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Directores de tesis Dr. Javier Solorza Feria
Dr. Gustavo Fidel Gutiérrez López
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Desarrollo de Productos Bióticos
ELABORACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS CONFORMADAS POR BIOMOLÉCULAS Y
NANOPARTÍCULAS
T E S I S
Que para obtener el grado de Maestría en Ciencias en Desarrollo de Productos Bióticos
PRESENTA
I.B.Q. Israel Sifuentes Nieves
Yautepec, Morelos; Diciembre 2011
El presente trabajo se realizó en el Laboratorio de Desarrollo Tecnológico del Centro
de Desarrollo de Productos Bióticos (CeProBi) del Instituto Politécnico Nacional, bajo
la dirección del Dr. Javier Solorza Feria y el Dr. Gustavo Fidel Gutiérrez López.
Se agradece el apoyo otorgado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
(CONACYT), a través del proyecto 60565-Z y a la Secretaría de Investigación y
Posgrado (SIP), del Instituto Politécnico Nacional, mediante los proyectos
20100480 y 20113164, “Producción de Películas Degradables a Partir de
Biomoléculas y su Caracterización Fisicoquímica, Mecánica y Estructural”.
AGRADECIMIENTOS
Al Dr. Javier Solorza Feria; por ser un guía incondicional y una persona que
merece todo mi respeto, que me apoyo hasta la última instancia a concluir el
presente escrito de tesis.
Al Dr. Gustavo Fidel Gutiérrez López; por sus finas atenciones, por todas las
facilidades y recomendaciones para poder concluir con éxito este trabajo.
A los miembros que integraron mi comisión revisora de tesis; Dra. Rosalía
América González Soto, Dra. Elsa Ventura Zapata, Dr. Antonio Ruperto
Jiménez Aparicio y Dr. Rodolfo Rendón Villalobos, por sus valiosas
observaciones que contribuyeron a mejorar este trabajo de tesis.
A la Dra. Brenda Camacho Díaz; por su disponibilidad y gran ayuda en las
pruebas de análisis de imágenes.
A mis compañeros de maestría y al personal de CeProBi-IPN; por tener el
gusto de conocerlos y por todos los buenos momentos.
A Pam; Por su apoyo, confianza y por siempre hacerme sonreír.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo
otorgado para la realización de este trabajo.
DEDICATORIAS
A ti Dios
Que me regalas la oportunidad de compartir este presente con:
“Mis padres y hermanos”
i
RESUMEN
Debido a problemas generados por el uso indiscriminado de plásticos sintéticos y su
persistencia en el medio ambiente, se ha despertado el interés en la elaboración de
nuevos materiales que permitan generar plásticos degradables. Una alternativa, es el
producir películas a base de gelatina/glicerol e incorporar un componente que
contribuya a mejorar las propiedades mecánicas de los biopolímeros, como es el caso
de los nanotubos de carbono (NTC). El objetivo de este trabajo fue elaborar películas
degradables a base de gelatina/glicerol a diferentes concentraciones de NTC (previa
dispersión con dodecil sulfato de sodio (DSS) en solución acuosa) y evaluar el efecto
en sus propiedades físicas, fisicoquímicas, mecánicas y estructurales. Se elaboraron
4 tipos de películas a través del método de vaciado en placa (“Casting”) con las
formulaciones siguientes: GG) gelatina/glicerol; GGNTC1), GGNTC2), GGNTC4)
gelatina/glicerol y NTC al 0.001,0.002 y 0.004% p/p respectivamente. La incorporación
de NTC en las películas con GG disminuyó el valor de luminosidad (L*) en las pruebas
de color (tendencia al color negro). En cuanto a las propiedades mecánicas, se
observaron características de una película flexible al incrementarse el porcentaje de
elongación (%E) de 139% en GG a 166% para GGNTC4, un comportamiento inverso
se observó en GG, es decir, la película presentó valores altos de tensión a la fractura
(TF) y módulo de elasticidad (ME) (24.94 y 16.35 Mpa respectivamente), típica
característica de los materiales frágiles y rígidos. La permeabilidad al vapor de agua
(PVA) aumentó significativamente en todas las películas con NTC, de 2.53 X10-10
para GG, a 7.38X10-10 g Pa-1 s-1 m-1 en GGNTC4, de igual manera, el % de solubilidad
aumentó. Los resultados de difracción de rayos X y los parámetros térmicos
evaluados, dieron indicio de que al incluir NTC en las películas, estas mostraron una
estructura ligeramente menos cristalina al disminuirse el % de cristalinidad y los
valores de los parámetros térmicos evaluados. Los resultados anteriormente
descritos, fueron correlacionados con los parámetros encontrados en un análisis de
imágenes (AI). Los valores de dimensión fractal de superficie y textura, indicaron que
al incluir NTC a la mayor concentración, se obtuvieron películas con una superficie
regular y homogénea. Se calculó el % de área ocupado por los NTC en la matriz
polimérica de gelatina y el mayor valor fue de 44.79% (en GGNTC4), mostrando una
r2=0.98, lo cual indicó que los NTC en buena medida, se dispersaron en la solución
formadora de película.
