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NS-82-AA-CL Plato Biodegradable (a base de mucilago de nopal, cascaras de huevo y almidón de maíz)


Categoría: Medio Superior (Preparatoria)
Área de participación: Ciencias Agropecuarias y de Alimentos

Miembros del equipo:
Abigail Flores Ocampo
Itzel Cuevas Facundo

Asesor: María del Rosario Hernández Domínguez

Escuela: Universidad Tecnológica del Sur del Estado de México

Resumen

Se  ha estimado que los residuos de  plástico  constituyen  una buena  parte  de  los residuos sólidos urbanos en el país, teniendo estos un importante impacto en el ambiente. Como solución a estos problemas, han surgido los plásticos biodegradables que se obtienen a partir de fuentes renovables como las plantas y tienen un periodo de degradación corto. Retomando el problema anterior, el propósito de este trabajo es desarrollar un plato biodegradable a partir de almidón de maíz, cáscaras de huevo y mucilago de nopal utilizando un proceso de prensado, realizando varias pruebas con diferentes   formulaciones   hasta   la   obtención   de   un   plato   tipo   pastelero   lo suficientemente rígido y resistente a la humedad que sea sustituto del plato de plástico comercial. La elección de materias primas fue por las razones de disponibilidad del nopal, también de la facilidad de su cultivo, este no requiere de tierras ricas, ni de cantidades grandes de agua, además de ser símbolo mexicano al igual que el maíz de donde  se  extrae  el  almidón,  trayendo  consigo  beneficios  a  agricultores  del  país; también se le da valor a los desechos del huevo, el cual ayudará a dar la textura rígida por su gran contenido de calcio.

Pregunta de Investigación

¿Podrá un plato biodegradable sustituir las necesidades de uso de un plato de unicel comercial?

Planteamiento del Problema

En la actualidad la situación del medio ambiente que se está viviendo es alarmante es por eso que tenemos que  actuar, empezando  por cambiar los malos hábitos que tenemos, uno de los problemas de mayor importancia es la contaminación que se genera día con día por la basura que se desecha, de la cual su tiempo de degradación no es el óptimo y amigable para el planeta. La forma de contaminación más común que podemos percibir es la del plástico, es la contaminación terrestre, y aunque creamos que es algo mínimo que tarde o temprano se degradará en el ambiente, lo cierto es que el plástico puede tardar hasta 1000 años en degradarse, tiempo en el cual puede provocar múltiples daños en los ecosistemas.

Si pensamos que una botella de plástico o una bolsa pueden tardar en degradarse por la naturaleza de 100 a 1.000 años, o sea que necesitamos hacer algo antes de que pase ese tiempo tirada en un vertedero. Además  alrededor de 1,5 millones de barriles de petróleo se utilizan cada año para hacer las botellas y bolsas de plástico.

Otro aspecto, por demás problemático, es el índice de contaminación ambiental en cuanto a plástico hablamos, tan solo en nuestro municipio se recaban cerca de una tonelada semanal de este producto, es preocupante realmente la captación pues se sabe que no es tan degradable fácilmente y lo que se puede se recicla y lo mandan a empresas para su reutilización, de ahí que se pretenda obtener un plástico biodegradable, factible potencialmente y sobre todo económico.

Inclusive si este plástico llega a ser canalizado y depositado en la basura, los basureros tampoco  son  una  solución  definitiva;  actualmente  la  gran  mayoría  de  depósitos masivos de basura no cuentan con la capacidad para generar un aislamiento total, por lo que terminan convirtiéndose en una fuente permanente de toxinas y lixiviados, los cuales terminan contaminando severamente también los mantos acuíferos, generando un deterioro y erosión difíciles de contrarrestar.

Por ello, tomando en cuenta los antecedentes, se plantea la pregunta ¿se puede elaborar un plato biodegradable al mezclar almidón de maíz, mucilago de nopal y cascaras de huevo?

