Información Tecnológica-Vol. 17 N°3-2006, pág.: 63-70

MATERIALES

Morfología Superficial de Almidones Termoplásticos Agrio de Yuca y Nativo de Papa por Microscopía Óptica y de Fuerza Atómica

Surface Morphology of Sour Cassava and Native Potato Thermoplastic Starches by Optical and Atomic Force Microscopy

Harold A. Acosta (1), Héctor S. Villada (2), Gerardo A. Torres (3) y Juan G. Ramírez (4)
(1) Universidad del Valle, Depto. Ing. de Alimentos, Calle 13 No. 100-00. AA 25360 Cali-Colombia.
(2) Universidad del Cauca, Depto. de Agroindustria, Calle 5 No. 4 -70. Popayán-Colombia.
(3) Universidad del Cauca, Unid. Microscopía Electrónica,Carrera 2a No. 1A -25, Popayán-Colombia.
(4) Universidad del Valle, Departamento de Física, Calle 13 No. 100-00, AA 25360 Cali-Colombia.
(e-mail: cytbia@gmail.com)

Resumen

Se ha evaluado la morfología superficial de almidones termoplásticos (TPS) obtenidos de almidones agrio de yuca y nativo de papa, extruidos con tornillo simple, usando microscopía óptica de alta resolución (OM) y de fuerza atómica (AFM). Muestras de almidones agrio de yuca y nativo de papa más glicerina, se procesaron a 120 ºC y 50 rpm, dando extruidos que se cortaron en láminas delgadas, que se observaron por OM y AFM (modo contacto intermitente). El almidón nativo de papa mostró grandes gránulos ovoides y el almidón agrio de yuca reveló el ataque enzimático debido a la fermentación natural. Los TPS mostraron superficies lisas y rugosas dependiendo de la forma y el tamaño del gránulo, de la fermentación natural y del contenido de plastificante. Los TPS nativo de papa exhibieron pocas superficies lisas por OM y alta rugosidad por AFM; lo contrario se presentó con el TPS agrio de yuca, debido a su fermentación natural previa. Estos resultados contribuyen a predecir y entender las propiedades microestructurales, mecánicas y texturales de los almidones termoplásticos.

Palabras claves: morfología superficial, almidones, microscopía óptica, microscopía atómica

Abstract

An evaluation was made of the surface morphology of thermoplastic starches (TPS) from sour cassava and native potato, extruded with a single-screw extruder, using high-resolution optical microscopy (OM) and atomic force microscopy (AFM). Samples of sour cassava starch and native potato starch and glycerine, were processed at 120⁰C and 50 rpm, producing extrudates which were cut into thin films for observation by OM and AFM (intermittent contact mode). Native potato starch showed large ovoid granules, while sour cassava starch revealed enzyme attack due to natural fermentation. The TPS had smooth and rough surfaces, depending upon granule size and shape, starch fermentation, and plasticizer content. Native potato TPS presented few smooth surfaces by OM and high roughness by AFM. The opposite was observed with sour cassava TPS, which had experienced some previous natural fermentation. These findings contribute to prediction and understanding of microstructural, mechanical and textural properties of thermoplastic starches.

Keywords: surface morphology, starches, optical microscopy, atomic microscopy

INTRODUCCIÓN

Los plásticos sintéticos han contribuido con la contaminación ambiental provocada por desechos sólidos de baja degradabilidad. Esto ha impulsado la búsqueda de sustitutos biodegradables (Tharantahan, 2003), dentro de los cuales el almidón es la alternativa más promisoria. El almidón es un biopolímero renovable, compuesto por un complejo homopolímero de a-D-glucosa, constituido por amilopectina y amilosa. La amilosa es un polímero lineal unido por enlaces a-(1,4) y la amilopectina presenta alta ramificación, unido por enlaces a-(1,4) y a-(1,6) (Hoover, 2001). La amilosa y los puntos ramificados de la amilopectina forman regiones amorfas en el gránulo de almidón; siendo la amilosa la responsable de la formación de las asociaciones (cristalitos) en el gránulo (Thiré et al., 2003).