ii
ABSTRACT
Due to problems caused by the indiscriminate use of synthetic plastics and their
persistence in the environment, the interest in developing new materials to give place
to a generation of biodegradable plastics has increased. To meet this challenge, an
alternative is to produce biofilms such as the gelatin/glycerol based films,
incorporated with an element that contributes to improve the mechanical properties
of biopolymer systems, as is the case of carbon nanotubes (CNT). The aim of this
work, was to develop biodegradable films based on gelatin/glycerol mixtures and
CNT, at different concentrations (previous dispersion with sodium dodecyl sulfate
(SDS) in aqueous solution), and to evaluate their effect on the film´s physical,
physicochemical, mechanical and structural properties. Four types of films were
produced by the casting method, with the following formulations: GG
(gelatin/glycerol); GGCNT1, GGCNT2 and GGCNT4 (Gelatin/glycerol with 0.001,
0.002 and 0.004% of CNT respectively). The CNT addition in the GG films decreased
the lightness (L*) value, showing a tendency to darken. During the evaluation of the
mechanical properties, films exhibited characteristics of a strong flexible film by the
increase in the elongation percent (%E) from 139% on GG to 166% on GGCNT4. An
opposite behavior was noted for GG, showing high values of tensile strength (TS) and
elastic module (EM) (24.94 and 16.35 MPa respectively), which are typical
characteristics of brittle and rigid materials. The water vapor permeability (WVP)
increased significantly in all CNT films. It went from 2.53 X10-10 for GG to 7.38X10-10
g Pa-1 s-1 m-1 for GGCNT4; similarly, the solubility percent increased. The results of
the X-ray diffraction and the thermal parameters, indicated that CNT addition
produced films with a slightly less crystalline structure by reducing the crystallinity
percent and the values of thermal parameters evaluated. The results previously
described were correlated with image analysis (IA) parameters. The values of the
surface and texture fractal dimension, suggested that films with a regular and
homogeneous surface, were obtained with highest CNT addition. The percentage
area occupied by the CNT in the gelatin polymer matrix was calculated, finding the
highest value (44.79%) for GGCNT4, with an r2=0.9856, indicating a good CNT
dispersion.