En la universidad, se disponen de materiales  de laboratorio y algunos equipos, pero no hemos comprobado si con estos será suficiente. Por eso se está trabajando con estudiantes de la carrera de Mecatrónica, para solucionar problemas en el procesamiento. Ya que primero se espera encontrar la mezcla apropiada para tener un plato sólido y ya luego se buscará la manera de reproducirlo.

Antecedentes

Con los avances industriales, el uso de plásticos se posicionó como el material de excelencia por sus diversas características, sustituyendo a los materiales convencionales como la madera, el vidrio, el metal o el papel y cartón. Los plásticos se encuentran       como       materiales       duros, suaves,       translúcidos,       opacos, transparentes, rígidos,  flexibles,  permeables  e impermeables;  y  en  cualquiera  de sus presentaciones son ligeros, atóxicos, higiénicos y 100% reciclables; su versatilidad, bajo costo y durabilidad son las características que lo llevaron a ser el material de excelencia (Centro Empresarial del Plástico homepage, 2016). En la actualidad todo lo que compramos, viene envuelto en cubierta plástica ya sea alimentos, bebidas   o utensilios; siendo el polietileno es material plástico más usado (Enríquez, Velasco y

Ortiz; 2012), seguido del poliestireno, nylon y otros.

Los plásticos hechos a base de petróleo, el material de conveniencia por excelencia del siglo XX, están obturando los poros de nuestro planeta, por su característica de durabilidad, hace al plástico un material inadecuado desde el punto de vista medioambiental, pues es lo que hace que se degrade muy despacio, y ello plantea un gran riesgo ecológico. En muchos países, los desagües, canales y ríos están llenos de bolsas de polietileno y botellas de plástico usadas y otros artículos, hasta el punto que obstruyen la corriente natural del agua y provocan efectos adversos duraderos (WIPO, n.d).

Por el costo del proceso para el manejo del plástico y su efecto adverso al medio ambiente por su acumulación, varios países han  restringido el uso de películas y espumados plásticos, haciendo esfuerzos por reducir el tiempo de degradación de los mismos, buscando nuevas alternativas de materiales, utilizando fuentes  renovables para fabricar materiales biodegradables (Enríquez et al, 2012; Kasmuri, 2018;).

Los plásticos biodegradable son plásticos diseñados para sufrir un cambio significativo en su estructura química bajo condiciones ambientales específicas, que provocan la perdida de algunas propiedades como la resistencia, coloración, fragmentación, entre otros (ANIQ, 2018). Las ventajas principales de los bioplásticos es que tienen una baja huella de carbono, el bajo costo en la energía en su manufactura y la reducción en basura debida a su compostabilidad (Aina et al, 2016).

Los  bioplásticos,  son  un  tipo  de  polímeros  amigables  con  el  medio  ambiente, renovables y biodegradables, son manufacturados usando biomasa renovable, por métodos biológicos, físicos o químicos. Las plantas son consideradas como una opción viable para la producción de bioplásticos por ser renovables, sostenibles y producir muchos polímeros como el almidón y la celulosa que son base de los biopolímeros (Aina, 2016); así, utilizando materias primas como el almidón de maíz, papa, yuca, arroz,  trigo,  ñame,  guisantes  o  lentejas  (Mendes  et  al,  2016) se  pueden  elaborar materiales plásticos biodegradables.

Con la mezcla de polímeros biodegradables se pueden formar películas, coberturas y otros materiales de empaque, estos suelen ser manufacturados con al menos un polímero biodegradable “duro” y uno “suave” (Enríquez, 2012).

El almidón nativo es uno de los polímeros más usados   como base, pero produce materiales quebradizos y que fácilmente se humectan (Kasmuri, 2018); el almidón modificado aporta mayor elongación y resistencia a la ruptura (Enríquez et al, 2012); también se han desarrollado otras películas basadas en alginato, éteres de celulosa, quitosano, carragenina o pectinas (Gurdel et al, 2011; Kasmuri, 2018; Mendes, 2016).

