EVALUACIÓN DE VARIEDADES DE ALMIDÓN DE YUCA PARA SU ...
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EVALUACIÓN DE VARIEDADES DE ALMIDÓN DE YUCA PARA SU PLASTIFICACIÓN AUTOR: DANIEL OSSA PEICK ASESOR: JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA Dr. ING. INDUSTRIAL, ING. MECÁNICO PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C., COLOMBIA DICIEMBRE 2016
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EVALUACIÓN DE VARIEDADES DE ALMIDÓN DE YUCA PARA SU
PLASTIFICACIÓN
AUTOR:
DANIEL OSSA PEICK
ASESOR:
JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA
Dr. ING. INDUSTRIAL, ING. MECÁNICO
PROYECTO DE GRADO
PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
DICIEMBRE 2016
2
Dedicatoria
A todos aquellos que tuvieron fe en lo que yo podía lograr.
Especialmente a mis abuelos.
3
Agradecimientos
A mis papás y mi abuela, que me ayudaron incansablemente a conseguir materias primas y
que nunca dejaron de alentarme durante todo el semestre.
A mi novia, que se aguantó todas mis frustraciones durante el semestre y siempre estuvo tan
dispuesta a ayudarme a corregir el documento.
A Jorge Medina, por asesorarme en un tema tan atractivo, por siempre mostrarse interesado
en mis progresos y por los consejos y guías invaluables a través del semestre.
A todas las personas involucradas en los laboratorios de la universidad. Especialmente a
Jimmy Niño, Carolina Triviño, Fabián Présiga, Gerardo Hidalgo y Juan Carlos García que
siempre tuvieron la mejor disposición para ayudar.
A mis compañeros estudiantes, que siempre me dieron los mejores consejos.
A la Universidad de los Andes, por ser la institución que ha hecho todo esto posible y que ha
llenado mi vida de oportunidades.
4
Contenido Dedicatoria.............................................................................................................................. 2
Agradecimientos ..................................................................................................................... 3
Tabla de ilustraciones ............................................................................................................. 7
Lista de Tablas ........................................................................................................................ 8
Lista de Fotos.......................................................................................................................... 9
Lista de gráficas .................................................................................................................... 10
Introducción .......................................................................................................................... 11
Objetivos ............................................................................................................................... 13
Objetivo General............................................................................................................... 13
Objetivos Específicos ....................................................................................................... 13
Marco Teórico ...................................................................................................................... 14
Polímero............................................................................................................................ 14
Polímero Biodegradable ................................................................................................... 14
Almidón, amilosa y amilopectina ..................................................................................... 15
Gelatinización del almidón ............................................................................................... 16
Retrogradación y plastificantes ........................................................................................ 17
Plastificación .................................................................................................................... 17
Degradación del almidón .................................................................................................. 17
Fibras naturales ................................................................................................................. 18
Resultado de la Investigación ............................................................................................... 19
La yuca ............................................................................................................................. 19
Variedades de Yuca y su relación amilosa - amilopectina ............................................... 20
Efectos de la cantidad de agua, lípidos y algunas variables de proceso en el
procesamiento del almidón ............................................................................................... 25
Efectos de la relación Amilosa-Amilopectina sobre las propiedades del almidón
termoplástico .................................................................................................................... 26
Determinación del método de separación de la amilopectina y la amilosa ...................... 27
Determinación del método de medición de la relación amilosa-amilopectina ................. 28
Equipos y Materiales ............................................................................................................ 29
Materiales ......................................................................................................................... 29
Equipos ............................................................................................................................. 29
Metodología .......................................................................................................................... 35
Extracción del Almidón .................................................................................................... 35
Remoción de la cáscara ................................................................................................ 35
5
Licuado ......................................................................................................................... 35
Filtración ....................................................................................................................... 35
Decantación .................................................................................................................. 35
Secado ........................................................................................................................... 35
Separación de la amilosa .................................................................................................. 36
Preparación del compuesto acuoso ............................................................................... 36
Centrifugado ................................................................................................................. 36
Preparación de la mezcla .............................................................................................. 36
Extracción de la amilosa ............................................................................................... 37
Separación de la amilopectina .......................................................................................... 37
Preparación de la solución ............................................................................................ 37
Centrifugado ................................................................................................................. 37
Repetición ..................................................................................................................... 37
Prueba de espectrofotometría UV..................................................................................... 38
Preparación de los solventes ......................................................................................... 38
Preparación de las soluciones ....................................................................................... 39
Adición del yodo .......................................................................................................... 39
Realización de la prueba UV ........................................................................................ 39
Plastificación y pruebas mecánicas .................................................................................. 40
Secado del almidón ....................................................................................................... 41
Mezclado de almidón y glicerina.................................................................................. 41
Secado del almidón modificado ................................................................................... 41
Extrusión ....................................................................................................................... 41
Moldeado ...................................................................................................................... 42
Prueba de tensión .......................................................................................................... 42
Análisis y presentación de resultados ................................................................................... 43
Extracción del almidón ..................................................................................................... 43
Separación de la amilosa .................................................................................................. 44
Separación de la amilopectina .......................................................................................... 44
Prueba de espectrofotometría UV..................................................................................... 44
Plastificación y pruebas mecánicas .................................................................................. 46
Secados y adición de la glicerina .................................................................................. 46
Extrusión ....................................................................................................................... 48
Moldeado ...................................................................................................................... 50
6
Pruebas de tensión ........................................................................................................ 50
Conclusiones ......................................................................................................................... 56
Bibliografía ........................................................................................................................... 58
Anexos .................................................................................................................................. 60
Anexo 1 Fotos del proceso de extracción del almidón ..................................................... 60
Anexo 2 Fotos del proceso de separación de amilosa y amilopectina .............................. 62
Anexo 3 Fotos del proceso de pruebas de espectrofotometría UV ................................... 64
Anexo 4 Fotos del proceso de plastificación y pruebas de tensión .................................. 66
Anexo 5 Resultados pruebas de tensión ........................................................................... 70
7
Tabla de ilustraciones Ilustración 1 Estructura de la amilosa (Amilosa, Wikipedia) ............................................... 16
Ilustración 2 Estructura de la amilopectina (Amilopectina, Wikipedia) .............................. 16
Ilustración 3 Producción mundial de Yuca (FAOSTAT) ..................................................... 19
Ilustración 4 Producción de Yuca por Departamento (DANE) ............................................ 22
Ilustración 5 Producción por Variedad y Departamento (DANE) ....................................... 22
Ilustración 6 Licuadora Osterizer Super Deluxe .................................................................. 29
Ilustración 7 Cheesecloth...................................................................................................... 30
Ilustración 8 Horno Blue M .................................................................................................. 30
Ilustración 9 Mezclador Hobart ............................................................................................ 31
Ilustración 10 Espectrofotómetro UV-VIS ........................................................................... 31
Ilustración 11 Instron 3367 ................................................................................................... 32
Ilustración 12 Extrusora Brabender de doble husillo ........................................................... 32
Ilustración 13 Prensa de moldeo Scientific .......................................................................... 33
Ilustración 14 Plancha con mezclador magnético WiseStir ................................................. 33
Ilustración 15 Centrifugadora Heka ..................................................................................... 34
Ilustración 16 Micropipetas Kartell ...................................................................................... 34
Ilustración 17 Proceso de extracción del almidón ................................................................ 35
Ilustración 18 Proceso de separación de la amilosa ............................................................. 36
Ilustración 19 Proceso de separación de la amilopectina ..................................................... 37
Ilustración 20 Proceso para la prueba de espectrofotometría UV ........................................ 38
Ilustración 21 Proceso de plastificado y de pruebas de tensión ........................................... 40
Ilustración 22 Perfil de temperatura de la extrusora ............................................................. 42
8
Lista de Tablas Tabla 1 Variedades de yuca por región ................................................................................ 21
Tabla 2 Comparación de las diferentes variedades de Yuca según la base de datos del CIAT
.............................................................................................................................................. 23
Tabla 3 Tabla para la preparación de la curva estándar ....................................................... 38
Tabla 4 Cantidad de almidón obtenido en la extracción ...................................................... 43
Tabla 5 Pesos y eficiencia del proceso de extracción ........................................................... 43
Tabla 6 Resultados de la prueba UV .................................................................................... 45
Tabla 7 Cantidad porcentual de amilosa calculada por UV ................................................. 46
Tabla 8 Pesos del almidón antes y después del primer secado ............................................. 47
Tabla 9 Pesos del almidón modificado antes y después del segundo secado ....................... 47
Tabla 10 Torque y velocidad del tornillo promedio para las tres variedades ....................... 49
Tabla 11 Prueba de Tensión Playera (0 días) ....................................................................... 50
Tabla 12 Prueba de Tensión Tierra Mona (0 días) ............................................................... 51
Tabla 13 Prueba de Tensión Tierra Negra (0 días) ............................................................... 51
Tabla 14 Prueba de Tensión Playera (20 días) ..................................................................... 51
Tabla 15 Prueba de Tensión Tierra Mona (20 días) ............................................................. 51
Tabla 16 Prueba de Tensión Tierra Negra (20 días) ............................................................. 52
Tabla 17 Cambio en el peso de las probetas en el tiempo .................................................... 55
9
Lista de Fotos Foto 1 Pelado y partición de la yuca..................................................................................... 60
Foto 2 Filtrado ...................................................................................................................... 60
Foto 3 Decantación ............................................................................................................... 61
Foto 4 Producto de la decantación (Almidón) ...................................................................... 61
Foto 5 Secado al sol de las tres variedades de almidón ........................................................ 61
Foto 6 Solución acuosa de 4% w/v de almidón en agua, después de disolverse con
temperatura y mezclado. ....................................................................................................... 62
Foto 7 Precipitado de la primera centrifugación (el que se usa en la separación de la
amilopectina) ........................................................................................................................ 62
Foto 8 Mezcla butanol-Supernatante .................................................................................... 62
Foto 9 Suspensión primer precipitado en agua ..................................................................... 63
Foto 10 Resultado final (Amilopectina los cuatro tubos cercanos, Amilosa los cuatro tubos
lejanos).................................................................................................................................. 63
Foto 11 Agua deionizada y solvente con yodo ..................................................................... 64
Foto 12 Estándares de amilosa y amilopectina puros ........................................................... 64
Foto 13 Muestras de las tres variedades de almidón de yuca ............................................... 65
Foto 14 Las diferentes muestras y estándares de 200 uL a las que ya se les agregó el
solvente con yodo ................................................................................................................. 65
Foto 15 Las diferentes muestras y estándares finales, es decir, 20 uL de cada uno con 180
uL de agua deionizada .......................................................................................................... 65
Foto 16 Almidón después del primer secado (y glicerina al lado) ....................................... 66
Foto 17 Mezclado del almidón y la glicerina ....................................................................... 66
Foto 18 Los tres almidónes modifiecados después del segundo secado (desde izq. Tierra
Mona, Playera y Tierra Negra) ............................................................................................. 66
Foto 19 Extrusión en cuatro hilos del almidón ..................................................................... 67
Foto 20 Resultado de la extrusión de las tres variedades ..................................................... 67
Foto 21 Almidón en el molde antes del prensado ................................................................ 68
Foto 22 Probetas obtenidas después del moldeo .................................................................. 68
Foto 23 Prueba de tensión .................................................................................................... 69
Foto 24 Probetas después de la prueba de tensión................................................................ 69
10
Lista de gráficas Gráfica 1 Curva estándar (método ABS620) ........................................................................ 45
Gráfica 2 Curva estándar (Método ABS620 - ABS510) ...................................................... 45
Gráfica 3 Torque vs Tiempo durante la extrusión ................................................................ 48
Gráfica 4 Comparación del Límite Elástico ......................................................................... 52
Gráfica 5 Comparación del Módulo de Young .................................................................... 53
Gráfica 6 Comparación del Esfuerzo de Fluencia ................................................................ 54
Gráfica 7 Comparación del Porcentaje de Deformación (%) ............................................... 54
Gráfica 8 Prueba de Tensión Playera (0 días) ...................................................................... 70
Gráfica 9 Prueba de Tensión Playera (20 días) .................................................................... 70
Gráfica 10 Prueba de Tensión Tierra Mona (0 días) ............................................................ 71
Gráfica 11 Prueba de Tensión Tierra Mona (20 días) .......................................................... 71
Gráfica 12 Prueba de Tensión Tierra Negra (0 días) ............................................................ 72
Gráfica 13 Prueba de Tensión Tierra Negra (20 días) .......................................................... 72
11
Introducción
Los polímeros han adquirido cada vez más importancia industrial desde que se
desarrollaron procesos para sintetizarlos. Desde el siglo pasado han mejorado sus
propiedades y el costo de su producción ha sido cada vez menor. Por estos motivos, los
polímeros han reemplazado a los metales en muchas aplicaciones donde su baja densidad es
muy valorada. En la actualidad, los usos de los polímeros son innumerables; recubrimientos,
adhesivos, empaques, medicina, entre muchos otros (Hashemi & Smith, 2006). Sin embargo,
la producción masiva de polímeros implica también un problema ambiental. Esto se debe a
que la mayoría de los polímeros no son biodegradables, en parte debido a su alto peso
molecular. Adicionalmente su producción implica una gran huella de carbono, especialmente
porque muchos polímeros provienen de recursos no renovables como el petróleo.