iii
ÍNDICE
CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN i
Abstract ii
Índice iii
Índice de cuadros vi
Índice de figuras vii
Abreviaturas x
I. INTRODUCCIÓN 1
II. REVISIÓN DE LITERATURA
3
2.1 Problemática ambiental de empaques no biodegradables
3
2.2 Películas biodegradables
4
2.2.1 Películas a base de proteínas
5
2.2.1.1 Gelatina
6
2.2.2 Películas a base de otros biopolímeros
7
2.2.3 Películas a base de mezclas entre biopolímeros 8
2.3 Plastificantes
9
2.3.1 Plastificantes de uso común 10
2.4 Uso de nanopartículas en matrices poliméricas (nanocompuestos)
10
2.4.1 Nanotubos de carbono (NTC)
12
2.4.1.1 Clasificación y estructura 13
iv
2.4.1.2 Métodos de síntesis 14
2.4.1.3 Seguridad y regulación 16
2.4.1.4 Propiedades y aplicaciones
17
2.4.1.5 Dispersión en polímeros
18
III. JUSTIFICACIÓN
20
IV. OBJETIVOS
21
4.1 General
21
4.2 Específicos
21
V. HIPÓTESIS
21
VI. MATERIALES Y MÉTODOS
22
6.1 Materiales
22
6.2 Métodos
22
6.2.1 Dispersión de NTC mediante el uso de dodecil sulfato de sodio (DSS) en medio acuoso
22
6.2.2 Elaboración de biopelículas por vaciado en placa (casting)
23
6.2.2.1 Acondicionamiento de las películas
24
6.2.2.2 Grosor de las películas
24
6.3 Estructura de las películas
24
6.3.1 Análisis de imágenes
24
6.3.2 Difracción de rayos X
25
6.4 Propiedades físicas
26
6.4.1 Determinación de color en las películas
26
6.4.2 Determinación del contenido de humedad en las películas
27
6.4.3 Determinación de actividad de agua (Aw) en las películas
27
v
6.4.4 Determinación de permeabilidad al vapor de agua (PVA) en las películas
27
6.4.5 Determinación del porcentaje de solubilidad en las películas
28
6.5 Caracterización fisicoquímica
29
6.5.1 Calorimetría diferencial de barrido (CDB)
29
6.6 Propiedades mecánicas de las películas
29
6.7 Análisis estadístico
30
VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
31
7.1 Grosor de las películas
31
7.2 Color de las películas
31
7.3 Contenido de humedad y actividad de agua de las películas
37
7.4 Permeabilidad al vapor de agua de las películas
39
7.5 Solubilidad de las películas
42
7.6 Propiedades mecánicas de las películas 44
7.7 Difracción de rayos X
48
7.8 Parámetros térmicos de las películas
50
7.8 Análisis de imágenes aplicado a las películas 53
VIII. CONCLUSIONES
58
IX. PERSPECTIVAS
60
X. LITERATURA CITADA 61
vi
ÍNDICE DE CUADROS
Número Cuadro
Página
1 Resultado del análisis de grosor de las películas
elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
31
2 Parámetros a*, b*, croma (C) y ángulo hue (ºh)
de las películas elaboradas a partir de un
compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de
carbono
36
3 Análisis de humedad y actividad de agua de las
películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
38
4 Parámetros térmicos de las películas elaboradas
a partir de un compuesto gelatina/glicerol y
nanotubos de carbono
52
5 Parámetros texturales obtenidos por análisis de
imágenes de películas elaboradas a partir de un
compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de
carbono
54
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Número Figura
Página
1 Principales fuentes de contaminación
4
2 Esquema gráfico de nanotubos de carbono
12
3 Nanotubos de carbono a) pared simple y b) pared
múltiple
13
4 Morfología de los NTC según el ángulo de enrollamiento
de la lámina de grafito con morfología tipo a) silla, b) zig-
zag y c) quiral.
14
5 Dispersión de nanotubos de carbono de pared múltiple
(NTCPM) a diferentes concentraciones a) 0.001 % p/p,
b) 0.002 % p/p y c) 0.004 % p/p en solución acuosa con
DSS
23
6 Evaluación del color en las películas elaboradas a partir
de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de
carbono (utilizando el factor de luminosidad L* del
sistema CIELAB, 1976).
32
7 Películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. a) GG,
b) GGNTC1, c) GGNTC2 y d) GGNTC4
35
viii
8 Permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las películas
elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y
nanotubos de carbono
41
9 Porcentaje de solubilidad de las películas elaboradas a
partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de
carbono, determinado a 25 ºC y 80 ºC.
43
10 Tensión a la fractura de las películas elaboradas a partir
de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de
carbono.
46
11 Módulo de elasticidad de las películas elaboradas a partir
de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de
carbono.
46
12 Porcentaje de elongación de las películas elaboradas a
partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de
carbono
47
13 Difractogramas de las películas elaboradas a partir de un
compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
49
14
Termogramas por calorimetría diferencial de barrido de
las películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.
50
15 Imágenes de las películas obtenidas a partir de un
compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
a)GG, b)GGNTC1,c)GGNTC2 y d)GGNTC4.