Los bioplásticos de almidón se han complementado con otros como poliésteres, ácidos bicarboxílicos alifáticos, celulosa y sus derivados, ácidos grasos, glicerol, entre otros, para dar plasticidad (de ahí el nombre de agentes plastificantes) y mejorar sus características de dureza, densidad, viscosidad, flexibilidad, entre otras (Vieira et al,2011); polímeros como el ácido poliláctico (polímero sintético obtenido del almidón) polietilenvinil alcohol, acetato de polivinilo se han usado para mejorar las propiedades mecánicas de las películas basadas en almidón; las investigaciones indican que estos pueden agregarse al almidón en un porcentaje del 10 al 40%. El uso de gomas e hidrocoloides  solubles en agua se ha usado como material de refuerzo, para mejorar la resistencia a la tensión, en concentraciones desde 0,5% hasta 15%. Dentro de los aditivos que se reportan en el procesamiento de películas plásticas basadas en almidón están el  talco, dióxido de titanio, óxido de aluminio, carbonato de calcio, carbonato de magnesio, hidróxido de calcio, cerámicas, silica gel, minerales naturales, entre otros, que van del 0,05 al 5% de la composición; los aditivos reducen la capacidad de la amilosa para formar complejos y de realizar acciones hidrofílicas como la formación de puentes de hidrógeno (Enríquez et al, 2012; Souza et al, 2012).

El almidón es el principal constituyente del maíz (Zea mays L.) y las propiedades fisicoquímicas y funcionales de este polisacárido están estrechamente relacionadas con su estructura. El almidón está formado por dos polímeros de glucosa: amilosa y amilopectina. Estas moléculas se organizan en anillos concéntricos para originar la estructura granular. La distribución de la amilosa dentro de los anillos concéntricos difiere  entre  el  centro  y  la  periferia  del  gránulo,  ya  que  sólo  ocupa  los  lugares disponibles que deja la amilopectina después de sintetizarse (Agama-Acevedo, 2012). El almidón de maíz tiene alrededor de 28 % en peso de amilosa, más que el porcentaje de almidón de yuca, con 17%. Esto es importante ya que de la relación amilosa- amilopectina dependen la formación de películas o films, así como las propiedades mecánicas durante su procesamiento, así, cuando incrementa la cantidad de  amilosa se mejoran estas propiedades (Mendes, 2016). Hay muchos reportes acerca del uso de polímeros biodegradables como materiales industriales, entre estos el almidón. Su capacidad de gelificar permite moldearlo y formar películas (Enríquez, 2012; Aina,2016), además es una materia prima de bajo costo.

El mucílago de nopal (Opuntia spp.), tiene polisacáridos estructurales como; L- arabinosa, D-galactosa, ácido D-galacturónico, L-ramnosa y D-xilosa por lo que se ha utilizado como un aditivo natural para mejorar la agregación del suelo. Además, el mucílago de nopal puede cambiar la población microbiana del suelo, y generar mayor producción de enzimas extracelulares, las cuales pueden quedar unidas a arcillas y materiales húmicos por medio de interacciones iónicas, enlaces covalentes, y puentes de hidrógeno (Muñoz-Bojorges et al, 2015) pudiendo influir en una mayor degradación de la materia orgánica en el suelo (Bakshi and Varma, 2011. El mucilago se puede utilizar como aditivo en la industria de alimentos, por sus propiedad espesante, su gran capacidad de adsorción de agua, de formar geles, como reemplazante de grasas en diversos alimentos, ligante de sabor, agente emulsificante, mejorador de textura, controla la cristalización, estabiliza suspensiones, inhibe la sinéresis y crear películas comestibles (Guevara-Ayala, n.d.). En 2012 (Espino-Díaz et al, 2010) se estudió la habilidad de formar películas comestibles utilizando mucilago de nopal, en un rango de pH de 4 a 8, encontrándose que cuando solo se utiliza mucilago se forman películas rígidas y frágiles, pero al agregar agentes plastificantes se mejoran las propiedades mecánicas de estas. En 2014, se patentó el proceso de una mezcla de un plástico biodegradable con mucilago de nopal, proteína, y cera natural para diferentes usos industriales  (Instituto  Superior  Autónomo  de  Occidente  patente  WO2016/093685Al,2016).