Los gránulos de almidón tienen diferentes tamaños y formas dependiendo de la fuente biológica de donde provengan. La forma puede ser circular, elíptica, ovalada, lenticular o poligonal (Jane et al., 1994). La forma y el tamaño del los diferentes gránulos del almidón pueden afectar el comportamiento físico-químico, reológico, textural y morfológico de nuevos productos. Este es un interrogante se ha presentado en varias investigaciones (Lindeboom et al., 2004). Los gránulos de almidón pueden sufrir una depolimerización interna entre la amilosa y la amilopectina al aplicar suficiente calor. Un proceso que dépolimeriza el almidón en condiciones de altas temperaturas, presiones y velocidad del tornillo es la extrusión (Wiedman y Strobel, 1991).

El almidón ha ganado importancia en el desarrollo de nuevos productos por el bajo costo y la alta disponibilidad a partir de diferentes fuentes como cereales, tubérculos y leguminosas (Demirgroz et al., 2000). De la papa y la yuca se pueden obtener dos tipos de almidones; almidón nativo, que no ha sido sometido a procesos fermentativos y el almidón agrio o fermentado. El almidón agrio de yuca es utilizado en la fabricación de productos tradicionales de panadería y se obtiene en procesos cuyos parámetros no están bien definidos, por lo cual, presenta variación en la calidad del producto final. La obtención de almidón agrio consiste en pelar, lavar, moler las raíces, que luego se filtran y decantan para obtener los gránulos de almidón, que luego se pasan a tanques para su fermentación natural. Durante el proceso de fermentación, se presenta disminución del pH debido a la liberación de ácidos orgánicos, como consecuencia de la acción conjunta de los microorganismos y las reacciones químicas involucradas en el proceso (Petruccelli et al., 1993). La fermentación y la acidez del medio, generan en el almidón cambios en el peso molecular y en la morfología superficial del gránulo (Cárdenas y Bucle, 1980). En Colombia la fermentación del almidón de yuca se realiza en pequeños fábricas rurales llamadas ‘rallanderías’.

El almidón se puede convertir a un material termoplástico por la destructuración granular en presencia de plastificantes (agua, glicerol, sorbitol, xilitol, entre otros), bajo condiciones específicas de proceso (Kruiskamp et al., 2001; Xiaofei y Jiugao, 2004) que pueden incluir equipos usualmente empleados en el procesamiento de plásticos sintéticos, como extrusores (De Graaf et al., 2003).

Existe mucho interés en la utilización de almidón termoplástico (TPS) para el desarrollo de plásticos biodegradables, como bolsas desechables, platos, vasos, cucharas, tenedores, cuchillos y bolsas para la basura (De Graff et al., 2003). Sin embargo, aun subsisten problemas en la estabilidad estructural de los TPS desarrollados a partir de almidones nativos, provocados por su rigidez o fragilidad debido a la absorción de agua (Forssell et al., 1999); la recristalización de las cadenas poliméricas de amilosa y amilopectina, producto del envejecimiento del material en el tiempo (De Graff et al., 2003); la relajación del volumen libre (Aichholzer y Fritz, 1998) y la poca miscibilidad de la amilosa y amilopectina en el plastificante, dado que se genera una separación de fases entre las cadenas poliméricas y el plastificante (Thiré et al., 2003).

La microscopía de fuerza atómica (AFM) es una técnica de adquisición de imágenes, usada en el estudio de superficies (Forssell et al, 1999). Con AFM se construyen imágenes superficiales por el contacto de una punta de vidrio o de diamante sobre una micropelícula. La punta se opera sobre un brazo flexible en modo con o sin contacto con la muestra y se usa para estudiar superficies en materiales biológicos (Bustamante et al., 1995) y en el análisis estructural superficial de polímeros termoplásticos de almidón (Thiré et al., 2003). El microscopio óptico (M.O) da una imagen virtual amplificada de un objeto pequeño; consta de un objetivo y un ocular.  La finalidad del objetivo es producir una primera imagen real de la muestra en ciertas condiciones de proximidad y tamaño. Esta imagen funciona como objeto frente al ocular, que da la imagen virtual definitiva observada. En la técnica de contraste diferencial de interferencia (DIC), se observaron muestras biológicas sin necesidad de usar tinción (Fiedorowicz et al., 2002).