En respuesta a esto, en las últimas décadas se ha trabajado para desarrollar alternativas
de polímeros biodegradables. Como resultado, hoy en día se utilizan polímeros
biodegradables como el PLA y el almidón modificado en vez de compuestos petroquímicos
cuando sus propiedades lo permiten.
Las ventajas del almidón lo convierten en una de las alternativas más importantes y
por este motivo ha sido el objeto de muchas investigaciones recientes. El almidón es uno de
los polímeros naturales más abundantes en la Tierra, ya que es el medio que las plantas
utilizan para almacenar su energía. Adicionalmente, el almidón, al ser modificado con
plastificantes y fibras naturales específicas, puede presentar propiedades mecánicas
competitivas mientras mantiene su característica capacidad de biodegradación. Sin embargo,
el principal problema del almidón reside en su rápida degradación debido a su alta hidrofilia.
Esto significa que el material puede perder sus propiedades rápidamente en condiciones
normales, lo cual limita su utilidad (Cárdenas Suarez, 2011) (Rodriguez Claros, 2012).
El presente proyecto de grado tiene como intención trabajar con diferentes variedades
de yuca para obtener y plastificar su almidón. La motivación de esta propuesta reside en el
potencial que tiene el almidón como polímero biodegradable si se solucionan sus desventajas
y en el hecho de que la yuca es un producto agrícola importante y común en Colombia.
Adicionalmente la yuca es una fuente ideal de almidón ya que más del 35% del peso de la
planta consiste en este compuesto (Wikipedia, 2016). Por otro lado, la importancia de
determinar una variedad específica de yuca para plastificación está en el hecho de que,
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dependiendo de ésta, se tiene una proporción diferente de amilosa y amilopectina (conceptos
que se explicarán más adelante), los componentes del almidón. Dado que dicha relación juega
un papel principal en las propiedades mecánicas del polímero después de su procesamiento,
su estudio es importante (Gaitán Camacho, 2009).
La relación óptima entre amilosa y amilopectina no soluciona todas las
inconveniencias del almidón como polímero, ya que siguen siendo necesarios aditivos como
fibras para mejorar su resistencia y plastificantes para aumentar su ductilidad y fluidez,
además de procesos como la acetilación y la eterificación para mejorar su resistencia al agua.
Sin embargo, tener una relación adecuada de amilosa y amilopectina si puede considerarse
una base sólida sobre la cual construir muchas más investigaciones que solucionen los retos
mencionados (Rodriguez Claros, 2012).
En esta tesis de grado se obtuvo el almidón de tres variedades de yuca colombiana,
se plastificó el almidón y se realizaron pruebas de resistencia mecánica para comparar los
resultados. Simultáneamente, se midió la relación amilosa-amilopectina de las tres
variedades, para identificar la relación existente entre ésta y los almidones termoplásticos
obtenidos.
13
Objetivos
Objetivo General
Estudiar los efectos que la relación amilosa-amilopectina tiene sobre las propiedades de los
polímeros plastificados a partir de almidón de diferentes variedades de yuca.
Objetivos Específicos
Investigar y determinar desde un análisis teórico, los efectos de la relación amilosa-
amilopectina sobre las propiedades del almidón termoplástico (TPS) y sobre su
procesamiento.
Investigar acerca de la yuca en el contexto colombiano, específicamente sobre las
variedades más comunes, su procesamiento y su relación amilosa-amilopectina.
Seleccionar tres variedades de yuca según los resultados de los objetivos anteriores y
determinar el efecto que éstas (y su relación amilosa-amilopectina) tienen sobre la
plastificación, el procesamiento y las propiedades de los TPS obtenidos.
14
Marco Teórico
En este apartado se explicará, de la manera más concisa posible, los conceptos más
relevantes para poder comprender el proyecto de grado. Si el lector lo desea, puede expandir
los conceptos investigando en los recursos de la bibliografía.
Polímero Los polímeros son, como lo indica su nombre, cadenas largas de moléculas. De manera
general, son materiales con poca resistencia mecánica (en comparación con metales y
cerámicos) pero alta ductilidad, bajo costo y fácil procesamiento.
Los polímeros pueden clasificarse en tres grupos importantes: termoplásticos, elastómeros y
termoestables. El TPS (Thermoplastic starch) obtenido al procesar la yuca es un
termoplástico, lo que significa que al calentarse por encima de su temperatura de fusión tiene
la capacidad de fluir y por lo tanto puede moldearse y enfriarse repetidas veces (Hashemi &
Smith, 2006).
Los polímeros pueden tener estructuras lineales o ramificadas, en términos generales las
primeras son más dúctiles, mientras que las segundas implican un material más rígido que
fluye con mayor dificultad (Hashemi & Smith, 2006).
Es importante tener en cuenta la estructura lineal o ramificada del material, así como su grado
de cristalinidad ya que esto determina en gran medida las propiedades del mismo.
Adicionalmente, la temperatura de transición vítrea (el punto en el que el material pasa de
tener un comportamiento rígido a uno dúctil), la temperatura de fusión (el punto donde el
material pasa de ser sólido a líquido) y las condiciones en las cuales se degrada el material
son conceptos muy relevantes que establecen las aplicaciones en las cuales los polímeros
pueden ser usados (Hashemi & Smith, 2006).
Polímero Biodegradable En términos generales un material es biodegradable cuando puede descomponerse en los
elementos químicos que lo componen debido a la acción de agentes biológicos (Wikipedia,
2016).
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Existen diversas normas para determinar si un polímero es o no biodegradable, entre las
cuáles está la EN 13432, que dictamina que un polímero es biodegradable si se degrada al
90% en condiciones de laboratorio (European Committee for Standarization).
El TPS es biodegradable según dicha norma.
Almidón, amilosa y amilopectina El almidón es un polisacárido altamente disponible en la naturaleza que puede ser extraído
de la papa, maíz, yuca y otras plantas en su forma granular con facilidad. Es adicionalmente
la fuente de calorías más importante que consume el ser humano. Está constituido por
moléculas de D-Glucosa en dos estructuras diferentes, la amilosa (ilustración 1) y la
amilopectina (ilustración 2). La primera de ellas es un polímero lineal con pocas
ramificaciones y constituye entre el 20 y 30% del almidón de yuca. Por otro lado, la
amilopectina es un polímero altamente ramificado que constituye entre el 70 y 80% del
almidón de yuca, dependiendo de la variedad (Cano Rivera, 2012).
La amilosa, debido a su estructura lineal, forma hélices que le otorgan resistencia al polímero
de almidón al formar cristales, sin embargo, dichas hélices son hidrofílicas por lo que
disminuyen la resistencia al agua que tiene el polímero. Adicionalmente, cuando existe una
gran cantidad de lípidos en el almidón, la amilosa puede formar complejos con los lípidos.
Dichos complejos afectan las propiedades mecánicas del material. Por otro lado, la
amilopectina tiene una estructura dendrítica que puede formar láminas que aumentan la
flexibilidad del material y lo hacen más elástico. Debido a las diferencias en las estructuras,
la amilopectina tiene un peso molecular mucho mayor, sin embargo, es de fácil
biodegradación por el alto número de ramificaciones que posee y que facilitan la acción de
los microorganismos que la llevan a cabo (Gaitán Camacho, 2009).
Debido a las diferencias mencionadas, la relación amilosa-amilopectina de un almidón
específico, puede generar diferencias en la estructura final del TPS obtenido después del
proceso de plastificación.
16
Ilustración 1 Estructura de la amilosa (Amilosa, Wikipedia)
Ilustración 2 Estructura de la amilopectina (Amilopectina, Wikipedia)
Gelatinización del almidón Una parte del proceso para plastificar el almidón de yuca es la gelatinización del mismo.
Dicho proceso consiste en proveer al almidón mezclado con agua una temperatura suficiente
para romper la estructura granular inicial. Los enlaces de hidrógeno se rompen y la
cristalinidad se destruye progresivamente (Rodriguez Claros, 2012).
El resultado de la gelatinización es una organización más amorfa de las moléculas que reduce
la temperatura de fusión del material y logra que ésta se encuentre por debajo de la
temperatura de descomposición de las moléculas. En otras palabras, este proceso hace posible
el uso del almidón como un polímero termoplástico (Gaitán Camacho, 2009) (Rodriguez
Claros, 2012).
17
Retrogradación y plastificantes Después de la gelatinización, el almidón sufre un proceso natural llamado retrogradación,
donde los enlaces de hidrógeno se reorganizan de manera espontánea (las cadenas
poliméricas se reacomodan) (Gaitán Camacho, 2009). Este proceso impide que las cadenas
de polímeros se muevan libremente entre sí, aumentando la rigidez y disminuyendo la fluidez
y ductilidad del material.
Los plastificantes son una solución parcial al anterior problema. Éstos tienen como objetivo
destruir los enlaces de hidrógeno entre las cadenas de polímeros, permitiendo así que se
muevan entre ellas, adicionalmente disminuyen la temperatura de fusión del compuesto,
permitiendo que esta sea inferior a la temperatura de degradación del almidón. (Rodriguez
Claros, 2012).
Teniendo en cuenta lo anterior, una mezcla de almidón y plastificante (el más común es el
glicerol) da como resultado un almidón modificado después de la gelatinización y que puede
ser procesado mediante técnicas utilizadas con polímeros comunes, como la extrusión y la
inyección (Cano Rivera, 2012).
Plastificación Existen diferentes métodos para plastificar el almidón. En este trabajo esto se realizó
mediante la extrusión; proceso en el cuál el almidón modificado va avanzando a través de un
tornillo dónde experimenta temperaturas ascendentes y altas presiones y esfuerzos cortantes.
Estas condiciones hacen que el material se funda y se mezcle adecuadamente, de manera que
al salir de la máquina de extrusión el material se solidifica y mantiene la geometría que se le
aplicó (en el desarrollo del documento se podrá ver mejor). Finalmente se tiene entonces el
almidón termoplástico, que podría volver a fundirse para cambiar su geometría.
Degradación del almidón La degradación de un polímero puede ocurrir por diversos factores y tiene como
consecuencia la modificación de las propiedades del material. En el caso del almidón, la
degradación por la baja resistencia al agua es uno de los principales problemas. Debido a la
hidrofilia de sus componentes, el almidón termoplástico absorbe agua rápidamente y de esta
manera sus propiedades mecánicas se disminuyen, al generarse la recristalización en el
almidón. Esto indica que las características mecánicas del almidón termoplástico cambian
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con el tiempo, y esto no sólo ocurre por la absorción de agua, sino también por la migración
del plastificante hacia el medio ambiente. En la actualidad se están probando diversas
técnicas para evitar este problema, entre las cuales se encuentra su mezcla con PLA u otros
polímeros. Si bien este método podría aumentar su resistencia al agua, es posible que el costo
de producción aumente y la biodegradabilidad disminuya, sin embargo, se pueden producir
materiales con características útiles que son más amigables con el medio ambiente (Korol,
Lenza, & Formela, 2014) (Rodriguez Claros, 2012).