55
ix
16 Correlación de dimensión fractal de superficie (DFS) con
respecto a parámetros mecánicos, de las películas
elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y
nanotubos de carbono
56
17 Porcentaje del área ocupada por NTC en las películas de
las películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
56
18 Correlación de entropía con parámetros de estabilidad de
las películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
57
x
ABREVIATURAS
NTC Nanotubos de carbono
NTCPS Nanotubos de carbono de pared simple
NTCPM Nanotubos de carbono de pared múltiple
DSS Dodecil sulfato de sodio
APL Acido poliláctico
PHAs Polihidroxialcanoatos
PHB Polihidroxibutirato
CO2 Dióxido de carbono
MMT Montmorillonita
nSiO2 Nanopartículas de sílice
Tg Temperatura de transición vítrea
NCA Nanocristales de almidón
TPP Tripolifosfato
CS-TPP Quitosan-tripolifosfato
HPMC Hidroxipropilmetilcelulosa
CDV Deposición química en fase de vapor
AI Análisis de imágenes
DRX Difracción de rayos X
PVA Permeabilidad al vapor de agua
Aw Actividad de agua
TF Tensión a la fractura
%E Porcentaje de elongación
ME Módulo elástico
p/p Peso/peso
rpm Revoluciones por minuto
°C Grado centígrado
min Minuto
mm Milímetro
nm Nanómetro
xi
GG Película gelatina/glicerol
GGNTC1 Película gelatina/glicerol con 0.001% p/p de Nanotubos de Carbono
GGNTC2 Película gelatina/glicerol con 0.002% p/p de Nanotubos de Carbono
GGNTC4 Película gelatina/glicerol con 0.004% p/p de Nanotubos de Carbono
HR Humedad relativa
NaBr Bromuro de Sodio
px Pixeles
θ Theta
KV Kilovatios
Å Amstrong
L* Factor de luminosidad
C Croma
°h Angulo hue
h Hora
g Gramo
NaCl Cloruro de sodio
s Segundo
m Metro
Pa Pascal
cal Caloría
ANDEVA Análisis de varianza
b* Coordenada cromática (amarillo-azul, en CIELAB)
a* Coordenada cromática (verde-rojo, en CIELAB)
Tf Temperatura de fusión
ΔH Entalpia de fusión
DFS Dimensión fractal de superficie
DFT Dimensión fractal de textura
%A Porcentaje de área
1
I. INTRODUCCIÓN
Los polímeros son sustancias que consisten en grandes moléculas formadas por
muchas unidades pequeñas que se repiten (monómeros); y estos se clasifican como
polímeros sintéticos o naturales (biopolímeros) (Uribe, 1996). Polímeros sintéticos
como el polietileno, polipropileno y poliestireno son la principal materia prima en la
industria del empaque. Al incorporarse el plástico a la vida cotidiana, una parte
considerable de los desechos producidos comenzó a acumularse en el medio
ambiente, precisamente por la resistencia de los plásticos a la corrosión, la
intemperie y la degradación por microorganismos (Espín, 2007). Razón por la cual se
ha incrementado el interés por desarrollar empaques con la propiedad de ser
biodegradables. Entre la variedad de compuestos disponibles para elaborar dichas
películas, la gelatina es un biopolímero que presenta beneficios potenciales, ya que
pueden ser producidos a bajo costo y a gran escala (Lee et al., 2004). En general, las
películas elaboradas a partir de gelatina son frágiles y susceptibles a agrietarse
debido a la fuerte densidad de energía cohesiva del polímero (Arvanitoyannis et al.,
1998a). Debido a ello, se han realizado estudios que describen los efectos de los
plastificantes en las propiedades físicas, químicas y funcionales en biopelículas para
lograr una mayor flexibilidad, esto debido a reducción de enlaces intermoleculares
(Cao et al., 2009). En vista de que las películas elaboradas a partir de proteínas,
polisacáridos, lípidos e hidrocoloides presentan desventajas, ya sea en propiedades
mecánicas o de barrera, se ha intentado mejorar las propiedades funcionales de
biopelículas mediante el uso de mezclas entre dos o más compuestos (Tharanathan,
2003).
