elocation-id: e3335
El uso excesivo de plásticos elaborados con base de petróleo crea un grave problema de contaminación ambiental, por tal motivo, en el presente trabajo se propone la elaboración de películas de bioplástico a base de celulosa extraída de hojas y tallos de Ricinus communis L. (higuerilla). El proyecto se llevó a cabo en el año 2022 en el estado de Michoacán, México. El bioplástico se obtuvo en dos etapas, primero se lleva a cabo la extracción de celulosa mediante un tratamiento alcalino a 80 °C, posteriormente, la celulosa obtenida se mezcla con agua, glicerina y ácido acético para la formación de la película de bioplástico mediante el método de casting. Con el procedimiento anterior se obtuvieron películas uniformes con un espesor de 0.12 mm. En cuanto a la resistencia a la tracción se encontró un valor máximo de 7.1 MPa, al incrementar la cantidad de glicerina, aumenta la resistencia a la tensión. Mediante el análisis de microscopia electrónica de barrido, se observó que las películas del bioplástico con un 5% de glicerina exhiben texturas más uniformes y homogéneas. La higuerilla se puede aprovechar no solo para la obtención de aceite sino también para obtener plásticos de fuentes alternas al petróleo, lo que se favorecería su cultivo en Michoacán.
Ricinus communis L., casting, celulosa, resistencia a la tracción.
La Higuerilla (Ricinus communis L.) es una especie perteneciente a la familia Euphorbiaceae y cuya planta es de importancia económica por su contenido de aceite, el cual se utiliza principalmente en los sectores agrícolas, industriales y farmacéuticos (Yeboah et al., 2021; Shekade et al., 2023). De acuerdo con estudios realizados por la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza, se indica que esta planta es originaria de África (Landoni et al., 2023). Actualmente a nivel mundial existen 1.1 millones de hectáreas de higuerilla, siendo India, China, Brasil y Paraguay los principales productores; Chile, México, Perú, Colombia y Ecuador presentan suelos aptos para el cultivo de la planta (Valencia et al., 2019).
Para México de 2018 a 2020, en promedio se cosecharon 635 hectáreas de higuerilla y se obtuvo una producción de 4 361 t (INIFAP, 2022), sin embargo, existe un mayor potencial de producción para su cultivo en México. Una aplicación diferente a la extracción del aceite de las semillas es una alternativa para fomentar su cultivo. Debido a su composición (45% de celulosa, 30% de hemicelulosa y 12% de cenizas (Vinayaka et al., 2017) la higuerilla es una planta que se puede utilizar para la obtención de películas de bioplástico.
Mediante este proyecto se desarrolló un bioplástico a partir del tallo y las hojas de la higuerilla, lo cual no solo fomenta el cultivo de la planta sino también puede representar una disminución en el uso de plásticos obtenidos de fuentes de petróleo, cuyos desperdicios generan contaminación al ambiente. Se utilizó higuerilla cultivada en la región de Lázaro Cárdenas, Michoacán en México como materia prima.
Para la obtención de celulosa primero se lleva a cabo el lavado y secado de las hojas y el tallo, para posteriormente triturar ambos tejidos. Se realizó un proceso alcalino para la obtención de la celulosa (Figura 1a), en el cual se colocan 100 g las hojas trituradas en un vaso de precipitado y se adicionan 500 ml de NaOH 8% m/v (J. T Baker) manteniendo una temperatura constante de 80 °C durante 30 min (Escoto et al., 2015; Pinos y Braulio, 2019). Una vez obtenida la celulosa se filtra dejando pasar únicamente el líquido, mientras que la fibra (bagazo) se desecha (Figura 1b). La celulosa queda precipitada en el fondo del recipiente parecido a un polvo fino como se observa en la Figura 1c.
Mediante el procedimiento descrito se obtuvo un rendimiento de 8.5% (base en peso seco de las hojas y tallos) de celulosa, este rendimiento es bajo, en comparación con otras fuentes como el plátano (Chopra et al., 2023) o la caña (López-Martínez et al., 2016): sin embargo, es posible mejorarse al variar las condiciones de extracción. Una vez extraída la celulosa, se adicionan glicerina (≥99.5%, Sigma-Aldrich) y ácido acético (≥99%, Sigma-Aldrich) para formar el bioplástico.
Se realizó un diseño factorial 32 donde se hizo variar la cantidad de glicerina (factor 1) y la cantidad de ácido acético (factor 2) en tres niveles (5%, 10% y 15%) para determinar el efecto que tienen la glicerina o el ácido acético en la morfología y en la resistencia a la tracción de las películas producidas. El ácido acético estabiliza la estructura de la película de bioplástico y la glicerina actúa como plastificante. Para la preparación de la película se utilizó el método de casting, se deja en reposo por un tiempo de 48 h a temperatura ambiente hasta lograr despegar la película (Jerez et al., 2007; Saiful et al., 2019). En la Figura 2 a-b se observó el bioplástico y la película formada.
Las micrografías se obtuvieron mediante el uso de un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Jeol JSM 7600F a 1000X. En la Figura 3 a-j, se percibieron probetas de las películas formadas del bioplástico, se obtuvieron nueve muestras (con sus respectivas réplicas).