Fibras naturales Para aumentar la resistencia mecánica del TPS pueden utilizarse fibras naturales. Esto,
además de mejorar las propiedades mecánicas del material, puede mantener su
biodegradabilidad y hacerlo más resistente a la retrogradación. La presente propuesta de
proyecto no trata este tema, sin embargo, puede ser algo a analizar posteriormente (Cárdenas
Suarez, 2011).
19
Resultado de la Investigación
La yuca La yuca (Manihot Sculenta Crantz) es uno de los principales cultivos del mundo y es de
especial importancia en los trópicos, donde se concentra su producción, como se puede ver
en la ilustración 3. Su principal productor es Nigeria, con una producción de más de 54
millones de toneladas en el 2014, mientras que la producción de Colombia, en el mismo año,
fue de alrededor de 2,6 millones de toneladas. La producción mundial en las últimas décadas
ha mostrado una clara tendencia de aumento, llegando a más de 270 millones de toneladas
en el 2014 (FAOSTAT, 2016).
Ilustración 3 Producción mundial de Yuca (FAOSTAT)
La alta producción de la yuca puede relacionarse con las grandes virtudes del cultivo. Tiene
una gran variedad de usos que van desde el consumo directo por parte de los humanos, hasta
el uso en pegamentos, otros productos alimenticos y en la plastificación de su almidón
(Wikipedia, 2016). Si adicionalmente se tiene en cuenta su “tolerancia a la sequía, capacidad
de producir en suelos degradados, resistencia a las plagas y enfermedades, adaptación a
suelos ácidos, así como la flexibilidad al momento de la siembra y la cosecha” y su capacidad
para ser el insumo del almidón termoplástico biodegradable, se puede justificar su
investigación en el entorno colombiano (Cadavid López, 2006).
Para el presente trabajo es importante diferenciar entre las variedades de yuca que se utilizan
directamente para el consumo humano y las que se utilizan en la industria. Las primeras
tienen una menor toxicidad y generalmente no contienen tanto almidón, mientras que las
20
yucas industriales, que son las candidatas a ser plastificadas, contienen una mayor cantidad
de almidón y por lo tanto al momento de hacer la extracción del mismo se obtiene una mayor
eficiencia.
Adicionalmente, es importante aclarar que este documento no tratará los temas generales de
plantación, cuidado y recolección de la yuca, ya que los mismos no están relacionados con
el objetivo de la investigación. Sin embargo, esta información puede encontrarse en detalle
en “Aspectos Tecnológicos sobre Producción de Yuca” (Cadavid López, 2006), en “La Yuca
en el Tercer Milenio” (Bernardo & Hernán, 2002) y en (Aristizábal & Sánchez, 2007). Por
otro lado, el método de extracción del almidón, luego de adquirida la yuca, está explicado en
detalle en la sección de Metodología de este documento, así como el proceso de plastificación
del mismo. Es importante notar que, en Colombia, la mayor parte de la producción de yuca
está destinada al consumo humano y animal, por lo que usos como la plastificación del mismo
representan una cantidad pequeña del total.
Variedades de Yuca y su relación amilosa - amilopectina Las principales y más productivas variedades de yuca que se utilizan en el país son las
ofrecidas por el CIAT, Corpoica y CLAYUCA en su Proyecto de mejoramiento de la Yuca,
que se basa en el desarrollo de germoplasma especialmente evaluado para las diferentes zonas
del país según sus características específicas. En la tabla 1 se muestran las principales
variedades de yuca según la región del país para la que son aptas (Cadavid López, 2006).
Esta tabla tiene importancia académica, ya que cataloga específicamente qué variedad de
yuca puede adaptarse mejor a cada una de las zonas de Colombia. Sin embargo, su alcance
es limitado debido a que los productores nacionales de yuca son muy poco sofisticados y en
general no conocen exactamente qué variedad están sembrando por su nombre científico.
Sino que las conocen por su nombre común, que muchas veces abarca numerosas variedades.
21
Tabla 1 Variedades de yuca por región
Adicionalmente, durante el 2004 el DANE adelantó un estudio especial dónde se
identificaron los departamentos que más producían yuca industrial y las variedades que éstos
utilizaban (DANE, 2004). El universo de dicho estudio fueron las fincas sembradas con yuca
en el año 2004 y principios del 2005. En la ilustración 4 se pueden ver los departamentos con
su respectiva producción, mientras que la ilustración 5 expone en qué proporción se cultivó
cada una de las variedades. Es importante notar que estos datos son del 2004, la información
actual puede ser diferente, sin embargo, no es fácil de conseguir y la información del 2004
continúa siendo útil para los propósitos de la investigación.
Otra de las fuentes para determinar las principales variedades de yuca en uso en el país, es
directamente el CIAT, en sus publicaciones se puede obtener detalles específicos sobre las
22
variedades que ellos han mejorado y que se encuentran en uso actualmente. No se expondrán
acá todos los detalles debido a que no es el centro de la investigación, pero puede encontrarse
la referencia en la bibliografía (CIAT-CORPOICA, 2004).
Ilustración 4 Producción de Yuca por Departamento (DANE)
Ilustración 5 Producción por Variedad y Departamento (DANE)
Como se puede observar, según las ilustraciones 4 y 5, en Colombia la producción de yuca
se da principalmente en las zonas cálidas y de baja elevación del país. Especialmente en los
departamentos de Córdoba y Sucre.
Teniendo en cuenta las fuentes mencionadas anteriormente y con la intención de estandarizar
la información sobre las diversas variedades en uso en Colombia, se utilizó la base de datos
23
del CIAT sobre la Yuca (CIAT, 2016). Dicha base de datos provee información relevante
como la clasificación de la variedad y su contenido relativo de materia seca y Amilosa. Los
resultados de la estandarización de los datos se pueden ver en la Tabla 2. En la tabla se
incluyeron las variedades mejoradas por CORPOICA (CIAT-CORPOICA, 2004), las más
utilizadas industrialmente según el censo del DANE (DANE, 2004) y las que mejor se
acoplan a la zona de mayor producción del país (zona 1) (Cadavid López, 2006).
Tabla 2 Comparación de las diferentes variedades de Yuca según la base de datos del CIAT
Número Nombre Común Materia
Seca
(%)
Amilosa
(%)
Amilopectina
(%)
Temperatura
Gelatinización
(ºC)
COL 2215 Venezolana 39.8 20,04 79,96 66.05
TAI 8 Cmr246343(Ryg.60) 40.87 20,13 79,87 64.75
CG 1141-1 Ica-Costeña x x x x
COL 2253 Blanca Mona x x x x
CM3306-4 Ica-Negrita x x x x
CM 4919-1 Verónica x x x x
CM 4843-1 CORPOICA-Ginés x x x x
CM 3306-19 Colombiana x x x x
CM 3555-6 Sucreña x x x x
SGB 765-4 Rojita x x x x
COL 2711 Pie De Paloma 38.31 23,61 76,39 68.0
COL 1505 Verdecita 32.18 18,77 81,23 67.2
CM 523-7 Catumare x x x x
CM 6740-7 Corpoica-Reina x x x x
COL 2737 Brasileña x x x x
COL 2066 Chiroza 25.63 21,72 78,28 63.1
PER 183
45.1 19,91 80,09 63.4
COL 1522 Algodona 30.98 22,32 77,68 65.45
COL 2059 Sata Dovio 36.59 22,23 77,77 66.2
COL 2257 Americana 17.35 25,29 74,71 62.85
24
COL 1468 Mantiqueira 39.07 18,72 81,28 65.0
BRA 12
40.17 20,25 79,75 65.95
De la tabla 2 son varias las observaciones que es necesario realizar. La primera de ella es que
hay muchas variedades de yuca sobre las que no se tiene información actualmente, aun
cuando éstas son comunes en la agricultura del país. Adicionalmente, se puede notar que la
cantidad porcentual de amilosa en las diferentes variedades varía dentro de un rango de 18.72
y 25.29%, mientras que la cantidad de materia seca en cada una de las variedades es mucho
más variable y oscila entre 17.35 y 45.1%. Esto da un referente muy útil de lo que puede
esperarse en la composición del almidón de la yuca en general.
Es importante también mostrar el hecho de que la cantidad de materia seca que se puede
obtener de una yuca, depende mucho más de su genotipo que de variables del entorno.
También que la tasa de extracción de almidón es menor mientras más parejamente esté
distribuida la lluvia durante el crecimiento de la yuca (Benesi, Labuschagne, Dixon, &
Mahungu, 2004). Esto es relevante porque indica que para maximizar la cantidad de almidón
se debe elegir adecuadamente la variedad de yuca y que adicionalmente el patrón de lluvias
tiene una influencia importante en la tasa de extracción de almidón de la yuca, es decir que
la lluvia puede determinar qué tan rápido esté lista la yuca para su recolección.
Por otro lado, es de gran relevancia notar en este punto que, debido a la poca sofisticación de
los agricultores colombianos de yuca, los nombres científicos de las especies según la
clasificación del CIAT sólo son conocidos en el ámbito académico, sin embargo, las especies
aquí utilizadas si se pudieron identificar. Las variedades conseguidas fueron: Tierra Mona
(COL 2711) proveniente de Tierralta, Córdoba, Tierra Negra (COL 2066) de Armenia,
Quindío y Playera (COL 1505) de Urabá. Teniendo en cuenta el nombre científico de las tres
variedades de yuca, se pueden conocer los componentes de sus almidones, utilizando la tabla
2. Adicionalmente, estos resultados pueden tomarse como estadísticamente representativos
debido a que son provistos por el CIAT con este propósito.
25
Efectos de la cantidad de agua, lípidos y algunas variables de proceso en el procesamiento del almidón Como parte del primer objetivo de este documento, se llevó a cabo una revisión bibliográfica
dónde se pudieron evaluar diversos efectos que ocurren debido a la composición del almidón
en el momento del procesamiento. En esta sección se exponen los principales
descubrimientos, que son de relevancia para el trabajo aquí realizado.
Un estudio que evaluó las propiedades reológicas de la harina de arroz determinó que las
mismas se pueden modelar matemáticamente teniendo en cuenta únicamente la cantidad de
humedad, lípidos, temperatura y esfuerzo cortante durante el procesamiento. Si bien el
estudio no se realizó con almidón de yuca, la harina de arroz está en gran parte constituida
por almidón, muy similar al de la yuca. Estos resultados son relevantes porque indican la
necesidad de controlar dichas variables durante el procesamiento del almidón. El estudio
además confirmó que la gelatinización de la harina ocurre desde los 70ºC (similar a la
temperatura reportada en la tabla 2) y que efectivamente se encontraron complejos amilosa-
lípido en las muestras, a partir de una temperatura de 104ºC. Esto debido al alto grado de
contenido de lípidos de las muestras evaluadas (Dautant, Simancas, Sandoval, & Müller,
2006). Otro estudio, realizado con almidón de maíz, refuerza el descubrimiento sobre la
formación de complejos amilosa-lípidos. Este estudio logró demostrar que la variable que
más influencia la formación de los complejos es la temperatura de procesamiento
(especialmente entre 110 y 140ºC) y la presencia de lípidos y humedad en la mezcla
(Bhatnagar & Hanna, Extrussion Processing Conditions for Amylose-Lipid Complexing,
1994). Ambos estudios indican entonces que, para disminuir la cantidad de estos complejos,
es importante disminuir la humedad de la mezcla, así como la cantidad de amilosa, lípidos y
temperatura de procesamiento, de ser posible. Otro estudio que evalúa la formación de
complejos en función de la cantidad de amilosa en el almidón llega al mismo descubrimiento,
adicionando el hecho de que el tipo de lípido también es determinante (Bhatnagar & Hanna,
Amylose-Lipid Complex Formation During Single-Screw Extrusion of Various Corn
Starches, 1994). En cuanto al efecto de los complejos formados, se encontró que estos tienen
un efecto plastificante cuando el contenido de humedad en el almidón era mayor al 11% (la
temperatura principal de relajación mecánica disminuía) y antiplastificante cuando era menor
al 11%. En el estudio explican que esto seguramente se debe a que los complejos forman
uniones físicas en el almidón (Luk, Sandoval, Cova, & Müller, 2013).
26
Por otro lado, la importancia de los descubrimientos anteriormente expuestos pierde
importancia debido a las conclusiones de otra investigación (Mercier, Charbinniere, Grebaut,
& de la Gueriviere, 1980). En dicha investigación se encontró que el almidón de yuca no
forma complejos amilosa-lípidos al estar mezclado con glicerina si no se agregan lípidos
adicionales. Esto debido a que los complejos se forman cuando los lípidos entran dentro de
las hélices de la amilosa y esto no ocurre con la glicerina debido a su tamaño molecular. Para
el presente trabajo este descubrimiento es de gran importancia, ya que indica que no es
necesario preocuparse por la formación de complejos, ya que la mezcla mencionada es
precisamente la que se utilizó en las pruebas.
Efectos de la relación Amilosa-Amilopectina sobre las propiedades del almidón termoplástico Se llevó a cabo una revisión bibliográfica para comprender mejor los efectos de la relación
amilosa-amilopectina en las propiedades del almidón plastificado y sobre su influencia
durante el procesamiento del mismo. Es importante notar que, a través de los estudios
investigados, no es sencillo aislar el efecto de esta única variable, debido a la gran cantidad
de factores que tienen una influencia importante en las características del TPS.
La investigación permitió concluir que la cantidad relativa de amilopectina y amilosa en el
almidón es muy importante y determinante para las propiedades mecánicas finales y el
procesamiento del almidón. Esto principalmente se debe a la manera en la que ocurre la
recristalización de ambos componentes (retrogradación). La amilosa, dada su estructura
lineal, se recristaliza mucho más rápido y lo hace en cristales que tienen forma de hélice.
Dichos cristales son hidrofílicos, por lo que generan un círculo vicioso donde se refuerza la
retrogradación, ya que el agua facilita la reacomodación de las cadenas poliméricas y por lo
tanto la formación de más cristales. Este proceso implica que la amilosa aumenta la
resistencia mecánica del material (esfuerzo de fluencia y módulo elástico) mientras que
disminuye la flexibilidad y elasticidad del TPS. Adicionalmente, la amilosa, debido a que es
lineal y no tiene ramificaciones cómo la amilopectina, es más difícil de biodegradar, aun
cuando la biodegradación intenta realizarse con encimas especializadas cómo la α-amilasa.
La amilopectina, por otro lado, también se retrograda formando cristales. Sin embargo,
debido a su estructura ramificada, su recristalización es un proceso mucho más lento y no
aumenta la hidrofilia del material como la amilosa. Los cristales de amilopectina, una vez
27
formados, hacen que el material se encoja y se resquebraje, eliminando también humedad del
mismo (Nafchi, Moradpour, Saeidi, & Alias, 2012), (Villada, Acosta, & Velasco, 2008).
El resultado de ambos efectos en el almidón termoplástico implica que los materiales ricos
en amilosa se retrogradan rápidamente, rigidizándose al recristalizarse, pero manteniendo
bien sus propiedades una vez la retrogradación se equilibra. En cambio, los materiales ricos
en amilopectina, si bien permanecen flexibles y elásticos más tiempo, al retrogradarse
pierden humedad, se encojen y pueden formar grietas. En un material con cantidades
intermedias de éstos componentes, ambos efectos ocurren simultáneamente (van Soesst &
Essers, 1997). Adicionalmente, la retrogradación se da por la migración natural del
plastificante a la atmósfera, que hace que la temperatura de fusión y de transición vítrea
aumenten y se facilite aún más la retrogradación (Nafchi, Moradpour, Saeidi, & Alias, 2012).
Otro efecto importante que fue evidente durante la revisión bibliográfica que fue un TPS rico
en amilopectina es más fácil de procesar que uno rico en amilosa. Adicionalmente, se notó
que al mezclar la amilopectina con otros polímeros (como PBS), los resultados en términos
de propiedades mecánicas a través del tiempo pueden ser muy buenas (mucho mejores que
al mezclarlo con amilosa), por lo que se puede obtener un material compuesto de buena
calidad que simultáneamente es mejor para el medio ambiente y más resistente al agua al
aumentar el uso de los polímeros naturales (Li, Luo, Lin, & Zhou, 2013).
Los resultados de esta sección son de gran importancia para el desarrollo de esta tesis y para
el estudio del almidón termoplástico en general. Dichos resultados pueden aclarar la relación
que existe entre cantidad relativa amilosa-amilopectina y las características mecánicas finales
del almidón termoplástico de yuca estudiado en el presente documento.
Determinación del método de separación de la amilopectina y la amilosa Dado que existen diferentes métodos para obtener amilosa pura y amilopectina pura a partir
de almidón, fue necesario hacer una revisión bibliográfica para establecer el método a
utilizar.
Se determinó que el método ideal era el de “Aqueous Leaching” ya que en comparación con
el método de “Aqueous Dispersión” la pureza de los productos es significativamente más alta
y es afecta menos la estructura de los mismos (Mua & Jackson, 1995). Este método es el que
se explica en detalle en la sección Metodología.
28
Determinación del método de medición de la relación amilosa-amilopectina Para determinar qué método se iba a utilizar para determinar la relación amilosa-amilopectina
de cada una de las muestras, se hizo una revisión bibliográfica.
Los métodos considerados fueron: “differential scanning calorimetry (DSC)”, “High-
performance size-exclusion chromatography (HPSEC)”, “Megazyme amylose/amylopectin
kit” y “iodine binding”. El método seleccionado fue el del yodo, ya que según el resultado
de un estudio, es el método más preciso y más generalizable entre los evaluados. No obstante,
cada uno de los métodos tenía sus beneficios y limitaciones (Thianming, David S., Randy L.,
& Bhima, 2008).
29
Equipos y Materiales
Materiales Tres variedades de yuca diferentes, obtenidas en la plaza minorista de Medellín. Las
variedades son: Tierra Mona (COL 2711, Municipio de Tierralta, Córdoba), Tierra
Negra (COL 2066, municipio de Armenia, Quindio) y Playera (COL 1505, Zona de
Urabá).
Glicerina USP (Laboratorio San Jorge)
Yodo metálico (Laboratorio San Jorge)
DMSO 99% de pureza (CH3)SO (FWI, Tulsa, OK)
Butanol 100% (Eleméntos Químicos Ltda.)
Equipos Licuadora Osterizer Super Deluxe.
La licuadora se utilizó para licuar la yuca durante el proceso de extracción del almidón.
Ilustración 6 Licuadora Osterizer Super Deluxe
Cheesecloth o tela para escurrir quesos.
El cheesecloth se utilizó para filtrar la yuca licuada, de manera que se mantuviera en almidón
mientras se desechaban otras impurezas como las fibras de la yuca.
30
Ilustración 7 Cheesecloth
Horno Blue M
Se utilizó para secar el almidón y la mezcla de almidón y glicerina antes del proceso de
plastificación.
Ilustración 8 Horno Blue M
31
Mezclador Hobart
Se utilizó para realizar el mezclado del almidón y la glicerina.
Ilustración 9 Mezclador Hobart
Espectrofotómetro UV-VIS
El espectrofotómetro fue utilizado para medir la absorbancia de diferentes muestras a
frecuencias específicas, con la intención de cuantificar la cantidad relativa de amilosa en cada
una de las muestras. No se conoce la referencia exacta del equipo utilizado, ya que la prueba
se realizó externamente, la foto es sólo de referencia visual.
Ilustración 10 Espectrofotómetro UV-VIS
32
Máquina de Ensayos Universal Instron 3367
La máquina Instron se utilizó para medir las propiedades mecánicas en tensión del almidón
termoplástico obtenido de las diferentes variedades de yuca. Las pruebas se realizaron según
la norma ASTM D638.
Ilustración 11 Instron 3367
Extrusora Brabender de doble husillo.
Se utilizó para llevar a cabo la plastificación del almidón modificado para obtener almidón
termoplástico.
Ilustración 12 Extrusora Brabender de doble husillo
33
Prensa de moldeo Scientific
Se utilizó posterior a la plastificación para obtener las probetas del material para la prueba
de tensión.
Ilustración 13 Prensa de moldeo Scientific
Plancha con mezclador magnético WiseStir.
La plancha se utilizó en el proceso de separación de la amilosa en sus dos componentes
principales. Específicamente para disolver el almidón en agua.
Ilustración 14 Plancha con mezclador magnético WiseStir
34
Centrifugadora Heka
La centrifugadora se utilizó para precipitar la amilosa y la amilopectina del agua disuelta,
para poder separarlos.
Ilustración 15 Centrifugadora Heka
Micropipetas Kartell
Las micropipetas se utilizaron para medir cantidades de líquidos en el proceso de preparación
de muestras para la prueba de espectrofotómetro UV.
Ilustración 16 Micropipetas Kartell
35
Metodología Extracción del Almidón
Ilustración 17 Proceso de extracción del almidón
El proceso de extracción del almidón se realizó según el procedimiento detallado en
“Stability of native starch quality parameters, starch extraction and root dry matter of cassava
genotypes in different environments” (Ibrahim RM, Maryke T, Alfred GO, & Nzola M,
2004). Debido a la sencillez del proceso y por facilidad, éste se llevó a cabo por fuera del
laboratorio. En el anexo 1 se pueden ver varias fotos de éste proceso.
Remoción de la cáscara La remoción de la cáscara se realizó con un cuchillo convencional, ésta es necesaria porque
la cáscara aporta impurezas diferentes al almidón. Además de pelar las yucas, se partieron
las mismas en cubos pequeños, de manera que pudieran ser licuados fácilmente.
Licuado El licuado se realizó en una licuadora Oster, durante 5 minutos a la máxima velocidad. Para
facilitar el licuado, éste se hizo manteniendo una relación de peso de 1/10 de yuca/agua.
Filtración La filtración se llevó a cabo dos veces, mediante el filtro cheesecloth. Todas las impurezas
que el filtro retiene, como ceniza y fibra, son desechadas. Sólo se conserva el agua y el
almidón disuelto en la misma.
Decantación El producto del filtrado se deja reposar durante al menos 4 horas. En este tiempo el almidón
se decanta y queda en el fondo del envase. Después de que esto ocurre, se retira toda el agua.
Secado En este caso el secado del almidón decantado se realizó al sol, durante alrededor de 8 horas.
Sin embargo, también hubiese sido posible realizarlo en un horno.
Remoción de la cáscara
•Cuchillo convencional
Licuado
•Licuadora casera
•Relación de peso 1/10 de yuca/agua
•Tiempo: 5 minutos
Filtración
•Cheesecloth
•Doble filtrado
•Sólo se conserva el agua y el almidón
Decantación
•Tiempo: 4 horas
Secado
•Secado al sol
•Tiempo: 8 horas
36
Separación de la amilosa
Ilustración 18 Proceso de separación de la amilosa
El proceso se realizó según el procedimiento detallado en “Comparison of Amylose
Determination Methods and the Development of a Dual Wavelenght Iodine Binding
Technique” (Thianming, David S., Randy L., & Bhima, 2008). En el anexo 2 se pueden ver
fotos de este proceso y del de separación de la amilopectina.
Preparación del compuesto acuoso Preparar un compuesto acuoso que consiste en 4% en peso de almidón por volumen de agua.
Posteriormente se calienta el compuesto durante una hora y con mezclado magnético (500
RPM) continuo hasta 65ºC. Esto se realiza para disolver el almidón en el agua, ya que a
temperatura ambiente éste es insoluble.
En el trabajo referenciado prepararon 3000 mL del compuesto acuoso. Sin embargo, debido
a las limitaciones encontradas en el laboratorio de la universidad por el tamaño de la máquina
centrífuga, sólo se prepararon 200 mL en este trabajo.
Centrifugado El compuesto acuoso fue centrifugado durante 10 minutos a la mayor velocidad permitida
por la máquina. Sin embargo, esta velocidad no se pudo medir, por lo que no se tiene claridad
si se pudo cumplir o no con los 3000 x g especificados en la referencia.
El precipitado obtenido se guarda para el proceso de separación de la amilopectina, el
supernatante se continúa utilizando.
Preparación de la mezcla Por cada tres partes del supernatante se agrega una parte de butanol puro para crear una nueva
solución. Esta solución se deja reposar durante una noche para que quede bien mezclada.
Preparación del compuesto acuoso
•Compuesto acuoso: 200 mL de almidón en agua (4% w/v)
•Temperatura: 65ºC
•Tiempo: 1 hora
•Mezclado continuo (500 RPM)
Centrifugado
•Velocidad: 3000 x g
•Tiempo: 10 min
•Se preserva el precipitado para el siguiente proceso.
Preparación de la mezcla
•Mezclar 1 parte de butanol por cada 3 partes de supernantante.
•Dejar reposar una noche
Extracción Amilosa
•Centrifugación con las mismas condiciones.
•La amilosa es el precipitado obtenido
37
Extracción de la amilosa Para extraer la amilosa se realiza un proceso de centrifugado igual al anterior con la mezcla
del paso anterior. Sin embargo, se tiene el mismo problema de la velocidad, por lo que es
posible que la extracción de la amilosa no se haya realizado de manera ideal.
Separación de la amilopectina
Ilustración 19 Proceso de separación de la amilopectina
El proceso se realizó según el procedimiento detallado en “Comparison of Amylose
Determination Methods and the Development of a Dual Wavelenght Iodine Binding
Technique” (Thianming, David S., Randy L., & Bhima, 2008). En el anexo 2 se pueden ver
fotos de este proceso y del de separación de la amilosa.
Preparación de la solución Utilizando el primer precipitado del proceso de separación de amilosa, se realiza una
suspensión en agua (4% w/v). Esta solución se calienta a 55ºC durante 30 minutos con
mezclado continuo a 500 RPM para obtener un líquido uniforme.
Centrifugado El centrifugado se realiza bajo las mismas condiciones del procedimiento anterior. Se
conserva el precipitado y se desecha el supernatante.
Repetición Los dos procesos anteriores se repiten 5 veces con la intención de obtener la mayor pureza
posible en la amilopectina, que es el precipitado que se obtiene finalmente.
Preparación de la solución
•Se pesa el primer precipitado del proceso anterior.
•Se suspende en agua (4% w/v)
•Temperatura: 55ºC
•Tiempo: 30 min
•Mezclado continuo (500 RPM)
Centrifugado
•Velocidad: 3000 x g
•Tiempo: 10 min
•Se preserva el precipitado.
Repetición
•El proceso de suspensión y centrifugado se repite 5 veces.
•El precipitado final es la amilopectina.
38
Prueba de espectrofotometría UV
Ilustración 20 Proceso para la prueba de espectrofotometría UV
Tabla 3 Tabla para la preparación de la curva estándar
El proceso se realizó según el procedimiento detallado en “Development of a 96-well plate
iodine binding assay for amylose content determination” (R.C., J.D., S.R., T.J., & Y., 2014).
En el anexo 3 se pueden ver fotos de este proceso.
Preparación de los solventes Se preparan dos solventes constituidos por 90% DMSO y 10% de agua. A uno de éstos
solventes se le agrega 3,04 g/L de yodo. La función de los solventes es, como su nombre lo
indica, disolver la amilopectina y la amilosa en las muestras. El yodo se utiliza como
marcador en la prueba ultravioleta. Esto se debe a que el yodo reacciona con la amilopectina
y la amilosa de una manera específica que es posible medir por medio de la absorbancia en
las frecuencias respectivas (620 nm para la amilosa y 510 nm para la amilopectina).
Preparación de los solventes
•Solvente 1: 90% DMSO en agua
•Solvente 2: 90% DMSO en agua con 3,04 g/L de yodo metálico
Preparación de las soluciones
•Soluciones: 5 mg de muestra/estándar por mL de 90% DMSO
•Temperatura: 95ºC
•Tiempo: 1 hora
•Mezclado continuo (500 RPM)
Adición del yodo
•Remover alícuota de 100 uL por muestra.
•Preparar curva estándar según la tabla 3.
•Añadir 100 uL del solvente 2 a cada muestra y estándar
•Mezclar
Realización de la prueba UV
•Remover 20 uL de cada muestra y estándar.
•Adicionar a cada una de estas alícuotas 180 uL de agua deionizada
•Mezclar
• Medir la absorbancia de cada muestra y estándar en las ondas 620 nm y 510 nm.
39
Preparación de las soluciones En esta parte del proceso es importante tener claridad sobre la diferencia entre muestras y
estándares. Las muestras son a las que se les quiere determinar el porcentaje de amilosa y
amilopectina. Los estándares son mezclas de amilosa y amilopectina con porcentajes ya
conocidos que se pueden preparar gracias al proceso de separación de amilosa y amilopectina
realizado previamente.
En este caso, por cada variedad de yuca, se preparó una muestra de almidón, con 5 mg de
almidón por cada mL de solvente 90% DMSO.
Adicionalmente, se prepararon dos estándares, uno con 100% amilosa y otro con 100%
amilopectina. De la misma manera, se disolvieron 5 mg de éstos componentes por cada mL
de solvente 90% DMSO.
Esto dio lugar a 5 preparaciones diferentes, 3 muestras y 2 estándares. Cada uno de ellos
luego se calentó en una plancha a 55ºC con agitación magnética continua (500 RPM) durante
1 hora para garantizar la disolución de los componentes.
Adición del yodo De cada una de las 3 muestras se removió una alícuota de 100 uL y se colocó en un nuevo
recipiente.
A partir de los dos estándares y con base en la tabla 3 se prepararon nuevos estándares, cada
uno de 100 uL, para las relaciones 0% Amilosa – 100% Amilopectina, 10% Amilosa – 90%
Amilopectina, 20% Amilosa – 80% Amilopectina y 30% Amilosa – 70% Amilopectina. Si
bien la referencia recomendaba utilizar más estándares para desarrollar la curva estándar,
sólo se utilizaron 4 por cuestiones de tiempo, costo y facilidad. Los cuatro estándares
escogidos se encuentran además en el rango normal de amilosa y amilopectina del almidón
de yuca.
De esta manera se obtuvieron 7 preparaciones, cada una de 100 uL; 3 muestras y 4 estándares
diferentes. A cada una de estas preparaciones se le agregó luego 100 uL de 90% DMSO en
agua con 3,04 g/L de yodo. Posteriormente se mezclaron.
Realización de la prueba UV A cada una de las preparaciones anteriores se le removió una alícuota de 20 uL y se colocó
en un nuevo recipiente. A cada uno de estos nuevos recipientes se le agregó 180 uL de agua
deionizada. Posteriormente se mezclaron.
40
Por último, se realizó la medición de la absorbancia en las ondas 620 nm y 510 nm a cada
una de las 7 preparaciones utilizando la máquina de espectrofotometría UV.
Existen dos métodos para obtener la curva estándar y poder cuantificar la relación amilosa-
amilopectina de las muestras. En el primer método se grafican los resultados de absorbancia
en 620 nm de los estándares contra el porcentaje de amilosa de cada una, que ya se conoce.
Posteriormente se realiza una regresión lineal que se utiliza para la cuantificación de la
relación A-A, a partir únicamente de la absorbancia en 620 nm de las muestras. El segundo
método es muy similar, la única diferencia siendo que en vez de graficar la absorbancia en
620 nm, se utiliza la diferencia entre la absorbancia a 620 nm y a 510 nm. Es decir, (ABS620
– ABS510) contra porcentaje de amilosa.
Plastificación y pruebas mecánicas
Ilustración 21 Proceso de plastificado y de pruebas de tensión
Secado del almidón
•Temperatura: 120ºC
•Tiempo: 4 horas
Mezclado almidon y glicerina
•70% almidón y 30% Glicerina
•Tiempo: 10 minutos
Secado del almidón modificado
•Temperatura: 120ºC
•Tiempo: 4 horas
Extrusión
•Velocidad: 30 RPM
•Perfil de temperatura: 130/135/140/145/145/145 ºC
Moldeado
•Probetas: 7 de cada variedad según norma ASTM D638 - 14, 140 g de material en el molde
•Presión: presión 1 15 bar, presión 2 85 bar
•Temperatura: 145 ºC
•Tiempo: 10 min calentamiento, 1 min presión 1, 1 min presión 2, 5 venteos cada uno de 5 segundos
Prueba de tensión
•2 Pruebas de tensión independientes, la primera al día siguiente del moldeado, la segunda 20 días después.
•Ambas pruebas se realizaron según la norma ASTM D638 - 14
•Velocidad 50 mm/min, atmósfera controlada
41
El proceso de plastificación se realizó siguiendo el ejemplo de tesis anteriores realizadas en
la universidad, específicamente “Inyección de compuestos plastificados a base de almidón
de yuca y fibra celulósica” (Cano Rivera, 2012) y “Obtención, caracterización y comparación
de almidón termoplástico a partir de almidón de yuca y maíz” (Gaitán Camacho, 2009). Las
pruebas mecánicas de tensión siguieron la norma ASTM D638 – 14 (ASTM International,
2014). Algunas fotos del proceso se pueden ver en el anexo 4.
Secado del almidón Debido a que el almidón retiene naturalmente una cantidad importante de agua y a que dicha
humedad influye de manera directa en el procesamiento y características finales del almidón
termoplástico, se redujo la cantidad de humedad para controlar estos efectos.
El secado se realizó en el horno Blue M durante 4 horas a una temperatura de 120ºC,
suficientes para evaporar el agua, pero no para degradar el almidón. Este secado se realizó
simultáneamente para las tres muestras de almidón.
Mezclado de almidón y glicerina Las tres variedades de almidón se mezclaron de manera independiente con glicerina (el
plastificante) en la mezcladora Hobart durante 10 minutos. La proporción en los tres casos
fue de 70% de almidón y 30% de glicerina, en peso. El tiempo de mezclado fue suficiente
para que el almidón modificado (almidón + plastificante) fuera homogéneo.
Secado del almidón modificado El hecho de mezclar el almidón con la glicerina hace que la humedad aumente nuevamente,
debido al contenido de agua que puede tener la glicerina y a la naturaleza hidrofílica de la
mezcla. Por lo tanto, se realiza otro secado, igualmente durante 4 horas y con una temperatura
de 120ºC (suficientemente baja para no fundir el almidón modificado).
Extrusión La extrusión se llevó a cabo en la extrusora Brabender de doble husillo alimentando
directamente el almidón modificado seco del paso anterior. El perfil de temperaturas usado
fue de 130/135/140/145/145/145 como se puede observar en la ilustración 22. Y la velocidad
de rotación del tornillo fue en promedio de 30 RPM. La velocidad se rotación varió en
algunos momentos debido a que cuando se llegaba al límite de torque que puede proporcionar
la máquina, era necesario reducirla.
42
Durante la extrusión de las tres variedades se intentaron mantener las variables de proceso lo
más similares posible, adicionalmente se utilizó el mismo dado de extrusión en todos los
casos, que daba como resultado cuatro hilos iguales por extrusión.
Ilustración 22 Perfil de temperatura de la extrusora
Moldeado El proceso de moldeo se realizó con la prensa de moldeo Scientific. La geometría de las
probetas moldeadas estaba definida por la norma ASTM D638 – 14 (ASTM International,
2014). Se realizaron 7 probetas de cada variedad de yuca, para un total de 21 probetas.
El proceso de moldeado se realizó de la siguiente manera. Inicialmente un calentamiento
durante 10 minutos hasta 145ºC, posteriormente 1 minuto de presión a 15 bar, luego un
minuto de presión a 85 bar y por último 5 venteos, cada uno de 5 segundos, para enfriar las
probetas. No se utilizó ningún tipo de lubricante en el molde.
Dado que de la extrusión se obtuvieron hilos de TPS, no hizo falta realizar peletizado, sino
que los hilos se cortaron manualmente con una tijera de manera que quedaran del tamaño
adecuado para el molde, como se puede ver en la foto 21 en el anexo 4.
Prueba de tensión Las pruebas de tensión se llevaron a cabo según la norma ASTM D638 – 14 (ASTM
International, 2014), a una velocidad de 50 mm/min y con una atmósfera controlada de 24ºC
y humedad del 50%. Se realizaron dos pruebas, la primera ocurrió al otro día de realizar el
moldeo, en la cual se fallaron 5 probetas de cada variedad. La segunda prueba se realizó 20
días después, en la cual se fallaron dos probetas de cada variedad.
Se realizaron dos pruebas con la intención de evidenciar el cambio en las características
mecánicas del material a través del tiempo.
43
Análisis y presentación de resultados Extracción del almidón La extracción del almidón dio como resultado tres almidones diferentes, cada uno de una
variedad diferente de yuca. Las cantidades de almidón obtenido después del secado al sol se
pueden ver en la tabla 4. Dichos almidones se pueden observar también en la foto 5 del anexo
1.
Tabla 4 Cantidad de almidón obtenido en la extracción
Variedad Tierra Negra Tierra Mona Playera
Cantidad (g) 1157 784 857
Adicionalmente a la cantidad total obtenida de cada variedad, se realizó un seguimiento de
la eficiencia del proceso de extracción. Estos resultados tienen validez ya que el proceso
llevado a cabo para las tres variedades fue exactamente el mismo. En la tabla 5 se pueden
observar los pesos a través del proceso para las tres variedades, en paréntesis se observa el
porcentaje correspondiente del total del peso.
Tabla 5 Pesos y eficiencia del proceso de extracción
Variedad Tierra Negra Tierra Mona Playera
Peso inicial (g) 509 (100%) 509 (100%) 506 (100%)
Peso cáscara (g) 62 (12.2%) 82 (16.1%) 73 (14.4%)
Residuo filtrado (g) 211 (41.4%) 197 (38.7%) 200 (39.5%)
Agua (g) 106 (20.9%) 102 (20.1%) 98 (19.6%)
Almidón seco (g) 130 (25.5%) 128 (25.1%) 135 (26.5%)
Según este primer proceso, se puede decir que no existe una diferencia importante en la tasa
de extracción de almidón de las tres variedades, ya que cómo se puede observar, el almidón
seco obtenido de las tres es muy similar. Adicionalmente, durante la realización de la
extracción no se notó ninguna dificultad o complicación con ninguna de las variedades. Por
esta razón, se puede decir que, en términos de extracción de almidón, las tres variedades son
indiferentes.
44
Separación de la amilosa El proceso de separación de la amilosa fue complicado debido a las pequeñas cantidades de
almidón que se debían usar. Cada preparación estaba limitada a 60 mL debido a la capacidad
de la máquina centrifugadora. En esta cantidad de líquido sólo es posible disolver 2,4 g de
almidón. A manera de estimación, el almidón tiene alrededor de 80% de amilopectina y 20%
de amilosa, por lo tanto, después de pérdidas e impurezas, podía esperarse obtener menos de
1.92 g de amilopectina y 0.48 g de amilosa. Dadas las pequeñas cantidades de estos
componentes, el proceso fue difícil, de mucho cuidado y demorado, ya que tuvo que repetirse
varias veces.
Es importante notar que sólo fue necesario realizar el proceso de separación de amilosa y
amilopectina para una variedad de yuca (playera), ya que la amilopectina pura y la amilosa
pura son iguales independientemente de la variedad, cómo se demostró en (Thianming, David
S., Randy L., & Bhima, 2008). Esto significa que con la amilosa y amilopectina obtenida a
partir de la yuca Playera se puede caracterizar la relación amilosa-amilopectina de las tres
variedades.
En la foto 10 del anexo 2 se puede observar la amilosa obtenida.
Separación de la amilopectina En el proceso de separación de la amilopectina se experimentaron las mismas dificultades
que en el proceso de la separación de la amilosa.
En la foto 10 del anexo 2 se puede observar la amilopectina obtenida.
Prueba de espectrofotometría UV La preparación de las muestras fue difícil de llevar a cabo debido a las pequeñas cantidades
manejadas, del orden de los microlitros. Sin embargo, fue posible preparar todas las muestras
en las cantidades necesarias. Las muestras obtenidas se pueden observar en la foto 15 del
anexo 3 y corresponden a las siguientes:
Muestra de almidón de yuca Playera
Muestra de almidón de yuca Tierra Negra
Muestra de almidón de yuca Tierra Mona
Estándar con 0% amilosa y 100% amilopectina
Estándar con 10% amilosa y 90% amilopectina
Estándar con 20% amilosa y 80% amilopectina
45
Estándar con 30% amilosa y 70% amilopectina
Los resultados de las pruebas de absorbancia, tanto para los estándares como para las
muestras, se pueden ver en la tabla 6. Las gráficas obtenidas a partir de éstos, a través de
ambos métodos, se pueden observar en las gráficas 1 y 2.
Tabla 6 Resultados de la prueba UV
Tierra
Mona
Tierra
Negra Playera
0%
amilosa
10%
amilosa
20%
amilosa
30%
amilosa
ABS620 0.330 0.234 0.322 0.070 0.096 0.136 0.152
ABS510 0.480 0.374 0.424 0.261 0.187 0.315 0.308
Gráfica 1 Curva estándar (método ABS620)
Gráfica 2 Curva estándar (Método ABS620 - ABS510)
y = 0,286x + 0,0706R² = 0,9768
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%
AB
S620
Amilosa (%)
Método 620 nm
y = 0,017x - 0,1568R² = 0,0024
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
0
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%
AB
S620
-A
BS5
10
Amilosa (%)
Método 620 - 510 nm
46
La cantidad porcentual de amilosa, estimada por ambos métodos para cada una de las
muestras se expone en la tabla 7.
Tabla 7 Cantidad porcentual de amilosa calculada por UV
Amilosa (%)
Tierra Negra Tierra Mona Playera
ABS620 57.1 90.7 87.9
ABS620 –
ABS510 98.8 40.0 322.4
Como se puede ver al analizar los resultados de la tabla 7, la prueba UV para estimar la
relación amilosa-amilopectina no funcionó adecuadamente, ya que, según la literatura y la
tabla 2, no tiene ningún sentido un porcentaje de amilopectina del 40%, mucho menos uno
del 322.4%.
Estos resultados no pueden ser utilizados para secar conclusiones entre las variedades, ya que
los datos no son confiables. Por esta razón no se pueden relacionar directamente los
resultados de las pruebas de tensión (expuestos más adelante) con la relación amilosa-
amilopectina de cada variedad.
Hay muchas razones por las cuales estos resultados pueden haber salido mal, entre las cuales
se destacan la dificultad de obtener amilosa y amilopectina pura (especialmente dadas las
limitaciones impuestas por los equipos), la dificultad para preparar las muestras para las
pruebas UV (debido a las pequeñas cantidades de material que es necesario manipular y
nuevamente a la limitación de los equipos disponibles) y debido a que por no tener
disponibilidad de la máquina UV en ingeniería mecánica, fue necesario que otro
departamento realizara las pruebas, esto llevó a que las pruebas no pudieran realizarse de
manera inmediata, de manera que las muestras se pudieron ver alteradas por el tiempo de
espera.
Plastificación y pruebas mecánicas
Secados y adición de la glicerina Durante el primer secado, para establecer la cantidad de humedad perdida por los almidones,
se llevó a cabo un registro del peso antes y después de aplicar la temperatura. Dichos pesos
47
se pueden observar en la tabla 8, en paréntesis se puede observar la equivalencia en porcentaje
con respecto al peso inicial.
Tabla 8 Pesos del almidón antes y después del primer secado
Variedad Tierra Negra Tierra Mona Playera
Peso inicial (g) 1157.36 (100%) 782.54 (100%) 854.06 (100%)
Agua perdida (g) 151.09 (13.05%) 122.95 (15.71%) 110.39 (14.84%)
Peso final (g) 1006.27 (86.95%) 659.59 (84.29) 743.67 (85.16%)
Si bien la diferencia en la pérdida de humedad no es mucha entre las tres variedades, se puede
observar que la que más humedad perdió fue la Tierra Mona (15,71%) y que menos perdió
fue la Tierra Negra (13.05%).
De una manera similar, después de agregar la glicerina en una relación 70/30 para cada una
de las variedades, se prosiguió con el segundo secado, en el cuál se hizo un registro igual de
los pesos (Tabla 9).
Tabla 9 Pesos del almidón modificado antes y después del segundo secado
Variedad Tierra Negra +
Glicerina
Tierra Mona +
Glicerina
Playera +
Glicerina
Peso inicial (g) 1436.01 (100%) 956.98 (100%) 1077.69 (100%)
Agua perdida (g) 180.83 (12.59%) 98.45 (10.29%) 100.28 (9.30%)
Peso final (g) 1255.18 (87.41%) 858.53 (89.71%) 977.41 (90.7%)
En el segundo secado, se puede ver que todas las variedades perdieron una cantidad de agua
menor al comparar con el primer secado. Esto indica que si bien la glicerina aportó humedad,
no lo hizo en una proporción tan alta a la que tenía el almidón inicialmente. Adicionalmente
se puede notar que la variedad que más humedad perdió fue la Tierra Negra (12.59%) y la
que menos perdió fue la Playera (9.30%).
La cantidad de agua perdida durante los dos secados demuestra la naturaleza hidrofílica del
almidón y del almidón modificado. Teniendo en cuenta que la cantidad de agua es una
variable con influencia en las características finales del almidón termoplástico, se puede ver
la importancia de controlar sus efectos con el secado.
48
Es importante notar que, al finalizar el segundo secado, después de haber agregado la
glicerina, los almidones modificados de las tres variedades tenían consistencias diferentes.
Especialmente el de Tierra Negra, que tenía grandes grumos o rocas duras que no pudieron
usarse en la extrusión. Estas diferencias pueden verse en la foto 18 del anexo 4. Como se
puede ver en la foto mencionada, la variedad Tierra Mona era la más blanca de todas y no
tenía rocas, la variedad Playera era un poco más amarilla y tenía pocas y pequeñas rocas. Por
último, la variedad Tierra Negra era considerablemente más amarilla y tenía grandes y
muchas rocas.
Ya que todos los procesos realizados con las tres variedades de almidón fueron iguales y se
llevaron a cabo en paralelo, es razonable pensar que las diferencias cualitativas mencionadas
responden a características diferenciadoras de las distintas variedades.
Extrusión La extrusión de las tres variedades no fue exactamente igual, aunque las características del
proceso se mantuvieron lo más similares posibles. En la gráfica 3 se puede observar el
comportamiento del torque a través del tiempo para las tres variedades de almidón.
Adicionalmente, en la tabla 10 se muestra el torque y la velocidad del tornillo promedio con
una medida de variabilidad de una vez la desviación estándar.
Gráfica 3 Torque vs Tiempo durante la extrusión
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60
Torq
ue
(Nm
)
Tiempo (m)
Torque vs Tiempo durante la extrusión
Tierra Mona Playera Tierra Negra
49
Tabla 10 Torque y velocidad del tornillo promedio para las tres variedades
Variedad Tierra Negra Tierra Mona Playera
Torque (Nm) 33.24 ± 18.34 52.30 ± 8.19 41.18 ± 12.76
Velocidad (RPM) 26.9 ± 9.2 27.0 ± 2.4 22.2 ± 10.2
Cómo se puede ver en la gráfica 3 y en la tabla 10, la variedad con parámetros más estables
durante el procesamiento fue la Tierra Mona, luego la Playera y por último la Tierra Negra.
Este ordenamiento responde directamente a las variedades cualitativas mencionadas en el
título anterior, ya que la dificultad en la extrusión dependía de manera importante de la
cantidad de las piedras presentes en el almidón y de su tamaño.
Es por esta razón que al extruir la variedad Tierra Mona no hubo ningún inconveniente y el
perfil de temperatura y la velocidad se pudo mantener como se indicó en la sección de
procedimiento.