Los nanotubos de carbono (NTC) son estructuras artificiales novedosas que
presentan propiedades físicas que los han hecho objeto de una gran cantidad de
estudios; los cuales han revelado un potencial de aplicación en diferentes áreas,
tales como la electrónica, la física y la biología, ya que poseen adecuadas
propiedades estructurales, físicas, eléctricas y mecánicas. Con base a lo anterior, el
objetivo de este trabajo fue incorporar nanotubos de carbono a una matriz polimérica
2
(gelatina), para formar películas con propiedades mecánicas y fisicoquímicas
deseables, con respecto a un material de empaque.
3
II. REVISIÓN DE LITERATURA
2.1 Problemática ambiental de empaques plásticos no biodegradables
La palabra plástico se refiere a ciertos tipos de materiales sintéticos, obtenidos
mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de
carbono, en largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos. En general, son
derivados del petróleo, aunque algunos se pueden obtener a partir de otras
sustancias naturales (Segura et al., 2007). Durante los últimos cincuenta años, los
materiales de empaque empleados en la protección y conservación de los alimentos
han evolucionado de manera radical, hasta llegar a los plásticos sintéticos, la
producción mundial en el 2010 fue de 265 millones de toneladas (European Plastics
Converters, 2011). En México se producen aproximadamente 6 millones de
toneladas de plástico por año en sus diferentes variantes. Hay distintos tipos de
plásticos con una gran variedad de calidades, para ofrecer las propiedades
específicas para cada aplicación, entre los más producidos se encuentran el
polietileno, polipropileno y poliestireno, que han sustituido de manera total y parcial a
muchos materiales naturales como la madera, algodón, papel, lana, metal y vidrio.
Los factores que han favorecido el mercado de los plásticos son: la facilidad con que
pueden ser trabajados o moldeados, su impermeabilidad, su baja densidad, su
resistencia a la corrosión y a la intemperie (CONACYT, 2005; Espín, 2007). Sin
embargo, es bien sabido que estos materiales constituyen una gran parte de los
contaminantes del medio ambiente, generando enormes problemas para su
eliminación, debido a que la degradación de los plásticos es muy lenta, pues
algunos, como las bolsas y envases plásticos, tienen la propiedad de degradarse en
tiempos muy prolongados (más de 100 años). En la figura 1 se muestra la
clasificación de las principales fuentes de contaminación, una tercera parte del total
de los contaminantes son los plásticos, y el poliestireno por si solo, ocupa un 7% del
total (Flores y Romero, 2003).
4
Debido a la problemática descrita anteriormente, hay actualmente un creciente
interés por la comunidad científica en los materiales biodegradables, en sustitución
de los materiales plásticos convencionales como el polietileno (de alta y baja
densidad), polipropileno y poliestireno, que son sustancias particularmente
resistentes al ataque de microorganismos presentes en el suelo, donde son
depositados después de haber sido utilizados.
Figura 1. Principales fuentes de contaminación
Fuente: Flores y Romero, 2003
2.2 Películas biodegradables
La degradación o envejecimiento de los polímeros, se refiere a los cambios que
sufren estos materiales en sus propiedades, al interaccionar con el medio y el
ambiente en que se encuentren. Existen diferentes maneras de considerar la
degradación: natural, acelerada, artificial, física y química (Uribe, 1996).
En un intento por disminuir los problemas ocasionados por la acumulación de
residuos sólidos, se han creado los llamados materiales biodegradables a partir de
polímeros naturales. Para que un material sea llamado biodegradable, debe ser
degradado totalmente por microorganismos o enzimas, en el proceso de composteo,
a compuestos naturales como dióxido de carbono, agua, metanol y biomasa. La
biodegradación incluye la despolimerización y la desmineralización a dióxido de
Plástico 36%
Papel 15%
Metal 14%
Vidrio 12%
Poliestireno 7%
Madera 2%
Caucho 1%
Otros 13%
Principales fuentes de Contaminación
5
carbono (CO2), agua, sales, etc., e involucra tres elementos claves; los
microorganismos apropiados, el medio ambiente y la vulnerabilidad del sustrato o
polímero (Pérez y Báez, 2003).