En las últimas décadas se realizaron estudios que describen y comparan cáscaras y huevos de amniotas, tanto fósiles como actuales. La superficie externa de las cáscaras varía considerablemente entre las diferentes especies. Se encuentran huevos con la superficie lisa, ornamentada, erosionada y escamosa; además de una variación en el grado de calcificación (Simoncini et al, 2014), las características físicas y químicas del huevo, son muy diferentes entre las de aves   y réptiles. Las cascaras de huevo de gallina    (Gallus  gallus  domesticus)  presentan  hasta  96%  de  carbonato  de  calcio (Hincke, 2012), cerca del 2% de una matriz orgánica y minerales como magnesio, fósforo y otros elementos traza. Respecto al uso de cáscaras de huevo en bioplásticos, Kasmuri and Safwan (2018), prepararon un bioplástico a base de almidón de papa y quitosano, demostrando que al aplicar cáscaras de huevo en polvo se incrementa la resistencia a la tracción (o tensión de rotura), se reduce la absorción de agua, incrementa el peso y el tiempo de degradación reduce a 20 días; observaciones parecidas fueron realizadas al estudiar la degradación de poli 3-hidroxidobuturato añadiendo cascarón de huevo (Sá et al, 2018); Jiang et al (2018) prepararon y caracterizaron una película  de almidón de maíz reforzada con polvo de cascarón de huevo encontrando que esta adición puede mejorar la adhesión interfacial, dando una mayor uniformidad en la dispersión de la matriz formada.

 

 

 

 

Objetivo

Objetivo general

Desarrollar un plato tipo pastelero biodegradable que permita aprovechar diferentes materias primas (almidón de maíz, cascara de huevo y mucílago de nopal) disponibles en la región para tener una alternativa de sustitución a los platos desechables y que se fomente el uso de productos biodegradables que ayuden a mejorar medio ambiente.

Objetivos específicos

  • Realizar diversas formulaciones que permitan obtener las características específicas de un plato tipo pastelero biodegradable.
  • Llevar a cabo análisis para determinar la textura y propiedades mecánicas del plato terminado.
  • Realizar una prueba de degradación utilizando microorganismos provenientes de cáscaras de fruta.

 

Justificación

Se ha decido trabajar con la elaboración de un plato biodegradable a base del mucilago de nopal, almidón de maíz y cascaras de huevo, como sustituto del plato rígido y comercializado elaborado de plástico. Se eligieron estas materias primas por estas razones; la mejor época de auge del nopal oscila a fines de febrero hasta principios de mayo y se pueden disponer de pencas maduras durante todo el año, además se está introduciendo el cultivo de nopal en la región y por lo tanto habrá mayor disponibilidad. Uno de los principales objetivos de esta investigación, es que la población, y sobre todo la de bajo poder adquisitivo, se dé cuenta y aproveche en su totalidad el gran potencial del  nopal, ya que ésta, se encuentra distribuida prácticamente en casi todo el país y no se le ha dado la relevancia adecuada, difusión e importancia que se merece por ser un vegetal tan completo, dada su posible aplicación a diferentes campos de la ciencia, también de la facilidad de su cultivo, este no requiere de tierras ricas, ni de cantidades grandes de agua, además de ser símbolo mexicano trayendo consigo beneficios a agricultores del país.

También se le da valor a los desechos del huevo de gallina que es consumido casi todos los días por las familias  a la hora del desayuno o comida. El cascarón ayudará a dar la textura rígida, por su gran contenido de calcio, y además es compostable.

Aunque a lo largo de la investigación hemos visto que ya hay varias investigaciones sobre la elaboración de artículos desechables con residuos orgánicos, no hay uno que combine estas materias primas juntas: almidón, nopal y cáscara de huevo. Además el proceso de prensado es sencillo y no requiere gran inversión.