En este trabajo, se usó Microscopía Óptica de Alta Resolución (OM) usando la técnica DIC para mostrar diferencias morfológicas entre los almidones agrio de yuca y nativo de yuca y papa. Además, se usó microscopía de fuerza atómica AFM para observar las superficies de almidones termoplásticos agrio de yuca y nativo de papa procesada por extrusión de un solo tornillo. Los TPS fueron almacenados en condiciones ambientales constantes.

OM y AFM fueron utilizados para observar los cambios superficiales de los TPS de almidones agrio de yuca y nativo de papa. El TPS agrio de yuca mostró mayor homogeneidad que el nativo de papa, este efecto aumentó cuando se incremento el contenido de plastificante. Este trabajo ayudará al desarrollo de nuevos empaques biodegradables basados en almidones autóctonos.

MATERIALES Y METODOS

Se obtuvo almidón de yuca de la variedad HCM-1, provista por el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT, Palmira, Colombia) en Jamundí, Colombia. El proceso de extracción y fermentación de 20 días del almidón de yuca, se realizó en una rallandería en Santander de Quilichao, Colombia. El almidón nativo de papa, variedad ICA-Nariño fue comprado a la Rallandería Yarumal en la Agustina, Colombia. El contenido de humedad en ambos almidones fue del 10%. Se uso glicerina grado USP (Varela, Colombia; 99.7% pureza y 0.03% de agua).

Preparación y pulverización de los almidones

Terminado el proceso de fermentación y de secado natural del almidón agrio; se molió y tamizó. Se pulverizó en un molino ciclónico de aspas con una apertura de 53 mm. Luego, se refinó en un molinotamiz cilíndrico con un ciclón clasificador y un recolector de 30 y 15 cm de diámetro respectivamente y un ventilador centrífugo con aspas de 5 HP a 1715 rpm. Se aplicaron los mismos procesos de molienda y tamizado para el almidón nativo de papa. Se usaron los equipos del Consorcio Latino de Aprovechamiento de la Yuca (CLAYUCA-CIAT, Palmira, Colombia).

Condiciones experimentales

Se uso una velocidad de tornillo de 50 rpm y el perfil de temperatura fue de 120 °C distribuido así: zona de alimentación: 110 °C y 115 °C; compresión y bombeo: 125 °C y 125 °C; plato rompedor: 125 °C y boquilla 120 °C. Se usó un extrusor de un tornillo (IDE, modelo 3027, Electra, Faurndau, Alemania). De la planta piloto del Centro de Desarrollo Tecnológico de Servicio Nacional de Aprendizaje CDT-ASTIN-SENA, Cali, Colombia. El tornillo fue de tipo torpedo, cónico y sin segmentación (L/D: 25, D= 25 mm), diámetro de boquilla, 8 mm y sección de reposo interna de la boquilla, 1.5 cm de longitud.

Se prepararon cuatro mezclas de 250 g así: M1: 85% Almidón agrio-yuca +15% glicerina; M2: 75 % Almidón agrio-yuca +25% glicerina; M3: 85% Almidón nativo-papa +15% glicerina; M4: 75% Almidón nativo-papa +25% glicerina. Se produjeron cordones de TPS de 150 mm de largo con diámetro promedio de 11± 0.5 mm, medidos con un pie de rey (digital electrónico, Elektro-Physik, 3001 Köln, Alemania). Las muestras se equilibraron almacenándolas por una semana a 68% HR y 23.2ºC.

Preparación de las Micropelículas

Se realizaron cortes de 1mm de espesor y un área transversal de 3 mm² con un ultramicrótomo marca (Leica Ultracut UCT, Austria) para los análisis de OM y AFM. Cada corte fue adherido a un vidrio delgado transparente de 1 mm de espesor.