En cambio, al extruir la variedad Playera, debido a las piedras que tenía, fue necesario reducir
un poco la velocidad del tornillo. Sin embargo, el perfil de temperaturas continuó siendo el
mismo. Si esto no se hubiera realizado, no se habría podido llevar a cabo la extrusión, ya que
a la velocidad estándar el torque subía por encima de la tolerancia de la máquina (80 Nm).
Por otro lado, la extrusión de la variedad Tierra Negra fue la más complicada de las tres,
debido al gran número de piedras que tenía y a sus tamaños. Se hizo un primer intento en el
que se respetaron las especificaciones descritas en la sección de procedimiento, pero el torque
subía por encima de los límites tolerables. Por esa razón se decidió subir un poco la
temperatura, dando lugar al perfil de temperaturas 140/145/150/150/150/150. Una vez
realizado, se siguió intentando procesar las piedras del almidón, pero el torque se acercaba
mucho al límite permitido, como se observa en la gráfica 3. Por esta razón se seleccionaron
las piedras del almidón, se descartaron y el resto del proceso sólo se utilizó el almidón fino.
Es importante notar, sin embargo, que el material final obtenido de las tres variedades de
almidón era muy similar visualmente. Había muy pocas burbujas en todos y el color era el
mismo para las tres variedades (foto 20, anexo 4).
Los resultados obtenidos durante el proceso de extrusión son importantes porque reflejan la
facilidad de procesamiento de cada variedad. Si bien es posible en el futuro optimizar el
procesamiento de cada variedad y obtener mejores resultados, este proceso da una buena idea
inicial.
50
Moldeado El moldeado de las tres variedades se realizó sin ningún inconveniente y funcionó bien en el
primer intento. La temperatura elegida de 140ºC fue adecuada para lograr fundir los
almidones termoplásticos.
El molde utilizado se llenó de hilos de TPS como se explica en la sección de procedimiento.
El resultado final fue el observado en la foto 22 del anexo 4.
Pruebas de tensión Como se explicó en la sección de procedimiento las pruebas se realizaron según la norma
D638 – 14 y en dos tandas diferentes, para ver los efectos del tiempo en los resultados.
Los resultados obtenidos son los siguientes, expuestos en las tablas 11, 12, 13, 14, 15 y 16.
Adicionalmente, se puede ver en las gráficas 4, 5, 6 y 7 una comparación de los diferentes
resultados.
Para calcular el límite elástico, se realizó una derivación de los datos, de esta manera se pudo
observar en que deformación se estabilizaba la pendiente y posteriormente se reportaba el
esfuerzo correspondiente a dicha deformación como el límite elástico. El Módulo de Young
se calculó mediante una regresión lineal de los datos en la zona elástica de las probetas. El
esfuerzo de ruptura y el porcentaje máximo de deformación se establecieron visualmente.
En el anexo 5, se ilustran las gráficas de esfuerzo contra deformación de todos los ensayos
realizados.
Tabla 11 Prueba de Tensión Playera (0 días)
Probeta Límite
Elástico (MPa)
Módulo de
Young (MPa)
Esfuerzo de
Ruptura
(MPa)
Porcentaje de
Deformación
(%)
1 0.054 0.900 0.755 394.1
2 0.119 2.070 0.955 422.5
3 0.123 2.166 1.051 406.6
4 0.149 2.487 1.036 357.5
5 0.149 2.583 1.200 420.1
Promedio 0.135 2.326 1.060 401.7
Desv. estándar 0.016 0.247 0.102 30.3
La probeta número uno de la variedad Playera no se tuvo en cuenta ya que se tuvo un
problema con la velocidad de la máquina y los resultados por lo tanto no son aceptables.
51
Tabla 12 Prueba de Tensión Tierra Mona (0 días)
Probeta Límite
Elástico (MPa)
Módulo de
Young (MPa)
Esfuerzo de
Ruptura
(MPa)
Porcentaje de
Deformación
(%)
1 0.152 2.609 0.828 352.4
2 0.152 2.514 0.881 363.3
3 0.174 2.840 0.916 387.7
4 0.179 3.019 0.982 335.8
5 0.166 2.865 0.969 331.3
Promedio 0.165 2.769 0.915 354.1
Desv. estándar 0.012 0.204 0.063 22.8
Tabla 13 Prueba de Tensión Tierra Negra (0 días)
Probeta Límite
Elástico (MPa)
Módulo de
Young (MPa)
Esfuerzo de
Ruptura
(MPa)
Porcentaje de
Deformación
(%)
1 0.090 1.462 0.863 454.2
2 0.082 1.375 0.764 422.4
3 0.097 1.675 0.750 370.4
4 0.105 1.855 0.770 333.8
5 0.078 1.390 0.673 363.7
Promedio 0.090 1.551 0.764 388.9
Desv. estándar 0.011 0.208 0.068 48.5
Tabla 14 Prueba de Tensión Playera (20 días)
Probeta Límite
Elástico (MPa)
Módulo de
Young (MPa)
Esfuerzo de
Ruptura
(MPa)
Porcentaje de
Deformación
(%)
1 0.188 3.203 0.700 98.9
2 0.227 3.996 0.682 54.1
Promedio 0.208 3.600 0.691 76.5
Desv. estándar 0.028 0.561 0.013 31.7
Tabla 15 Prueba de Tensión Tierra Mona (20 días)
Probeta Límite
Elástico (MPa)
Módulo de
Young (MPa)
Esfuerzo de
Ruptura
(MPa)
Porcentaje de
Deformación
(%)
1 0.578 9.894 1.285 44.0
2 0.520 9.041 1.410 63.4
Promedio 0.549 9.468 1.348 53.7
Desv. estándar 0.041 0.603 0.088 13.7
52
Tabla 16 Prueba de Tensión Tierra Negra (20 días)
Probeta Límite
Elástico (MPa)
Módulo de
Young (MPa)
Esfuerzo de
Ruptura
(MPa)
Porcentaje de
Deformación
(%)
1 0.116 1.949 0.580 130.4
2 0.184 3.155 0.696 101.8
Promedio 0.150 2.552 0.638 116.1
Desv. estándar 0.048 0.853 0.082 20.2
Es importante notar que en términos absolutos y de manera general, las propiedades
mecánicas del TPS medidas en este proyecto son bajas comparadas con polímeros
comerciales o compuestos TPS con otros polímeros, de aquí la importancia de los
compuestos para mejorar las características del TPS (Li, Luo, Lin, & Zhou, 2013).
Gráfica 4 Comparación del Límite Elástico
La gráfica 4, que compara el límite elástico de las diferentes variedades a través del tiempo,
permite hacer algunas observaciones. La primera de ellas es que el límite elástico de cada
una de las variedades de TPS aumentó con el tiempo, indicando endurecimiento por
retrogradación. Adicionalmente, se puede observar que el cambio en la propiedad fue mucho
más marcado para la variedad Tierra Mona que para las otras dos variedades. Esto, según la
investigación realizada, puede deberse al mecanismo predominante en la retrogradación, que
depende mucho de la relación amilosa-amilopectina. Al realizar la primera prueba, se
controlaron las probetas de manera que se minimizara la cantidad de humedad en el ambiente.
En cambio, en la segunda prueba las probetas ya habían absorbido agua (tabla 17) y por lo
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Playera (0días)
Playera (20días)
Tierra Mona(0 días)
Tierra Mona(20 días)
Tierra Negra(0 días)
Tierra Negra(20 días)
Lím
ite
Elás
tico
(M
Pa)
Límite Elástico (Mpa)
53
tanto se había retrogradado. Dada la cantidad de agua que absorbió la variedad Tierra Mona
y el hecho de que su límite elástico aumentó tan drásticamente, es posible pensar que esta
variedad contiene una mayor cantidad de amilosa (hidrofílica), ya que se retrogradó más y
más rápidamente. Esto se puede comprobar al observar la tabla 2.
La comparación entre las variedades en el día 0 también ilustra que la variedad Tierra Mona
tiene un límite elástico superior a las demás. Este hecho también puede reflejar una mayor
cantidad de amilosa, ya que ésta aumenta la rigidez del material incluso desde el
procesamiento del material, debido a su estructura que forma cristales helicoidales con
facilidad. Por otro lado, es probable que la retrogradación de las variedades Tierra Negra y
Playera esté siguiendo un mecanismo similar, posiblemente uno donde predomina el efecto
de la cristalización de la amilopectina.
Gráfica 5 Comparación del Módulo de Young
La gráfica 6 permite observar una tendencia muy similar a la de la gráfica 5. En los tres casos
el módulo de Young aumentó a través del tiempo debido a la retrogradación. Sin embargo,
también se puede ver que el aumento en la variedad Tierra Mona fue mucho mayor que la de
las otras dos variedades. Al comprar las tres variedades en el día 0 la tendencia sigue siendo
la misma, la Tierra Mona tiene un módulo mayor, seguida de la Playera y por último la Tierra
Negra. Esto puede seguir la misma hipótesis mencionada en el párrafo anterior.
0
2
4
6
8
10
12
Playera (0días)
Playera (20días)
Tierra Mona(0 días)
Tierra Mona(20 días)
Tierra Negra(0 días)
Tierra Negra(20 días)
Mó
du
lo d
e Yo
un
g (M
Pa)
Módulo de Young (Mpa)
54
Gráfica 6 Comparación del Esfuerzo de Fluencia
Al analizar el esfuerzo de ruptura (gráfica 6) se observa un comportamiento atípico por parte
de la variedad Tierra Mona. Si bien el esfuerzo de ruptura de las otras variedades disminuye
con la retrogradación, el de la variedad Tierra Mona aumenta. Esto nuevamente puede indicar
que la retrogradación de la variedad Tierra Mona ocurre predominantemente por un
mecanismo diferente al de las otras dos variedades. Al comparar las variedades entre ellas en
el día 0, se puede ver que el esfuerzo de ruptura es mayor para la Playera, seguida de la Tierra
Mona y por último la Tierra Negra, en cantidades cercanas a 0,9 MPa.
Gráfica 7 Comparación del Porcentaje de Deformación (%)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
Playera (0días)
Playera (20días)
Tierra Mona(0 días)
Tierra Mona(20 días)
Tierra Negra(0 días)
Tierra Negra(20 días)
Esfu
erzo
de
Ru
ptu
ra (
MP
a)
Esfuerzo de Ruptura (Mpa)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Playera (0días)
Playera (20días)
Tierra Mona(0 días)
Tierra Mona(20 días)
Tierra Negra(0 días)
Tierra Negra(20 días)
Po
rcen
taje
de
Def
orm
ació
n (
%)
Porcentaje de Deformación (%)
55
El porcentaje de deformación (gráfica 7) es muy similar para todas las variedades, tanto en
el día 0 como en el día 20. En el primer caso se encuentra alrededor de 375% y en el segundo
caso alrededor de 80%. La tendencia a través del tiempo también es coherente con la
retrogradación que sufre el material. Asimismo, se puede notar que tanto en el día 0 como en
el día 20 la variedad que soporta menor degradación es la Tierra Mona, resultado que es
coherente con su mayor rigidez evidenciada en las demás gráficas. Es importante notar que
para todas las variedades esta característica se ve muy afectada por el tiempo, es decir, la
retrogradación del material.
Además de realizar las pruebas de tensión, se tuvo en cuenta el cambio en el peso de las
probetas a través del tiempo, como medida de la absorción de humedad de cada una de las
variedades. Los resultados se pueden ver en la tabla 17, donde se midió el peso inicial y final
promedio de las probetas de cada variedad y posteriormente se calculó el cambio en gramos
y en porcentaje con respecto al peso inicial.
Tabla 17 Cambio en el peso de las probetas en el tiempo
Tierra
Mona
Tierra
Negra
Playera
Inicial (g) 11,275 10,895 11,160
Final (g) 11,995 11,470 11,760
Cambio (g) 0,720 0,575 0,600
Cambio (%) 6,386 5,278 5,376
La tabla 17permite observar que la variedad que más humedad absorbió fue la Tierra Mona,
lo cual soporta la hipótesis de que es la que mayor porcentaje de amilosa contiene.