Una razón más para realizar este proyecto es que al ser materiales orgánicos, el lapso de tiempo que tarda en desintegrarse es corto a comparación con el plato a base de plástico, debido a sus propiedades naturales, no solo desintegrarse solo, sino también que tenga un valor agregado para que sea consumido como forraje para animales o abono para plantas; es así como se hace el mejor trato de nuestra vida con el medio ambiente.

Hipótesis

La meta de este proyecto es la obtención de un producto (plato) biodegradable, con periodo de vida corto y además permita dar un beneficio al término de su proceso de desintegración sirviendo como abono para plantas en maceta o cultivadas, ya que  con el alto contenido de calcio que tiene de una de las materias primas, las cascaras de huevo, puede servir de nutrientes para el suelo; y, el mucilago agregado igual es fermentable por los microrganismos fortaleciendo la nutrición del suelo. También este plato pudiera ser aprovechable para consumo de animales (forraje en la cría de chivos en la región) claro, primero teniendo las investigaciones necesarias y contundentes para que este no dañe la salud del anima

Método (materiales y procedimiento)

No. Materia prima
1 Mucilago de nopal
2 Almidón de maíz
3 Cascara de huevo en polvo
4 Glicerina
5 Celulosa cristalina
6 Agua purificada

 

Selección de materiales

Las materias primas que conforman al Plato son:

Almidón de maíz (polvo), adquirido a nivel comercial.

Mucilago de nopal, proveniente de pencas de nopal cultivadas a nivel casero.

Cascaras de huevo de gallina, recolectadas en cada hogar de las integrantes del equipo.

 

Acondicionamiento de materias primas y procesado del plato biodegradable

 

Cascarón de huevo en polvo

  1. Recepción de la materia prima.
  2. Lavado, se disuelven 30g de jabón lava trastes en 2 litros de agua, secolocan los cascarones y se dejan remojando por 10 minutos, después se remueven los residuos del huevo con un cepillo pequeño giratorio.
  3. Desinfectado, los cascarones se trasladan a un recipiente con alcohol y se dejan dentro por 15 minuto
  4. Deshidratado, los cascarones se triturarán en pedazos medianos y se colocaran en una charola para deshidratar, posteriormente se ponen en el deshidratador por media hora.
  5. Molienda, con ayuda de una licuadora se obtendrá el polvo de los cascarones.
  1. Tamizado, el polvo obtenido es trasladado en una coladera para obtener el más fino.
  2. Los pasos 5 y 6 se realizan dos veces para que el polvo sea más fino posible.
  3. Una vez obtenido el polvo se caracterizo en un Tamizador Cole-Parmer Performance, seleccionando las particulas retenidas en las mallas de 38 a 63 micrometros.

 

Mucilago de nopal

  1. Recepción de la materia prima.
  2. Acondicionamiento del nopal, se desprenderán las espinas con ayuda de un cuchillo
  3. Lavado, se realizará con jabón lava trastes para retirar cualquier materia extraña.
  4. Molienda, en  una  licuadora  se  colocan  500g  de  nopal  y  100ml  de  agua  para obtención el mucilago de nopal.

Metodología definitiva

  1. Una vez obtenido el polvo se colocan 2.5 g de cascaron en 30ml de agua, se agita y se deja a temperatura ambiente para humedecer completamente las partículas.
  2. .  Luego se disuelve 40 g de almidón y 20 g de glicerina en 250 ml de agua y la mezcla se gelatiniza a baño maría a 90° C durante 5 min.
  3. Después se añadió gota a gota la dispersión de cascaron de huevo a la solución de almidón gelatinizada incompleta y se mantuvo en agitación durante 30 minutos.
  4. La solución de la composición se calentó a baño maría a 90° C durante 35 minutos para permitir la gelatinización completa.
  5. Para la mezcla final se trabajo con un 100%, constituido de la siguiente manera; mucilago de nopal 30%, mezcla gelatinizada 59%, triticum 10% y celulosa 1%. Los ingredientes fueron agregados y homogenizados en el orden que han sido mencionados.
  6. Obtenida la mezcla, se vierten 100 gramos al molde de alumnio, para ser sometida posteriormente a una temperatura de 120 °C.