Microscopía óptica

El análisis de almidones y de TPS, se hizo con un OM marca (Nikon Microphot, Japon) adaptado a un software Leica Qwin 550 con lentes objetivos de un aumento máximo de 100x y mínimo de 4x. Las muestras se observaron en 20x, sin preparación previa ante la imposibilidad de teñirlas por la naturaleza higroscópica del TPS. Se utilizó la técnica de contraste diferencial de interferencia (DIC), que aprovecha diferencias en el índice de refracción y del espesor de la muestra, permitiendo determinar la topografía de la muestra (Toshio et al., 2000).

Microscopía de fuerza atómica

Para el análisis superficial de los almidones termoplásticos agrio de yuca y nativo de papa, se utilizó un AFM que obtuvo imágenes en modo contacto intermitente (la punta aplicó fuerzas entre 1-10 nN) (Park Scientific Instrument AF Microscope). Con esta técnica se pueden escanear regiones de una microtelícula de forma vertical (Y), horizontal (X) y en la dirección (Z) de varios micrones a una resolución de nanómetros. También, se captan imágenes en 2 y 3 dimensiones con tamaños D² (4 a 25 mm²). Todas las muestras fueron escaneadas en un área transversal de 4 mm².

RESULTADOS Y DISCUSION

Microscopía óptica del almidón nativo y agrio

La Figura 1, muestra las fotomicrografías obtenidas para los almidones nativos de yuca, papa y agrio de yuca. Se usó solo la técnica de contraste diferencial de interferencia (DIC). Esta técnica permitió observar los cambios en forma y tamaño en ambos gránulos de almidón (yuca y papa).

Las flechas señalan las formas regulares de los gránulos nativos del almidón de yuca (esféricos y redondos) antes del proceso de fermentación natural y de papa (ovoides y redondos), al igual que las deformaciones de los gránulos de almidón agrio de yuca después del proceso de fermentación natural. La Fig. 1A, muestra gránulos de almidón nativo de yuca esféricos o semiesféricos, dada la cristalinidad de los gránulos. Estas observaciones coinciden con lo reportado (Cereda, 2000). En la Fig. 1B, se ve el almidón nativo de papa con formas típicas ovoides y esféricas, lo que coincide con la literatura (Jane et al., 1994).

Cuando el almidón nativo de yuca pasa por un proceso de fermentación natural la forma esférica del gránulo se va perdiendo y el almidón va tomando formas alargadas. 

Las Figs. 1C y 1D muestran las formas irregulares y los diferentes tamaños de gránulos fermentados y una menor presencia de gránulos esféricos. La cristalinidad del gránulo de almidón aumenta a medida que disminuye el contenido de amilopectina, debido al ataque de las enzimas en regiones amorfas, donde hay mayor amilopectina (Cereda, 2000). Esto incide en el incremento aparente del contenido de amilosa (Alarcón y Dufour, 1998). También, se ha reportado que cuando el almidón nativo de yuca se trata con amilasas, estas atacan inicialmente las regiones amorfas del gránulo debido a la alta susceptibilidad (Billiaderis et al., 1981). En las Figs. 1C y 1D, se observa que la degradación enzimática no es homogénea, pues hay gránulos que conservan su esfericidad, debido a que la actividad enzimática de las amilasas durante la fermentación natural débil (Giraud et al., 1994).

Fig. 1: Imágenes obtenidas por microscopía óptica a 20x. Almidones: Nativos: yuca (A) y papa (B). Agrio de yuca (C y D), gránulo deformado por ataque enzimático.

Microscopía óptica de TPS

En la Figura. 2 se observaron cambios en las superficies de los TPS de diferentes mezclas de almidones agrio de yuca y nativo de papa, usando DIC. Las Figs. 2A y 2B muestran los TPS agrio de yuca correspondientes a las mezclas (M1) y (M2). Las Figs. 2C y 2D corresponden a TPS nativo de papa de las mezclas (M3) y (M4).

Las imágenes muestran cambios en las superficies de ambos tipos de TPS, debido al tratamiento termomecánico, aplicado durante la extrusión. La principal diferencia es la pérdida de cristalinidad del almidón, explicado por la fragmentación de las cadenas de amilosa y amilopectina, pero principalmente la amilosa, que contribuye mayoritariamente a la formación de la cristalinidad por el contacto intimo, organizado y repetido entre estas cadenas poliméricas (Cereda, 2000).