Las Figuras 4 a-b-c muestran micrografías de las superficies de las películas donde se realizó la variación de la glicerina en 5%v, 10%v y 15%v respectivamente con una cantidad fija de ácido acético de 5%v. Se observó que la imagen 4-a (5% de glicerina) tiene una superficie más lisa en comparación con las Figuras 4-b (10% de glicerina) y 4-c (15% de glicerina) que muestran defectos en la superficie. Micrografías con la misma variación de glicerina (5%, 10% y 15%) pero con una concentración de 10%v de ácido acético se observan en las Figuras 4 d-e-f. En las imágenes no se observaron superficies demasiado rugosas, siendo la Figura 4-d donde se observó una superficie más lisa.
De la misma manera en las Figuras 4 g-h-i se observan las micrografías de las películas con la misma variación de glicerina, pero con una concentración del 15%v de ácido acético. Se observan en todos los casos (Figuras 4 g-h-i) superficies con mayor rugosidad, esto debido a una mayor cantidad de ácido acético. En la Figura 4-i se observan burbujas de aire en la película, mientras que en las Figuras 4-g y 4-h se forman gránulos sobre la superficie. Un contenido bajo de glicerina genera películas con menos defectos superficiales.
La resistencia a la tensión se determinó mediante una máquina de ensayos universales (AFG 500 N, Mecmesin) con una precisión de ±0.1%. Para la medición de la resistencia se hicieron nueve probetas por triplicado de 100 mm de largo y 25 mm de ancho de acuerdo con la norma ASTM D638 (ASTM D638, 2014).
En la Figura 5 se presentan los valores de la resistencia a la tracción en MPa de las probetas del bioplástico producidas, se varió el contenido de ácido acético y en cada caso se hizo variar la concentración de glicerina en 5, 10 y 15%. Para la variación del 5% de ácido acético se obtuvieron los siguientes valores de resistencia a la tracción 7.1 ±0.4 MPa, 3.1 ±0.2 MPa y 1.3 ±0.1 MPa para las concentraciones de glicerina de 5, 10 y 15% respectivamente; de igual manera para el 10% de ácido acético, se obtuvieron los siguientes valores 6.5 ±0.4 MPa, 2.9 ±0.2 MPa y 1.2 ±0.1 MPa para los valores de glicerina de 5, 10 y 15% respectivamente, por último para la concentración de ácido acético del 15%, se obtuvieron los respectivos valores de resistencia a la tracción de 5.1 ±0.2 MPa, 2.2 ±0.2 y 0.6 ±0.1 MPa.
Se observó que entre menor sea la cantidad de ácido acético mayor es la resistencia a la tensión, lo cual se debe a que el ácido acético después de llevaba a cabo la reacción de polimerización (Nandiyanto et al., 2020), permanece en la superficie de la película lo cual genera defectos que disminuyen la resistencia a la tracción. Los resultados obtenidos se analizaron mediante estadística descriptiva y análisis Anova en Minitab. De acuerdo con los resultados obtenidos, se observa que ambos factores estudiados tienen efecto sobre la resistencia a la tracción.
Respecto a la cantidad de glicerina ocurre un efecto similar, a medida que aumenta la cantidad de glicerina, la resistencia a la tracción disminuye, lo cual se debe a la reducción de las fuerzas intermoleculares lo que provoca que las películas sean más flexibles, pero menos resistentes (Santana et al., 2018). Por comparación consideramos que nuestros resultados son superan en términos cuantitativos a los obtenidos con otras fuentes vegetales respecto a la resistencia a la tracción (Cuadro 1).
| Fuente botánica | Resistencia a la tracción (MPa) | Referencia |
|---|---|---|
| Cascara de naranja | 5.5 | (Mayhuire et al., 2018) |
| Plátano con caseína de leche | 4.4 | (Palma-Rodríguez et al., 2017) |
| Harina de yuca | 1.8 | (Navia et al., 2013) |
| Higuerilla | 7.1 ±0.4 | Este trabajo |
Actualmente, la higuerilla se utiliza principalmente para la obtención de aceite, mediante este estudio presentó otro uso que es la obtención de bioplástico, de llevarse a cabo esta aplicación se puede favorecer a realizar un cultivo en mayor escala. Se lograron obtener películas de bioplástico a partir de higuerilla con valores altos de resistencia a la tracción (7.1 ±0.4 MPa) en comparación con fuentes botánicas similares. La celulosa de la higuerilla se obtuvo mediante un proceso alcalino obteniendo un rendimiento aproximado del 8.5%.
Los mejores parámetros para la obtención de las películas plásticas fueron 5% de glicerina, 5% de ácido acético y 20 g de celulosa mediante el proceso de casting. Se observó que al aumentar la cantidad porcentual de glicerina, la resistencia a la tracción disminuía desde 0.6 ±0.1 hasta 7.1 ±0.4 Mpa, mientras que la variación porcentual del ácido acético no influyó de forma considerable en la resistencia a la tracción.
INIFAP. 2022. Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias. La Higuerilla como cultivo alternativo. https://www.gob.mx/inifap/articulos/la-higuerilla-como-cultivo-de-alternativa.