Con el paso del tiempo se han creado nuevos empaques, surgiendo los plásticos
biodegradables de primera generación, que están constituidos por pequeñas
modificaciones químicas en los polímeros o mezclas de polímeros sintéticos
(plásticos) con biopolímeros, hasta llegar a los plásticos biodegradables de segunda
generación, constituidos por macromoléculas biodegradables en su totalidad (Flores
y Romero, 2003). Los biopolímeros naturales provienen de cuatro grandes fuentes:
origen animal (colágeno/gelatina), origen marino (quitina/quitosano), origen vegetal
(lípidos y grasas e hidrocoloides: proteínas y polisacáridos) y origen microbiano
(ácido poliláctico (APL) y polihidroxialcanoatos (PHAs)) (Tharanathan, 2002). A partir
del uso de macromoléculas y mediante un proceso de disolución y secado, el
resultado es una hoja con la consistencia de un plástico (película) y que puede
usarse como un material de empaque con la propiedad de ser biodegradable.
2.1.1 Películas a base de proteínas
Los materiales a base de proteínas consisten de redes macromoleculares continuas,
de baja humedad y más o menos ordenadas. Las interacciones entre proteínas
necesitan ser numerosas y uniformes. La probabilidad de formación de enlaces
intermoleculares depende de la forma de la proteína y de las condiciones de proceso.
Proteínas de altos pesos moleculares (glutenina) y proteínas fibrosas (colágeno),
generalmente forman películas con buenas propiedades mecánicas. Mientras que las
proteínas globulares y pseudoglobulares (gliadina, caseína y glicinina), usualmente
necesitan desdoblarse antes de la formación de la red (Cuq et al., 1998).
Las películas de proteínas se adhieren fácilmente a superficies hidrofílicas y
presentan la desventaja de alta difusión del agua. Las proteínas más empleadas en
la elaboración de películas son: caseína, zeína, soya, albúmina de huevo,
lactoalbúmina, suero de leche, gluten de trigo, colágeno y gelatina. Una desventaja
6
de las películas de proteína, es su sensibilidad a los cambios de pH, por lo que
deben delimitarse a las condiciones óptimas de su formación (Baldwin, 1994).
2.1.1.1 Gelatina
La gelatina es una proteína de origen animal que se obtiene por la desnaturalización
a partir del colágeno, mediante hidrólisis ácida (gelatina tipo A) o alcalina (gelatina
tipo B) (Johnston, 1990), el colágeno es la principal proteína estructural de muchos
tejidos conectivos, como la piel, tendón y hueso (Bigi et al., 2002). Tiene una
estructura de triple hélice, estabilizada principalmente por la formación de puentes de
hidrógeno entre las cadenas a través de grupos carboxilo y amino. Después del
proceso de desnaturalización, la triple hélice, se rompe y las cadenas polipeptídicas
adoptan una configuración aleatoria. Entonces, estas cadenas pueden interactuar
para formar la gelatina (Dai et al., 2006). En la elaboración de gelatina, se controla la
hidrólisis del colágeno (de diversas fuentes) para convertir el producto resultante en
un material soluble con las propiedades físicas y químicas deseables, entre las que
están la fuerza de los geles (bloom), adherencia, color, consistencia y transparencia
(Chapveil, 1980).
Las películas de gelatina son comúnmente usadas en la industria farmacéutica para
fabricar tabletas y cápsulas. La gelatina es también usada como materia prima en la
elaboración de películas fotográficas y para microencapsular aromas, vitaminas y
endulzantes (Cuq et al., 1998). Esta versatilidad funcional refleja tanto las
propiedades físicas de un polímero flexible y largo, como las interacciones químicas
posibles en un polipéptido compuesto por 20 diversos aminoácidos (con mayor
proporción de glicina y prolina), al lado de cadenas ácidas (Stainsby, 1977).
