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Obtenci�n de biopl�stico a partir de la penca de pitahaya (Selenicereus undatus) con almid�n de papa (Solanum tuberosum) y extracto de or�gano (Origanum vulgare) para su posterior evaluaci�n de propiedades f�sico-mec�nicas y microbiol�gicas

 

Obtaining bioplastic from the pitahaya leaf (Selenicereus undatus) with potato starch (Solanum tuberosum) and oregano extract (Origanum vulgare) for subsequent evaluation of physical-mechanical and microbiological properties

 

Obten��o de biopl�stico da folha de pitaiai�s (Selenicereus undatus) com amido de batata (Solanum tuberosum) e extrato de or�g�os (Origanum vulgare) para posterior avalia��o das propriedades f�sico-mec�nicas e microbiol�gicas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: paola.arcos@espoch.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 16 de enero de 2025 *Aceptado: 25 de febrero de 2025 * Publicado: �24 de marzo de 2025

 

        I.            Sede Morona Santiago, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Don Bosco y Juan F�lix Pintado, Macas 140101, Universidad Estatal de Milagro (estudiante), Ecuador.

      II.            Universidad Estatal de Milagro, Ecuador.

Resumen

La intensificaci�n en la producci�n y uso de pl�stico en las �ltimas d�cadas ha generado impactos ambientales producidos por una inadecuada gesti�n de los desechos de producci�n y uso de estos materiales, generando una amenaza tanto para los sistemas acu�ticos y terrestres como a la salud humana. Por lo tanto, el objetivo de esta investigaci�n comprobar la factibilidad del uso del muc�lago de penca de pitahaya Selenicereus undatus para la elaboraci�n de biopl�stico con almid�n de papa Solanum tuberosum como aditivo. Se emplearon procesos ya establecidos para la producci�n de biopl�sticos con muc�lagos de especies similares de cactus (Opundia ficus-indica) y nopal (Opuntia tomentosa), obteniendo un porcentaje de rendimiento del muc�lago de 52,46%, posteriormente se realiz� el biopl�stico con un dise�o experimental al azar con cuatro tratamientos de tres repeticiones cada uno, a�adiendo aditivos a la formulaci�n inicial para mejorar las propiedades de las pel�culas como extracto de or�gano y se procedi� a caracterizar las propiedades f�sico-mec�nicas de las pel�culas de biopl�stico, dando como resultado que el tratamiento T₂ (100% muc�lago, 2,5% almid�n, 1% extracto de or�gano, 3% grenetina, 10% vinagre y 5% glicerina) brinda mejores caracter�sticas en cuanto a resistencia a la ruptura y elongaci�n, espesor y humedad, adem�s present� inhibici�n a la bacteria Escherichia coli, produciendo un halo de inhibici�n de 1mm. Concluyendo que la formulaci�n T₂ presenta caracter�sticas id�neas para la elaboraci�n de biopl�stico, alcanzando resultados dentro de los l�mites establecidos como �ptimos.

Palabras clave: Biopl�stico; almid�n; pitahaya; or�gano; bacterias; calidad.

 

Abstract

The intensification of plastic production and use in recent decades has generated environmental impacts caused by inadequate waste management resulting from the production and use of these materials, posing a threat to both aquatic and terrestrial systems, as well as human health. Therefore, the objective of this research is to test the feasibility of using mucilage from the pitahaya (Selenicereus undatus) leaf to produce bioplastics using Solanum tuberosum potato starch as an additive. Established processes were used for the production of bioplastics with mucilages from similar species of cactus (Opundia ficus-indica) and nopal (Opuntia tomentosa), obtaining a mucilage yield percentage of 52.46%, subsequently the bioplastic was made with a random experimental design with four treatments of three repetitions each, adding additives to the initial formulation to improve the properties of the films such as oregano extract and proceeded to characterize the physical-mechanical properties of the bioplastic films, resulting in treatment T2 (100% mucilage, 2.5% starch, 1% oregano extract, 3% gelatin, 10% vinegar and 5% glycerin) providing better characteristics in terms of resistance to rupture and elongation, thickness and humidity, in addition it presented inhibition to the bacteria Escherichia coli, producing an inhibition halo of 1mm. They concluded that formulation T2 presents ideal characteristics for bioplastic production, achieving results within the established optimal limits.

Keywords: Bioplastic; starch; pitahaya; oregano; bacteria; quality.