Fig. 2: Imágenes obtenidas por microscopía óptica a 20x. TPS agrio de yuca en mezclas M1 y M2 (2A y 2B). TPS nativo de papa en mezclas M3 y M4 (2C y 2D).

Los TPS de almidones agrio de yuca y nativo de papa, presentan una matriz homogénea típica de una superficie con regiones plastificadas. Los espacios señalados por las flechas, muestran la presencia de regiones lisas. Estas áreas lisas están relacionadas con el tamaño y la forma del gránulo de almidón y la concentración de la glicerina en las mezclas. Altos contenidos de glicerina en los TPS, generan un número mayor de zonas lisas, como se aprecia en las fotomicrografías 2B y 2D. A un contenido de plastificante menor, se observa una disminución de zonas lisas en ambas superficies (ver imágenes 2A y 2C).

Las fotomicrografías muestran diferencias morfológicas en ambos TPS. Por esto, los TPS de almidón agrio de yuca 2A y 2B a las condiciones de proceso (velocidad del tornillo y perfil de temperatura), se alcanzó un mayor grado de depolimerización del gránulo y una mayor penetración de las moléculas del plastificante al interior de los gránulos de almidón que se observa como un mayor número de superficies lisas. Esto se justifica por el rompimiento de los gránulos del almidón de yuca que han sido parcialmente fermentados antes de la extrusión, lo que produce un material con alta flexibilidad en comparación con los TPS nativo de papa, cuya flexibilidad es menor.

La diferencia superficial entre los TPS de almidones agrio de yuca y nativo de papa se debe principalmente a la alta solubilidad de las moléculas del almidón agrio de yuca en los plastificantes (glicerina y agua) debido a las deformaciones mostradas por los gránulos después de la fermentación y el proceso de termoplastificación, en comparación con las moléculas de almidón nativo de papa, pues los gránulos de almidón de papa no sufrieron una hidrólisis enzimática y no se observaron cambios mayores en la forma y tamaño de los gránulos después de la termoplastificación. Se ha planteado que la solubilidad de la amilosa y la amilopectina en los plastificantes es generalmente limitada y podría estar relacionada con el nivel de disrupción y fusión de los gránulos (Thiré et al., 2003). Otro estudio planteó, que la poca solubilidad de los polímeros en los plastificantes puede generar separación de fases en el interior de la matriz termoplástica entre estos y los polímeros del almidón, produciendo fragilidad y fractura en las superficies de TPS, debido a la rápida recristalización de los polímeros (Yuryev et al., 1995).

Microscopía de fuerza atómica del TPS

La Figura 3, muestra fotomicrografías de los TPS agrio de yuca y nativo de papa. Estas imágenes en 3D confirman a AFM como una técnica para investigar la superficie del material bioplástico, hecho a partir de almidones agrio de yuca y nativo de papa. El aumento a nivel atómico describe las irregularidades topográficas y superficiales, evaluadas por AFM en un área transversal de 2 µm² en la Fig. 3.

Las imágenes 3A y 3C de la Fig. 3, muestran superficies con regiones rugosas como se observó por OM. En 3B y 4D se observan superficies con un menor número de regiones rugosas. La presencia de zonas lisas está relacionada  con  el contenido de  plastificante en las mezclas.  Estos resultados concuerdan con las observaciones realizadas en las  películas biopoliméricas hechas a partir de TPS nativo de maíz y glicerol (Thiré et al., 2003). Así, la presencia de regiones lisas está relacionada con una fase rica de amilosa (extra-granular) y una fase rica de amilopectina al interior del gránulo gelatinizado ó región inter-granular (también llamada región rugosa). Además, en las imágenes de las Figs. 3A y 3C se observa una mayor rugosidad, en comparación con las imágenes 3B y 3D. Estudios relacionados con el comportamiento rugoso en películas de TPS nativo de avena con glicerol por AFM, mostraron la disminución en la rugosidad a medida que la concentración del glicerol aumentaba (Kuutti et al., 1998).