En general las películas de gelatina son plastificadas por el agua (Sobral y
Habitante, 2001) y por polioles. Son frágiles debido a la fuerte densidad de energía
cohesiva del polímero (Arvanitoyannis et al., 1998a). La mayoría de las trabajos
citados sobre las películas de gelatina plastificadas, describen los efectos de la
adición de glicerol y su efecto plastificante en concentraciones bajas y medias (0-
50%) (Cuq et al., 1997; Thomazine et al., 2005; Vanin et al., 2005), sin embargo,
7
algunos estudios se han llevado a cabo en las películas con mayor contenido de
glicerol (Audic y Chaufer, 2005).
2.2.2 Películas a base de otros biopolímeros
Películas a base de hidrocoloides
Las películas a base de hidrocoloides poseen buenas propiedades de barrera al
oxigeno, dióxido de carbono y lípidos. Pueden clasificarse de acuerdo a su
composición, carga molecular y solubilidad en agua. En términos de composición,
pueden ser carbohidratos (ej., almidón, gomas, celulosa y almidón químicamente
modificado) y proteínas (ej., gelatina, caseína, proteína de soya y gluten de trigo)
(Donhowe y Fennema, 1994).
Películas a base de lípidos
Debido a la baja polaridad de estas películas, su función principal es la de constituir
una barrera contra el paso de humedad. Las películas deben ser heterogéneas por
naturaleza. Aunque ácidos grasos y alcoholes presentan barreras efectivas para el
vapor de agua, su fragilidad requiere que sean usadas en conjunto con una matriz
polimérica que brinde soporte (Donhowe y Fennema, 1994). Por lo cual, se pueden
hacer mezclas con polisacáridos y proteínas, lo que facilita la posibilidad de utilizar
las características funcionales de cada componente.
Películas a base de polisacáridos
Por las propiedades filmógenicas de los polisacáridos, pueden utilizarse en la
elaboración de películas (Guilbert y Biquet, 1995). Las cuales tienen buenas
propiedades de barrera a los gases, sin embargo, no son una buena barrera para la
humedad (Guilbert, 1986). Se han elaborado películas a partir de celulosa, pectina,
almidón, alginatos, quitosano, carragenina, gomas y mezclas entre estos. Las
películas de almidón son estables, transparentes, flexibles, generalmente
permeables al gas y sensibles a la humedad (Sánchez, 1998). Estos compuestos
8
tienen las características de ser polímeros de cadena larga, solubles en agua y de
producir un fuerte aumento en la viscosidad al dispersarse en ella.
Películas de origen microbiano
Los polihidroxialcanoatos (PHAs), son poliésteres naturales producidos por bacterias
y actualmente se están usando en la elaboración de películas, debido a que son
completamente degradables, produciendo en este proceso agua y bióxido de
carbono. Así como son abundantes en la naturaleza los organismos capaces de
producir PHAs, también lo son aquellos capaces de degradarlos. Los grupos de
organismos con representantes capaces de degradar PHAs son bacterias y hongos
(Espín, 2007).
Por otra parte, la fermentación bacterial de la glucosa y la alimentación con ácido
acético durante el almacenamiento, da un novedoso poliéster termoplástico llamado
polihidroxibutirato (PHB), el cual, sólo o en combinación con plásticos sintéticos o
con almidón, produce excelentes películas para empaques (Tharanathan, 2003).
2.2.3 Películas a base de mezclas entre biopolímeros
El objetivo de emplear mezclas entre biopolímeros para la elaboración de películas
biodegradables, es contrarrestar las deficiencias propias de cada componente y así
poder mejorar las propiedades y características del material resultante (Tharanathan,
2003). Actualmente, existen diversos estudios donde se mencionan las propiedades
de películas a partir de mezclas entre biopolímeros (Lee et al., 2004; Donhowe y
Fennema, 1994; Arvanitoyannis et al., 1998b).