Adicionalmente se puede ver que en 20 días la absorción de agua de todas las probetas es
significativa, ya que equivale a más del 5% del peso inicial.
56
Conclusiones La revisión bibliográfica permitió identificar las principales variedades de yuca industrial
sembradas en Colombia, así como sus regiones y las principales características de sus
almidones. También se revisó el procesamiento y la extracción del almidón.
Por otro lado, se identificó el efecto que tienen los lípidos y la cantidad de agua durante la
plastificación del almidón modificado y se verificó que el proceso realizado no fuera afectado
negativamente por ninguna de las dos variables. Esto se logra al no adicionar a la mezcla
lípidos y minimizar la cantidad de agua en el almidón.
El estudio acerca de los efectos de la relación amilosa-amilopectina mostró que ambos
componentes se cristalizan durante la retrogradación del almidón, pero mediante mecanismos
diferentes. La cristalización de la amilosa es más rápida y se ve muy influenciada por la
absorción de agua, hasta que la cristalización se estabiliza y la retrogradación no continua de
manera importante. Por otro lado, la amilopectina se cristaliza más lentamente, pero continúa
haciéndolo hasta que el material se encoje y se resquebraja. Estos efectos se evidencian en
almidones muy ricos en ambos componentes, pero para un almidón natural, los efectos
ocurren de manera simultánea. Adicionalmente, el efecto se ve reforzado por la migración
del plastificante hacia el entorno, que aumenta la temperatura de fusión y de transición vítrea,
facilitando aún más la retrogradación.
En cuanto al estudio de las tres variedades de yuca seleccionadas, se puede decir que la
cantidad de almidón extraída de cada variedad es prácticamente la misma y que dicho proceso
es de fácil realización a escala de laboratorio.
Por otro lado, el procedimiento para separar la amilosa y la amilopectina del almidón es un
proceso complicado, que es necesario hacer en cantidades muy pequeñas y con equipos
especializados. Es posible que esta separación haya sido uno de los problemas que afectó el
resultado de la prueba UV, ya que no se pudo verificar la pureza de los componentes
adquiridos.
El resultado obtenido de la prueba UV no fue coherente, además de lo mencionado
anteriormente, por la ausencia de máquinas especializadas y por el tiempo que las muestras
57
tuvieron que esperar para ser analizadas debido a la ocupación de los laboratorios.
Desafortunadamente, la ausencia de estos resultados no permitió hacer una correlación
numérica entre la relación amilosa-amilopectina de los almidones y sus características
mecánicas de manera directa, aunque sí se pudo realizar mediante los datos reportados por el
CIAT (tabla 2).
El hecho de que la variedad Tierra mona es la que mayor porcentaje de amilosa posee,
mientras que la Tierra Negra es la que menos, se pudo relacionar con varios resultados
durante y después de los procesos de plastificación. Por ejemplo, se constató de manera
cualitativa que el procesamiento durante la extrusión fue más fácil para la variedad Tierra
Mona y más difícil para la variedad Tierra Negra, hecho que se vio reforzado en la foto 18
del anexo 4, en la cual se ve que la variedad más clara y con menos “piedras” es la Tierra
Mona, mientras que las otras dos son más oscuras y tienen “piedras”.
Además, el mayor porcentaje de amilosa en la variedad Tierra Mona que en las demás, se vio
reflejado en su rápida y marcada retrogradación. Estos resultados indican entonces que un
mayor porcentaje de amilosa llevan a una retrogradación más rápida del material y que
adicionalmente hace más fácil el proceso de plastificación del material.
Las pruebas adicionalmente permitieron evidenciar la retrogradación de las tres variedades y
mostraron que la variedad Tierra Mona era la más rígida y menos elástica en el día 0 y
también la más afectada por la retrogradación a los 20 días. Igualmente se observó que para
las tres variedades, la característica más afectada por la retrogradación fue la capacidad de
deformación antes de la ruptura.
Una futura investigación podría centrarse en investigar los resultados de diferentes métodos
para medir la relación amilosa-amilopectina del almidón de yuca, de manera que se pueda
completar la información acá faltante. Para esto, sería necesario superar las limitaciones de
los equipos aquí usados, en especial la centrifugadora (hace falta capacidad para más líquido
y más velocidad de rotación) y la máquina UV (que sólo puede procesar muestras de al menos
10 ml, una cantidad muy difícil de obtener).
58
Bibliografía A. J., & S. T. (2007). Guía técnica para producción y análisis de almidón de yuca . Boletín
de servicios agrícolas de la FAO .
ASTM International. (2014). Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.
B. I., L. M., D. A., & M. N. (2004). Stability of native starch quality parameters, starch
extraction and root dry matter of cassava genotypes in different environments.
journal of the Science of Food and Agriculture.
B. O., & H. C. (2002). La Yuca en el Tercer Milenio. Bogotá.
B. S., & H. M. (1994). Amylose-Lipid Complex Formation During Single-Screw Extrusion
of Various Corn Starches. American Assosiation of Cereal Chemists.
B. S., & H. M. (1994). Extrussion Processing Conditions for Amylose-Lipid Complexing.
American Assosiation of Cereal Chemists.
Cadavid López, L. F. (2006). Aspectos tecnológicos sobre Producción de Yuca. Cali:
CLAYUCA.
Cano Rivera, A. G. (2012). Inyección de compuestos plastificados a base de almidón de
yuca y fibra celulósica. Bogotá: Universidad de los Andes.
Cárdenas Suarez, D. A. (2011). Compuesto a base de almidón de yuca y cisco de café, para
la elaboración de recipientes desechables para alimentos. Bogota: Universidad de
los Andes.
CIAT. (10 de 08 de 2016). Programa de Recursos Genéticos - CIAT. Obtenido de
Colección de Yuca: http://isa.ciat.cgiar.org/urg/cassavacollection.do
CIAT-CORPOICA. (2004). Nuevas Variedades de Yuca para Uso Industrial en la Región
Caribe Colombiana. Cali: CIAT.
D. F., S. K., S. A., & M. A. (2006). Effect of Temperature, moisture and lipid content on
the rheological properties of rice flour. ScienceDirect.
DANE. (2004). Censo de Producción de Yuca para uso Industrial. Bogotá: DANE.
European Committee for Standarization. (s.f.). EN 13432. Europe: EN.
FAOSTAT. (15 de 08 de 2016). Food and Agriculture Organization of the United Nations.
Obtenido de Browse Data: http://faostat3.fao.org/browse/Q/QC/E
Gaitán Camacho, J. A. (2009). Obtención, caracterización y comparación de almidón
termoplástico a partir de almidón de yuca y maíz. Bogotá: Universidad de los
Andes.
Hashemi, J., & Smith, W. F. (2006). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales.
México D.F: McGrawHill.
I. B., M. L., A. D., & N. M. (2004). Stability of native starch quality parameters,. Journal
of the Science of Food and Agriculture.
K. J., L. J., & F. K. (2014). Manufacture and TPS/PE biocomposites properties.
ScienceDirect.
L. E., S. A., C. A., & M. A. (2013). Anti-plasticization of cassava starch by complexing
fatty acids. Carbohydrate Polimers.
L. J., L. X., L. X., & Z. Y. (2013). Comparative study on the blends of PBS/thermoplastic
starch prepared from waxy and normal corn starches. Starch/Stärke.
M. C., C. R., G. J., & d. J. (1980). Formation of Amylose-Lipid Complexes by Twin-Screw
Extrusion Cooking of Manioc Starch. American Assosiation of Cereal Chemists.
59
M. J., & J. D. (1995). Fractionation of Regular Corn Starch: A Comparison of Aqueous
Leaching and Aqueous Dispersion Methods. American Assosiation of Cereal
Chemists.
N. A., M. M., S. M., & A. A. (2012). Thermoplastic starches: Properties, challenges, and
prospects. Starch/Stärke.
R. K., J. W., S. B., T. H., & Y. -C. (2014). Development of a 96-well plate iodine binding
assay for amylose. Carbohydrate Polymers.
Rodriguez Claros, M. A. (2012). Efectos de la modificación de almidón de yuca y su
mezcla con poli(ácido láctico) (PLA) sobre su biodegradación. Bogotá:
Universidad de los Andes.
T. Z., D. J., R. W., & B. G. (2008). Comparison of Amylose Determination Methods and
the Development of a Dual Wavelenght Iodine Binding Technique.
DigitalCommons@University of Nebraska - Lincoln.
V. H., A. H., & V. R. (2008). Investigación de Almidones Termoplásticos, Precursores de
Productos Biodegradables. Información Tecnológica.
v. J., & E. P. (1997). Influence of Amylose-Amylopectin Ratio on Properties of Extrudes
Starch Plastic Sheets. Journal of Macromolecular Science.
Wikipedia. (10 de 04 de 2016). Biodegradabilidad. Obtenido de Wikipedia:
https://es.wikipedia.org/wiki/Biodegradabilidad#cite_note-1
Wikipedia. (12 de 04 de 2016). Stärke. Obtenido de Wikipedia:
https://de.wikipedia.org/wiki/St%C3%A4rke#cite_ref-8
60
Anexos
Anexo 1 Fotos del proceso de extracción del almidón
Foto 1 Pelado y partición de la yuca
Foto 2 Filtrado
61
Foto 3 Decantación
Foto 4 Producto de la decantación (Almidón)
Foto 5 Secado al sol de las tres variedades de almidón
62
Anexo 2 Fotos del proceso de separación de amilosa y amilopectina
Foto 6 Solución acuosa de 4% w/v de almidón en agua, después de disolverse con temperatura y mezclado.
Foto 7 Precipitado de la primera centrifugación (el que se usa en la separación de la amilopectina)
Foto 8 Mezcla butanol-Supernatante
63
Foto 9 Suspensión primer precipitado en agua
Foto 10 Resultado final (Amilopectina los cuatro tubos cercanos, Amilosa los cuatro tubos lejanos)
64
Anexo 3 Fotos del proceso de pruebas de espectrofotometría UV
Foto 11 Agua deionizada y solvente con yodo
Foto 12 Estándares de amilosa y amilopectina puros
65
Foto 13 Muestras de las tres variedades de almidón de yuca
Foto 14 Las diferentes muestras y estándares de 200 uL a las que ya se les agregó el solvente con yodo
Foto 15 Las diferentes muestras y estándares finales, es decir, 20 uL de cada uno con 180 uL de agua deionizada
66
Anexo 4 Fotos del proceso de plastificación y pruebas de tensión
Foto 16 Almidón después del primer secado (y glicerina al lado)
Foto 17 Mezclado del almidón y la glicerina
Foto 18 Los tres almidónes modifiecados después del segundo secado (desde izq. Tierra Mona, Playera y Tierra Negra)
67
Foto 19 Extrusión en cuatro hilos del almidón
Foto 20 Resultado de la extrusión de las tres variedades
68
Foto 21 Almidón en el molde antes del prensado
Foto 22 Probetas obtenidas después del moldeo
69
Foto 23 Prueba de tensión
Foto 24 Probetas después de la prueba de tensión
70
Anexo 5 Resultados pruebas de tensión
Gráfica 8 Prueba de Tensión Playera (0 días)
Gráfica 9 Prueba de Tensión Playera (20 días)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Esfu
erzo
(M
Pa)
Deformación (mm/mm)
Playera (0 días)
1
2
3
4
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Esfu
erzo
(M
Pa)
Deformación (mm/mm)
Playera (día 20)
1
2
71
Gráfica 10 Prueba de Tensión Tierra Mona (0 días)
Gráfica 11 Prueba de Tensión Tierra Mona (20 días)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Títu
lo d
el e
je
Título del eje
Tierra Mona (0 días)
1
2
3
4
5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Esfu
erzo
(M
Pa)
Deformación (mm/mm)
Tierra Mona (20 días)
1
2
72
Gráfica 12 Prueba de Tensión Tierra Negra (0 días)
Gráfica 13 Prueba de Tensión Tierra Negra (20 días)
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Títu
lo d
el e
je
Título del eje
Tierra Negra (0 días)
1
2
3
4
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Esfu
erzo
(M
Pa)
Deformación (mm/mm)
Tierra Negra (20 días)
1
2