 

Resumo

A intensifica��o da produ��o e utiliza��o do pl�stico nas �ltimas d�cadas tem gerado impactos ambientais causados ​​pela gest�o inadequada dos res�duos provenientes da produ��o e utiliza��o destes materiais, representando uma amea�a tanto para os sistemas aqu�ticos e terrestres, como para a sa�de humana. Assim sendo, o objetivo desta investiga��o � verificar a viabilidade da utiliza��o da mucilagem da folha de pitaiai�s Selenicereus undatus para a produ��o de biopl�stico com amido de batata Solanum tuberosum como aditivo. Foram utilizados processos consagrados para a produ��o de biopl�sticos com mucilagens de esp�cies similares de cato (Opundia ficus-indica) e nopal (Opuntia tomentosa), obtendo-se uma percentagem de rendimento de mucilagem de 52,46%, posteriormente o biopl�stico foi confeccionado com um delineamento experimental casualizado com quatro tratamentos de tr�s repeti��es cada, adicionando aditivos � formula��o inicial para melhorar as propriedades dos filmes como extrato de or�g�os e procedeu-se � caracteriza��o das propriedades f�sico-mec�nicas dos filmes s, resultando no tratamento T2 (100% mucilagem, 2,5% amido, 1% extrato de or�g�os, 3% gelatina, 10% vinagre e 5% glicerina) proporcionando melhores caracter�sticas em termos de resist�ncia � rutura e alongamento, espessura e humidade, al�m disso apresentou inibi��o � bact�ria Escherichia coli, produzindo um halo de inibi��o de 1mm. Concluindo que a formula��o T2 apresenta caracter�sticas ideais para a produ��o de biopl�stico, alcan�ando resultados dentro dos limites estabelecidos como �timos.

Palavras-chave: Biopl�stico; amido; pitaiai�s; or�g�os; bact�rias; qualidade.

 

 

 

Introducci�n

El presente estudio tiene como objetivo principal abordar la �Obtenci�n de biopl�stico a partir de la penca de pitahaya (Selenicereus undatus) con almid�n de papa (Solanum tuberosum) y extracto de or�gano (Origanum vulgare) para su posterior evaluaci�n de propiedades f�sico-mec�nicas y microbiol�gicas�, un tema considerado de relevancia en el campo de la biotecnolog�a y revalorizaci�n. La importancia de este estudio radica en la utilizaci�n de los residuos de pitahaya (penca) para la elaboraci�n de un material biodegradable y de calidad para evitar el consumo de pl�stico, esto con el prop�sito de contribuir al conocimiento existente en el �rea y ofrecer ideas clave que puedan tener aplicaciones pr�cticas.

Actualmente en el campo la biotecnolog�a y revalorizaci�n, se ha observado un creciente inter�s y la necesidad de profundizar en la utilizaci�n de residuos para la obtenci�n de nuevos productos promoviendo la sostenibilidad y evitando el uso de pl�sticos convencionales; este contexto motiv� la realizaci�n de esta investigaci�n. La comprensi�n detallada de la obtenci�n de biopl�stico a partir de residuos se vuelve esencial para la caracterizaci�n las propiedades fisicoqu�micas del muc�lago de la penca de la pitahaya, as� como tambi�n la evaluaci�n de la metodolog�a adecuada para la obtenci�n de pel�culas biopl�sticas y la valoraci�n de las caracter�sticas f�sico-mec�nicas de las pel�culas biopl�sticas obtenidas.

Para alcanzar los objetivos propuestos, se llevar� a cabo una metodolog�a descrita por Tien (2023) y modificada hasta obtener los resultados deseados, mismos que ser�n evaluados seg�n la normativa INEN. La elecci�n de esta metodolog�a se justifica debido a que la metodolog�a esta estandarizada.

La presente investigaci�n se organiz� en cinco cap�tulos, mismos que abordan aspectos espec�ficos de la investigaci�n. A continuaci�n, se presenta una breve descripci�n de la estructura:

En el desarrollo de la investigaci�n se especifica el problema de la investigaci�n apoy�ndose de datos bibliogr�ficos, explora los objetivos, as� como tambi�n el alcance de la investigaci�n.; plantea la hip�tesis, justificaci�n y la importancia de la investigaci�n actualmente, luego se presenta el marco te�rico referencial, el cual proporciona las teor�as fundamentales y conceptos relacionados con la �Obtenci�n de biopl�stico a partir de la penca de Pitahaya (Selenicereus undatus) con almid�n de papa (Solanum tuberosum) como aditivo�, proporcionando un marco conceptual para la investigaci�n; se enfoca en las bases necesarias para la elaboraci�n del biopl�stico.

