch whose morphological characterization showed an amylose content of 20.1%, total starch 76.7% and an extraction yield percentage of 22% of native granules. Furthermore, the starch showed a gelation temperature of 79 ° C. On the other hand, the cellulosic substrate obtained from pineapple stubble contains: 28.97% extractables, 71.96% moisture, 1.26% ash, 2.85% lignin, 19.38% hemicellulose and 13 97% α-cellulose; with an extraction yield of 4.95% NCC extracted from the cellulosic substrate whose morphology presented an elongated rod-shaped appearance when analyzed by TEM. Furthermore, the extraction led to a mixture of particles with sizes between 400 and 5300 nm, the latter considered within the range of macroparticles according to the DLS analysis. The elaboration of TPS films allowed observing a decrease in the thermal and mechanical properties and an increase in the interactions with water from 6.34 to 7.34% in solubility and from 0.14 and 0.20 (g mm h- 1 m-2 kPa-1) for WVP with respect to the increase in glycerol caused by the increase of the hydroxyl group in the film that increases the hydrogen bonding interactions with water. In addition, the reinforcement of the matrix by means of the addition of NCC was investigated to generate TPS / NCC with concentrations of 5, 10 and 15% by weight of NCC whose mechanical properties showed a gradual increase in the tensile strength of up to 1,795 MPa. In addition, the addition of NCC to the thermoplastic matrix led to a reduction in the interaction of the films with water showing a decrease in solubility, WVTR and WVP according to the increase of NCC of 5, 10 and 15% in the TPS respectively, because cellulose nanocrystals can limit the availability of hydroxyl groups present in starch macromolecules to form hydrophilic bonds with water. On the other hand, the addition of AER increased interactions with water because, despite the hydrophobic nature of essential oils, they generate a decrease in polymer-polymer and polymer-NCC interactions, which facilitates the diffusion of water molecules. between polymer chains. On the other hand, the elongation at break showed an increasing trend due to the fact that AER behaves as a plasticizer, increasing the stretch capacity of the film. Finally, the use of AER as an antimicrobial agent within the thermoplastic matrix showed activity against the bacteria E. coli and S. Aureus and the fungi A. niger and A. flavus and F. oxysporum to a lesser extent, at a minimum inhibitory concentration of 4000 ppm being the most effective results for TPS / AER films compared to TPS / NCC / AER and when increasing the concentration to 5000 ppm. The previous characterization of the AER showed as main components 1,8-cineole, camphor, β-myrcene, α-pinene, camphene, bornyl acetate and β– pinene and with a total phenol content of 6.71 mg AGE / g rosemary , which are responsible for the antimicrobial activity detected in the AER. Therefore, the combination of elements such as NCC in natural polymers allows obtaining biocomposites with possible applications for the replacement of single-use plastics and the addition of antimicrobial compounds such as AER can promote a longer useful life and promote the safety of the food.