Fig. 3: Imágenes obtenidas por Microscopía de Fuerza Atómica. 4A y 4B, TPS agrio de yuca en mezclas M1 y M2. 4C y 4D, TPS nativo de papa en mezclas M3 y M4.

Estas diferencias en la rugosidad promedio, se relacionan con el tipo de almidón utilizado y el contenido de glicerina en las mezclas. En investigaciones se demostró que la topografía del TPS nativo de avena, presentó diferencias por pequeñas estructuras que influyeron en la medición de la rugosidad. Pueden ser pequeños cristales que se formaron durante el almacenamiento por la reorganización molecular de la amilosa y la amilopectina (Kuutti et al., 1998).

Las imágenes 3A y 3B del TPS agrio de yuca presentan una menor rugosidad promedio en comparación con las imágenes 3C y 3D del TPS nativo de papa, como se describe en la Tabla 1.

Tabla 1. Rugosidad promedio en TPSs medida por AFM.  

La diferencia en los valores de rugosidad se relaciona con la forma y el tamaño del gránulo de los almidones de papa y yuca, el contenido de glicerina, los diferentes procesos de difusión y migración de los plastificantes (glicerina y agua). Resultados acordes con lo expuesto por otros investigadores al concluir que la rugosidad en el TPS depende del tamaño y la forma del gránulo del almidón en estudio (Garcia et al., 2000), el contenido del plastificante (Fama et al., 2005).La rugosidad en los TPS depende de los cambios dados al interior la matriz biopolimérica por la recristalización de la amilosa y la amilopectina durante el almacenamiento (Forsell et al., 1999; Mali et al., 2002; Shamekin et al., 2002; Thiré et al., 2003; Mali et al., 2004). La rugosidad del material medida a escala micrométrica depende de la naturaleza química y física de las moléculas, y de las modificaciones realizadas al almidón antes de la termoplastificación.

También, se observó mayor rigidez y transparencia en TPS nativo de papa que en TPS agrio de yuca. Característica que se  relacionan con la rugosidad, el contenido de amilosa, la recristalización, la migración de los plastificantes (glicerina y agua), el contenido y el tipo de plastificante, el tamaño y la forma del gránulo de almidón y las modificaciones realizadas al almidón antes y durante el proceso de transformación  por  extrusión. Se había encontrado que la transparencia en los TPS de yuca (Fama et al., 2005) y en los geles de papa (Hoover, 2001), estaba relacionada con la presencia de grupos fosfatos. En otra investigación se reporto que el color opaco en las películas delgadas hechas a partir de almidón de papa hidrolizado por enzimas se debía a la presencia de azucares en el almidón hidrolizado causada por los procesos de caramelización o reacciones de Maillard durante la termoplastificación (Shamekin et al., 2002). Se recomienda entonces continuar los estudios relacionados con la flexibilidad, rigidez, de barrera, transparencia y opacidad, con respecto al comportamiento en la rugosidad de los TPSs agrio de yuca y nativo de papa.

CONCLUSIONES

La fermentación natural del almidón de yuca tiene influencia en la termoplastificación y fusión de los gránulos del almidón en la extrusión. OM permitió observar la solubilidad de los polímeros en los TPS agrio de yuca en comparación con los TPS nativo de papa, evidenciado por la presencia de más superficies lisas. AFM mostró que el TPS nativo de papa presentó una mayor rugosidad en comparación con el TPS agrio de yuca, lo cual influyó en el comportamiento mecánico, reológico, de barrera y transmisión de luz en materiales desarrollados a partir de estos TPS. Los TPS agrio de yuca pueden presentar ventajas competitivas frente a los TPS nativo de papa; debido a una menor presencia de superficies lisas y rugosas observadas por AFM, frente a almidones termoplásticos nativos. Estas características encontradas en los TPS agrio de yuca pueden ser útiles en la fabricación de nuevos empaques biodegradables.

AGRADECIMIENTOS

Al personal y al CDT-ASTIN-SENA, Cali, Colombia por prestar el equipo de extrusión y sus laboratorios. A Clayuca-CIAT, Palmira, Colombia por suministrar materia prima y la planta piloto.

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