Se enfoca en la metodolog�a utilizada para llevar a cabo la investigaci�n, presentando los m�todos, materiales y dise�o experimental, se presenta tambi�n las variables y su interacci�n entre s�. Adem�s, detalla el procesamiento estad�stico de los datos obtenidos.

Los resultados obtenidos a partir de la investigaci�n en sus etapas con an�lisis detallado e interpretaci�n de estos, se formulan discusiones con base en la bibliograf�a existente respecto a biopl�sticos.

Se exponen los resultados de manera concisa, se sintetizan las conclusiones originadas de la investigaci�n y se brindan recomendaciones para futuros estudios o aplicaciones pr�cticas a partir de los datos obtenidos.

Esta investigaci�n busca generar impactos perceptibles en la biotecnolog�a por medio de la elaboraci�n del biopl�stico a partir de residuos de penca de pitahaya con el uso de aditivos como el almid�n de papa. El estudio en la problematizaci�n y el an�lisis detallado de los resultados se abordar�n en cap�tulos posteriores.

 

Metodolog�a

Tipo y dise�o de investigaci�n

La presente investigaci�n se considera es de tipo cuantitativo debido a que se analiza y determina las proporciones de cada elemento y muestra rasgos de confiabilidad, validez y muestreo; en cuanto a la confiabilidad se permiten resultados seguros por los m�todos utilizados para la medici�n de caracter�sticas f�sico-mec�nicas de la pel�cula de biopl�stico que est�n estandarizados, mismos que se validan mediante m�todos estad�sticos.

Esta investigaci�n alcanza un nivel exploratorio, descriptivo y explicativo, esto ya que en principio se realiz� una exploraci�n para poder recopilar los datos suficientes que permiten relacionar las variables para luego poder describir y explicar los fen�menos sucedidos en la formaci�n de la pel�cula de biopl�stico.

El dise�o de la investigaci�n es experimental completamente al azar con 4 repeticiones, siendo en total cuatro tratamientos con cuatro repeticiones cada una con dos variables independientes que son el muc�lago de la penca de la pitahaya y el almid�n de papa.

 

 

 

La poblaci�n y la muestra

Las muestras de penca de pitahaya fueron obtenidas del cant�n Palora, Morona Santiago en �poca de fin de cosecha, los estudios fisicoqu�micos del muc�lago y la elaboraci�n de biopl�stico se realizaron en Macas, Morona Santiago.

Caracter�sticas de la poblaci�n

Las muestras de penca de pitahaya seleccionadas fueron de cultivos mayores a 12 meses, estas fueron obtenidas despu�s de la cosecha para conservar el muc�lago fresco, logrando que la muestra mantenga una viscosidad alta, es importante verificar que las muestras obtenidas no contentan impurezas o plagas que puedan llegar a contaminar el muc�lago al momento de la extracci�n, adem�s que establecer una l�nea base con toda la informaci�n de la plantaci�n de la pitahaya.

Delimitaci�n de la poblaci�n

La poblaci�n de estudio correspondi� a las pencas de pitahaya de un cultivo ubicado en el cant�n Palora de la provincia de Morona Santiago, se consider� par�metros como edad de la planta, tiempo de cosecha y caracter�sticas visibles �ptimas, en un terreno de 10 hect�reas aproximadamente, realizando un muestreo aleatorio simple para obtener muestras homog�neas.

Tipo de muestra

Las muestras son probabil�sticas ya que cada elemento tiene la misma probabilidad de ser seleccionado, lo que reduce el riesgo de sesgos y garantiza que todos los subgrupos tengan una oportunidad equitativa de estar representados en la muestra.

Tama�o de la muestra

Se tomaron 20 muestras de pitahaya de un mismo cuadrante con caracter�sticas similares (tama�o, peso y forma) de las cuales 4 se utilizaron para la extracci�n de muc�lago.

Proceso de selecci�n de la muestra

Las muestras evaluadas en la presente investigaci�n dependieron del n�mero de pencas extra�das en la etapa de recolecci�n, los tallos obtenidos miden 60 cm de largo, 4 cm de espesor y 5 cm de ancho, y pesan alrededor de 350 gramos cada uno.

 

M�todos y las t�cnicas

Extracci�n del muc�lago de penca de pitahaya

Se seleccionaron pencas de pitahaya en condiciones apropiadas previamente mencionadas, se aplicaron procedimientos espec�ficos para la extracci�n del muc�lago de pitahaya como son la desinfecci�n, troceado, homogenizado, filtrado y centrifugado lo cual permiti� obtener mejores resultados en cuanto a cantidad y calidad de muc�lago.

Formulaciones para la elaboraci�n de biopl�stico

En la Tabla 9. se muestra la formulaci�n utilizada para la presente investigaci�n, en la que se observa las que los porcentajes de muc�lago de penca de pitahaya, almid�n de papa, extracto de or�gano utilizadas variaron para los cuatro tratamientos mientras que permanecieron constantes los porcentajes de grenetina, vinagre y glicerina, el agua destilada solo fue utilizada en el tratamiento 4 (testigo).

 

Tabla 1: Formulaciones para la elaboraci�n de biopl�stico a partir de muc�lago de penca de pitahaya

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Procesamiento estad�stico de la informaci�n

En esta investigaci�n, al ser de enfoque experimental involucrando observaciones y medici�n de variables dependientes, permite la obtenci�n de datos de inter�s para las distintas formulaciones aplicada; con el fin de validar los resultados se realizaron 4 repeticiones y controles continuos.

Se utilizaron m�todos estad�sticos para asegurar una buena interpretaci�n de los datos obtenidos mediante el software IBM SPSS con un an�lisis de varianza ANOVA que permite determinar si al menos un grupo difiere significativamente de los dem�s en t�rminos de sus medias en los tratamientos aplicados; y la prueba de Tukey se aplica para identificar y caracterizar las diferencias espec�ficas entre pares de grupos.

 

An�lisis y discusi�n de los resultados

An�lisis de la caracterizaci�n fisicoqu�mica del muc�lago de penca de pitahaya

pH

En la tabla 2 se puede observar que los valores de pH para el muc�lago de la penca de la pitahaya en el valor promedio de 6.61 y, siendo rangos que se acercan a la neutralidad y que difieren en comparaci�n con los datos obtenidos por Garc�a (2011) en los que indica que los valores de pH del muc�lago de nopal se encuentran en el rango de 4.64 a 5.7 consider�ndose �cidos; pero Rodr�guez-Gonz�lez et al. ( 2020) establece que el pH de la misma especie es de 4,45 en promedio, esto puede deberse a varios factores como la edad de la planta, la �poca de cosecha, etc.

 

Tabla 2: Determinaci�n de pH

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Porcentaje de Humedad

En la tabla 12 se observa el porcentaje de humedad obtenido en el mucilago de la penca de la pitahaya de 92.71% consider�ndose valores altos, esto coincide con los datos obtenidos por Garc�a (2011) en su investigaci�n del nopal, esto se debe principalmente porque pertenecen a la familia de las Cactaceae que tienen un reservorio de agua en su tallo o penca. Seg�n datos recopilados por Sotomayor et al. (2019), indican que el valor de humedad se encuentra en un rango entre el 70 y 80%.

 

Tabla 3: Contenido de humedad

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Contenido de ceniza

En cuanto al contenido de ceniza en el mucilago de la penca de la pitahaya se puede apreciar en la tabla 4 con un promedio de 1.2% por lo que no posee gran cantidad de materia org�nica, acerc�ndose al valor obtenido por Pazmi�o (2021) con un valor de 1.56% para el muc�lago de cactus (Opundia ficus-indica). Se contrasta con un estudio realizado por Vargas Mamani et al, (2019) en cactus, en el que en su investigaci�n obtuvo un porcentaje de ceniza de 10.55%

 

Tabla 4: Contenido de ceniza

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Determinaci�n de grasa

En la tabla 5 se observa que el promedio para la determinaci�n de la grasa en el mucilago de la penca de la pitahaya es de 0.72%, se obtiene valores similares en comparaci�n a la investigaci�n realizada por Garc�a (2011) que indica un promedio de 0,30% de contenido de grasa en tallos maduros de nopal. Por otro lado Pazmi�o (2021) indica que en el muc�lago de cactus existi� un contenido de grasa de 0,023%.

 

 

 

Tabla 5: Determinaci�n de grasa

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Determinaci�n del porcentaje de fibra

En cuanto a la fibra obtenida del muc�lago de penca de pitahaya se puede observar en la tabla 6, que el promedio fue de 6.29%. En la investigaci�n realizada por� Rodr�guez-Gonz�lez et al. (2020) indican que el nopal de cerro tiene un contenido de fibra de 5% y 4,7% para nopal de invernadero por lo que estos valores se asemejan a los obtenidos en esta investigaci�n.

 

Tabla 6: Determinaci�n de fibra

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Determinaci�n s�lidos totales

El porcentaje promedio de s�lidos solubles del muc�lago de penca de pitahaya obtenido es de 7.29% como se puede observar en la tabla 7, un valor menor al obtenido por Bosquez (2020), en el que indica que para la pitahaya el porcentaje de s�lidos totales es de 16.5%, esto se debe a que las caracter�sticas del tallo y de la fruta son diferentes; otro estudio realizado por Garc�a (2011) para la especie de nopal muestra valores similares a los obtenidos con un promedio de 6.48%.

 

Tabla 7: Determinaci�n de s�lidos solubles

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Rendimiento

El rendimiento en la extracci�n de muc�lago de� 4 pencas de pitahaya fue de 52,46% como se puede observar en la tabla 8, este valor es mayor al obtenido por Pazmi�o (2021) que en su investigaci�n se establece que llego a un porcentaje de� 38.40, mostrando que la penca de pitahaya posee mayor cantidad de muc�lago que en el nopal; En otras investigaciones se reporta un rendimiento del 17% para s�bila, pero menciona que el factor limitante fue la edad de la hoja de dicha planta por lo que el rendimiento pudo ser mayor seg�n Moreno Bustillos et al. (2017).

 

Tabla 8: Rendimiento

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Determinaci�n de prote�nas

En la tabla 9 se puede observar que el promedio de las prote�nas del muc�lago de penca de pitahaya es de 11.84% consider�ndose 10 veces mayor al resultado obtenido por Vargas Mamani et al. (2019), en su investigaci�n con un valor de 1.8% para nopal, esto se puede deber a la edad de la penca y adem�s se especifica en la investigaci�n que el valor obtenido fue bajo. Para Rodr�guez-Gonz�lez et al. (2020) estableci� el contenido de prote�nas en su investigaci�n de 12.59% para nopal de cerro y 9.90% para nopal de invernadero, por lo que estos valores se asemejan a los obtenidos en la presente investigaci�n.

Tabla 9: Determinaci�n de prote�nas

Elaborado por: Cerda, A. & Arcos, J. 2024

 

Conclusiones

Se logr� obtener pel�culas de biopl�stico utilizando formulaciones con el muc�lago de la penca de pitahaya (Selenicereus undatus) con un rendimiento de extracci�n de 52,46% y almid�n de papa (Solanum tuberosum) como aditivo, en diferentes formulaciones con extracto de or�gano (1%), glicerina (5%), vinagre (10%) y grenetina (3%) con valores fijos para lograr una estabilidad de la estructura.

Se caracteriz� las propiedades fisicoqu�micas del muc�lago de penca de pitahaya (Selenicereus undatus), con valores de pH (6.61), humedad (92,71%), contenido de ceniza (1,20%), determinaci�n de grasa (0,72%), s�lidos solubles (7,29%) y determinaci�n de fibra (6,29%), prote�na (11.4%), y determinaci�n de az�cares (0%) estableciendo valores �ptimos para el desarrollo de biopel�culas.

Seg�n el an�lisis estad�stico de los datos obtenidos del an�lisis f�sicos-mec�nicos de las biopel�culas formadas, se puede establecer que los tratamientos (T₁) y (T₂) dieron mejores resultados comparados con los tratamientos (T₃) y (T₄), sin embargo, el (T₂) presento mejores caracter�sticas de color, sensibilidad al tacto, mayor resistencia a la ruptura (3,17 Pa), elongaci�n (7,57 mm) y fuerza (2,08 N).

Se analiz� la actividad antimicrobiana de los cuatro tratamientos aplicado despu�s de la siembre de la bacteria y colocadas en la incubadora a 35�C por 24 horas estableciendo que el (T₁) present� inhibici�n al crecimiento de la E. coli en comparaci�n a los tratamientos (T₂), (T₃) y (T₄) que existi� proliferaci�n de la bacteria descartando la viabilidad de utilizar las formulaciones de los tratamientos para el uso en la industria del empaquetado ya que no existir�a una garant�a en la seguridad alimentaria.

 

 

 

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