Galería Método

Resultados

 

 

PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3 PRUEBA 4 PRUEBA 5
100g         de

mucilago   de nopal (verdura)

50g de polvo cascaron de huevo

30g           de

almidón     de maíz

100g         de

mucilago   de nopal (verdura)

30g de polvo de cascarón de huevo

50g           de

almidón     de maíz

300g           e

mucilago de nopal

(penca)

50g de cascaron de huevo

60g   almidón

de maíz

10g de vinagre

20g           de

glicerina

50ml  de agua

150g         de

mucilago de nopal

(penca)

30g de almidón de maíz

250ml       de

agua

5g  de vinagre

10g           de

glicerina

150g         de

mucilago de nopal

(penca)

30g de almidón de maíz

30g           de

cascaron de huevo

250ml de agua

10g de glicerina

Prueba 1: La mezcla obtenida de este procedimiento estaba muy arenosa por lo que esta mezcla se desprendía sola, no tenía una textura firme o que se acercara a un superficie que caracteriza a los platos desechables biodegradables.

Prueba 2: Aquí en esta prueba nos dimos cuenta que la obtención del mucilago no era una mezcla homogénea ya que el nopal (verdura) tenía un índice muy bajo de madurez y por ello no se obtenía un mucilago con elasticidad inadecuada.

Después de realizar las pruebas anteriores se optó trabajar mejor con la penca madura del nopal.

Prueba 3: Con este proceso, aun no se acercaba al resultado esperado, al someterla al fuego esta se pegaba completamente a las superficies de la parrilla.

Prueba 4: Con la mezcla de esta prueba se iba acercando a lo que queremos llegar, sin embargo como no se incorporó el polvo del cascaron de huevo el resultado al someter la mezcla al fuego esta era muy flexible, no tenía una dureza con la que debería tener para que esta cumpliera con el objetivo deseado.

Prueba 5: Esta última prueba, está más cerca de lo que se desea obtener, ya se tiene una estructura más rígida.

 

 

Galería Resultados

Discusión

Para la medición de la biodegradacion del plato aún no se ah concluido puesto que hace pocos días se obtuvo la formulación definitiva que se utilizara y por ello a penas se comenzara a trabajara con la determinación de la biodegradacion.

Se utilizará el test de enterrado el suelo por 5-20 días para observar que tanta descomposición se tiene (Aina et al, 2016), mediante la acción de los microorganismos, calculando el peso perdido durante los días de observación.

 

 

Conclusiones

De acuerdo a los resultados obtenidos hasta el momento se determinó la mejor formulación que va cumpliendo las características que corresponden al plato fue la prueba número 5 (es la que reportamos en la metodología), las materias bases combinadas forman una mezcla (aún falta hacer bien la homogenización) que ya forma un material plástico, aunque aún poroso; sin embargo se está trabajando con la incorporación de otros ingredientes que ayuden a cubrir otras características   que poseen los platos.  También en la metodología alterna que se está trabajando se ve que puede obtener un bioplástico aunque este es más delgado por tanto no es rígido.

 Se observó que utilizando la penca madura de nopal no haciendo referencia a la verdura que se consume habitualmente, esta posee porcentajes de polisacáridos que permite darle una consistencia más espesa y moldeable.

 La hidratación del almidón de maíz a altas temperaturas es la clave para que haya una buena fusión de las materias.

 Las constantes; temperatura  y  presión  juegan  un  papel  importante  para  la obtención del producto terminado, si no se tiene la presión necesaria no se genera  una  compactación  adecuada  para  brindarle  la  forma  final  al  plato, también se tiene a consideración la temperatura porque nos ayuda a eliminar la humedad contenida y evitar cualquier tipo de proliferación de microorganismos.

 

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NS-82-AA-CL Plato Biodegradable (a base de mucilago de nopal, cascaras de huevo y almidón de maíz)


NS-82-AA-CL Plato Biodegradable (a base de mucilago de nopal, cascaras de huevo y almidón de maíz)

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography