Obtención de bioplástico a partir de la penca de pitahaya (Selenicereus undatus) con almidón de papa (Solanum tuberosum) y extracto de orégano (Origanum vulgare) para su posterior evaluación de propiedades físico-mecánicas y microbiológicas

 

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

 

Obtenção de bioplástico da folha de pitaiaiás (Selenicereus undatus) com amido de batata (Solanum tuberosum) e extrato de orégãos (Origanum vulgare) para posterior avaliação das propriedades físico-mecânicas e microbiológicas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: paola.arcos@espoch.edu.ec

 

Ciencias Técnicas y Aplicadas

Artículo de Investigación

 

 

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

 

        I.            Sede Morona Santiago, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Don Bosco y Juan Félix Pintado, Macas 140101, Universidad Estatal de Milagro (estudiante), Ecuador.

      II.            Universidad Estatal de Milagro, Ecuador.

Resumen

La intensificación en la producción y uso de plástico en las últimas décadas ha generado impactos ambientales producidos por una inadecuada gestión de los desechos de producción y uso de estos materiales, generando una amenaza tanto para los sistemas acuáticos y terrestres como a la salud humana. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación comprobar la factibilidad del uso del mucílago de penca de pitahaya Selenicereus undatus para la elaboración de bioplástico con almidón de papa Solanum tuberosum como aditivo. Se emplearon procesos ya establecidos para la producción de bioplásticos con mucílagos de especies similares de cactus (Opundia ficus-indica) y nopal (Opuntia tomentosa), obteniendo un porcentaje de rendimiento del mucílago de 52,46%, posteriormente se realizó el bioplástico con un diseño experimental al azar con cuatro tratamientos de tres repeticiones cada uno, añadiendo aditivos a la formulación inicial para mejorar las propiedades de las películas como extracto de orégano y se procedió a caracterizar las propiedades físico-mecánicas de las películas de bioplástico, dando como resultado que el tratamiento T₂ (100% mucílago, 2,5% almidón, 1% extracto de orégano, 3% grenetina, 10% vinagre y 5% glicerina) brinda mejores características en cuanto a resistencia a la ruptura y elongación, espesor y humedad, además presentó inhibición a la bacteria Escherichia coli, produciendo un halo de inhibición de 1mm. Concluyendo que la formulación T₂ presenta características idóneas para la elaboración de bioplástico, alcanzando resultados dentro de los límites establecidos como óptimos.

Palabras clave: Bioplástico; almidón; pitahaya; orégano; 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 intensificação da produção e utilização do plástico nas últimas décadas tem gerado impactos ambientais causados ​​pela gestão inadequada dos resíduos provenientes da produção e utilização destes materiais, representando uma ameaça tanto para os sistemas aquáticos e terrestres, como para a saúde humana. Assim sendo, o objetivo desta investigação é verificar a viabilidade da utilização da mucilagem da folha de pitaiaiás Selenicereus undatus para a produção de bioplástico com amido de batata Solanum tuberosum como aditivo. Foram utilizados processos consagrados para a produção de bioplásticos com mucilagens de espécies similares de cato (Opundia ficus-indica) e nopal (Opuntia tomentosa), obtendo-se uma percentagem de rendimento de mucilagem de 52,46%, posteriormente o bioplástico foi confeccionado com um delineamento experimental casualizado com quatro tratamentos de três repetições cada, adicionando aditivos à formulação inicial para melhorar as propriedades dos filmes como extrato de orégãos e procedeu-se à caracterização das propriedades físico-mecânicas dos filmes s, resultando no tratamento T2 (100% mucilagem, 2,5% amido, 1% extrato de orégãos, 3% gelatina, 10% vinagre e 5% glicerina) proporcionando melhores características em termos de resistência à rutura e alongamento, espessura e humidade, além disso apresentou inibição à bactéria Escherichia coli, produzindo um halo de inibição de 1mm. Concluindo que a formulação T2 apresenta características ideais para a produção de bioplástico, alcançando resultados dentro dos limites estabelecidos como ótimos.

Palavras-chave: Bioplástico; amido; pitaiaiás; orégãos; bactérias; qualidade.

 

 

 

Introducción

El presente estudio tiene como objetivo principal abordar la “Obtención de bioplástico a partir de la penca de pitahaya (Selenicereus undatus) con almidón de papa (Solanum tuberosum) y extracto de orégano (Origanum vulgare) para su posterior evaluación de propiedades físico-mecánicas y microbiológicas”, un tema considerado de relevancia en el campo de la biotecnología y revalorización. La importancia de este estudio radica en la utilización de los residuos de pitahaya (penca) para la elaboración de un material biodegradable y de calidad para evitar el consumo de plástico, esto con el propósito de contribuir al conocimiento existente en el área y ofrecer ideas clave que puedan tener aplicaciones prácticas.

Actualmente en el campo la biotecnología y revalorización, se ha observado un creciente interés y la necesidad de profundizar en la utilización de residuos para la obtención de nuevos productos promoviendo la sostenibilidad y evitando el uso de plásticos convencionales; este contexto motivó la realización de esta investigación. La comprensión detallada de la obtención de bioplástico a partir de residuos se vuelve esencial para la caracterización las propiedades fisicoquímicas del mucílago de la penca de la pitahaya, así como también la evaluación de la metodología adecuada para la obtención de películas bioplásticas y la valoración de las características físico-mecánicas de las películas bioplásticas obtenidas.

Para alcanzar los objetivos propuestos, se llevará a cabo una metodología descrita por Tien (2023) y modificada hasta obtener los resultados deseados, mismos que serán evaluados según la normativa INEN. La elección de esta metodología se justifica debido a que la metodología esta estandarizada.

La presente investigación se organizó en cinco capítulos, mismos que abordan aspectos específicos de la investigación. A continuación, se presenta una breve descripción de la estructura:

En el desarrollo de la investigación se especifica el problema de la investigación apoyándose de datos bibliográficos, explora los objetivos, así como también el alcance de la investigación.; plantea la hipótesis, justificación y la importancia de la investigación actualmente, luego se presenta el marco teórico referencial, el cual proporciona las teorías fundamentales y conceptos relacionados con la “Obtención de bioplástico a partir de la penca de Pitahaya (Selenicereus undatus) con almidón de papa (Solanum tuberosum) como aditivo”, proporcionando un marco conceptual para la investigación; se enfoca en las bases necesarias para la elaboración del bioplástico.

Se enfoca en la metodología utilizada para llevar a cabo la investigación, presentando los métodos, materiales y diseño experimental, se presenta también las variables y su interacción entre sí. Además, detalla el procesamiento estadístico de los datos obtenidos.

Los resultados obtenidos a partir de la investigación en sus etapas con análisis detallado e interpretación de estos, se formulan discusiones con base en la bibliografía existente respecto a bioplásticos.

Se exponen los resultados de manera concisa, se sintetizan las conclusiones originadas de la investigación y se brindan recomendaciones para futuros estudios o aplicaciones prácticas a partir de los datos obtenidos.

Esta investigación busca generar impactos perceptibles en la biotecnología por medio de la elaboración del bioplástico a partir de residuos de penca de pitahaya con el uso de aditivos como el almidón de papa. El estudio en la problematización y el análisis detallado de los resultados se abordarán en capítulos posteriores.

 

Metodología

Tipo y diseño de investigación

La presente investigación 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 métodos utilizados para la medición de características físico-mecánicas de la película de bioplástico que están estandarizados, mismos que se validan mediante métodos estadísticos.

Esta investigación alcanza un nivel exploratorio, descriptivo y explicativo, esto ya que en principio se realizó una exploración para poder recopilar los datos suficientes que permiten relacionar las variables para luego poder describir y explicar los fenómenos sucedidos en la formación de la película de bioplástico.

El diseño de la investigación 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 mucílago de la penca de la pitahaya y el almidón de papa.

 

 

 

La población y la muestra

Las muestras de penca de pitahaya fueron obtenidas del cantón Palora, Morona Santiago en época de fin de cosecha, los estudios fisicoquímicos del mucílago y la elaboración de bioplástico se realizaron en Macas, Morona Santiago.

Características de la población

Las muestras de penca de pitahaya seleccionadas fueron de cultivos mayores a 12 meses, estas fueron obtenidas después de la cosecha para conservar el mucílago 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 mucílago al momento de la extracción, además que establecer una línea base con toda la información de la plantación de la pitahaya.

Delimitación de la población

La población de estudio correspondió a las pencas de pitahaya de un cultivo ubicado en el cantón Palora de la provincia de Morona Santiago, se consideró parámetros como edad de la planta, tiempo de cosecha y características visibles óptimas, en un terreno de 10 hectáreas aproximadamente, realizando un muestreo aleatorio simple para obtener muestras homogéneas.

Tipo de muestra

Las muestras son probabilísticas 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.

Tamaño de la muestra

Se tomaron 20 muestras de pitahaya de un mismo cuadrante con características similares (tamaño, peso y forma) de las cuales 4 se utilizaron para la extracción de mucílago.

Proceso de selección de la muestra

Las muestras evaluadas en la presente investigación dependieron del número de pencas extraídas en la etapa de recolección, 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.

 

Métodos y las técnicas

Extracción del mucílago de penca de pitahaya

Se seleccionaron pencas de pitahaya en condiciones apropiadas previamente mencionadas, se aplicaron procedimientos específicos para la extracción del mucílago de pitahaya como son la desinfección, troceado, homogenizado, filtrado y centrifugado lo cual permitió obtener mejores resultados en cuanto a cantidad y calidad de mucílago.

Formulaciones para la elaboración de bioplástico

En la Tabla 9. se muestra la formulación utilizada para la presente investigación, en la que se observa las que los porcentajes de mucílago de penca de pitahaya, almidón de papa, extracto de orégano 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 elaboración de bioplástico a partir de mucílago de penca de pitahaya

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

 

Procesamiento estadístico de la información

En esta investigación, al ser de enfoque experimental involucrando observaciones y medición de variables dependientes, permite la obtención de datos de interés para las distintas formulaciones aplicada; con el fin de validar los resultados se realizaron 4 repeticiones y controles continuos.

Se utilizaron métodos estadísticos para asegurar una buena interpretación de los datos obtenidos mediante el software IBM SPSS con un análisis de varianza ANOVA que permite determinar si al menos un grupo difiere significativamente de los demás en términos de sus medias en los tratamientos aplicados; y la prueba de Tukey se aplica para identificar y caracterizar las diferencias específicas entre pares de grupos.

 

Análisis y discusión de los resultados

Análisis de la caracterización fisicoquímica del mucílago de penca de pitahaya

pH

En la tabla 2 se puede observar que los valores de pH para el mucílago 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 comparación con los datos obtenidos por García (2011) en los que indica que los valores de pH del mucílago de nopal se encuentran en el rango de 4.64 a 5.7 considerándose ácidos; pero Rodríguez-González 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 época de cosecha, etc.

 

Tabla 2: Determinación 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% considerándose valores altos, esto coincide con los datos obtenidos por García (2011) en su investigación 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. Según 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 orgánica, acercándose al valor obtenido por Pazmiño (2021) con un valor de 1.56% para el mucílago de cactus (Opundia ficus-indica). Se contrasta con un estudio realizado por Vargas Mamani et al, (2019) en cactus, en el que en su investigación obtuvo un porcentaje de ceniza de 10.55%

 

Tabla 4: Contenido de ceniza

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

 

Determinación de grasa

En la tabla 5 se observa que el promedio para la determinación de la grasa en el mucilago de la penca de la pitahaya es de 0.72%, se obtiene valores similares en comparación a la investigación realizada por García (2011) que indica un promedio de 0,30% de contenido de grasa en tallos maduros de nopal. Por otro lado Pazmiño (2021) indica que en el mucílago de cactus existió un contenido de grasa de 0,023%.

 

 

 

Tabla 5: Determinación de grasa

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

 

Determinación del porcentaje de fibra

En cuanto a la fibra obtenida del mucílago de penca de pitahaya se puede observar en la tabla 6, que el promedio fue de 6.29%. En la investigación realizada por  Rodríguez-González 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 investigación.

 

Tabla 6: Determinación de fibra

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

 

Determinación sólidos totales

El porcentaje promedio de sólidos solubles del mucílago 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 sólidos totales es de 16.5%, esto se debe a que las características del tallo y de la fruta son diferentes; otro estudio realizado por García (2011) para la especie de nopal muestra valores similares a los obtenidos con un promedio de 6.48%.

 

Tabla 7: Determinación de sólidos solubles

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

 

Rendimiento

El rendimiento en la extracción de mucílago de  4 pencas de pitahaya fue de 52,46% como se puede observar en la tabla 8, este valor es mayor al obtenido por Pazmiño (2021) que en su investigación se establece que llego a un porcentaje de  38.40, mostrando que la penca de pitahaya posee mayor cantidad de mucílago que en el nopal; En otras investigaciones se reporta un rendimiento del 17% para sábila, pero menciona que el factor limitante fue la edad de la hoja de dicha planta por lo que el rendimiento pudo ser mayor según Moreno Bustillos et al. (2017).

 

Tabla 8: Rendimiento

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

 

Determinación de proteínas

En la tabla 9 se puede observar que el promedio de las proteínas del mucílago de penca de pitahaya es de 11.84% considerándose 10 veces mayor al resultado obtenido por Vargas Mamani et al. (2019), en su investigación con un valor de 1.8% para nopal, esto se puede deber a la edad de la penca y además se especifica en la investigación que el valor obtenido fue bajo. Para Rodríguez-González et al. (2020) estableció el contenido de proteínas en su investigación 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 investigación.

Tabla 9: Determinación de proteínas

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

 

Conclusiones

Se logró obtener películas de bioplástico utilizando formulaciones con el mucílago de la penca de pitahaya (Selenicereus undatus) con un rendimiento de extracción de 52,46% y almidón de papa (Solanum tuberosum) como aditivo, en diferentes formulaciones con extracto de orégano (1%), glicerina (5%), vinagre (10%) y grenetina (3%) con valores fijos para lograr una estabilidad de la estructura.

Se caracterizó las propiedades fisicoquímicas del mucílago de penca de pitahaya (Selenicereus undatus), con valores de pH (6.61), humedad (92,71%), contenido de ceniza (1,20%), determinación de grasa (0,72%), sólidos solubles (7,29%) y determinación de fibra (6,29%), proteína (11.4%), y determinación de azúcares (0%) estableciendo valores óptimos para el desarrollo de biopelículas.

Según el análisis estadístico de los datos obtenidos del análisis físicos-mecánicos de las biopelículas 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 características de color, sensibilidad al tacto, mayor resistencia a la ruptura (3,17 Pa), elongación (7,57 mm) y fuerza (2,08 N).

Se analizó la actividad antimicrobiana de los cuatro tratamientos aplicado después de la siembre de la bacteria y colocadas en la incubadora a 35°C por 24 horas estableciendo que el (T₁) presentó inhibición al crecimiento de la E. coli en comparación a los tratamientos (T₂), (T₃) y (T₄) que existió proliferación de la bacteria descartando la viabilidad de utilizar las formulaciones de los tratamientos para el uso en la industria del empaquetado ya que no existiría una garantía en la seguridad alimentaria.

 

 

 

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