De acuerdo con Lee et al. (2004), la presencia de goma gelana, en geles de gelatina,
produce un incremento sinergístico en la fuerza del gel, así como un mejoramiento
de la firmeza de éste. Además, concluyen que las propiedades mecánicas de
películas a base de gelatina y goma gelana, dependen significativamente de las
concentraciones de los dos componentes, sugiriendo el uso de este tipo de películas
como materiales de empaque. Arvanitoyannis et al. (1998b), elaboraron películas con
9
mezclas de gelatina y quitosán utilizando dos métodos de preparación: baja y alta
temperatura. Las películas elaboradas a baja temperatura (20°C) presentaron mayor
porcentaje de ordenamiento molecular y cristalinidad, comparadas con aquellas
preparadas por el método de alta temperatura (60°C). Lo anterior se tradujo en
menores permeabilidades a los gases y al vapor de agua, mayor fuerza de tensión y
mayores energías de activación para las películas obtenidas a 20°C que para
aquellas obtenidas a 60°C. Otro ejemplo de películas compuestas, son las
elaboradas a partir de lípidos e hidrocoloides. Una película compuesta puede existir
como una bicapa, en la cual una es de hidrocoloide y la otra de lípido o como un
conglomerado donde los componentes lípidos e hidrocoloides, son esparcidos por
toda la película. Las películas compuestas combinan las ventajas de ambos
componentes y disminuyen las desventajas de cada uno. Si se desea una barrera de
vapor de agua, el compuesto lípido cumple esta función y el hidrocoloide provee la
durabilidad necesaria (Donhowe y Fennema, 1994).
2.3 Plastificantes
Un plastificante se define como una molécula pequeña, poco volátil, de una
naturaleza química similar a la del polímero formador de la película. La adición de
sustancias plastificantes en materiales poliméricos modifica la organización
tridimensional de las moléculas, disminuyendo las fuerzas de atracción
intermoleculares aumentando los espacios y la movilidad de las cadenas. Como
resultado de estos cambios en la organización molecular, la adición de plastificante
modifica las propiedades funcionales de la película. Cuando se adicionan altas
cantidades de plastificante en la formulación de la película, ocurren cambios
significativos en las propiedades de ésta, como son incremento en la extensibilidad y
flexibilidad, además se facilita la difusión de moléculas permeantes y tienen efectos
negativos en sus propiedades de barrera (McHugh y Krochta, 1994; Cuq et al.,
1997).
10
2.3.1 Plastificantes de uso común
Con excepción del agua, que puede ser considerada como el plastificante en la
mayoría de películas a base de hidrocoloides, los plastificantes más usuales son los
polioles y los mono- di- y oligosacaridos (Cuq et al., 1998). Entre los polioles más
utilizados están el glicerol, propilenglicol, polietilenglicol 200, polietinglicol 40 y
sorbitol.
Uno de los plastificantes utilizados en la elaboración de películas es el glicerol, un
polihidroxialcohol ampliamente utilizado en la industria química, farmacéutica y
cosmética, en virtud de sus propiedades humectantes, antisépticas, higroscópicas y
espesantes. Se trata de un líquido incoloro, viscoso y casi inodoro, que posee una
temperatura de ebullición de 290 ºC y una temperatura de fusión de 17.9 ºC. Su
fuerza de tensión superficial es menor que la del agua, pero mayor que la de muchos
disolventes tensorgánicos; resulta soluble en agua y alcoholes, es insoluble en éter y
cloroformo. El glicerol es un disolvente de extraordinario valor, capaz de formar
disoluciones concentradas y permanentes, imposibles de obtener con otros vehículos
(Hernández et al., 2000; Mali et al., 2004).
La adición de un plastificante en la elaboración de películas, permite que estas sean
menos frágiles, más duras y resistentes con el tiempo, más flexibles debido a su
habilidad de reducir los enlaces internos de hidrógeno entre las cadenas del
polímero, e incrementar en consecuencia, el espacio entre moléculas (Liberman y
Gilbert, 1973).
2.4 Uso de nanopartículas en matrices poliméricas (nanocompuestos)
La aplicación de la nanotecnología en matrices poliméricas, puede abrir nuevas
posibilidades para mejorar no sólo sus propiedades, sino también costo y eficiencia
(Sorrentino y et al., 2007). Entre los nanorefuerzos utilizados se encuentran
arcillas/silicatos, celulosa, sílice, nanocristales de almidón, quitosano y nanotubos de
carbono (Henriette, 2009).
11
Se han reconocido nanorefuerzos como posibles aditivos para mejorar el rendimiento
de los polímeros, la industria del empaque ha centrado su atención principalmente en
capas inorgánicas solidas como las arcillas y silicatos, debido a su disponibilidad y
bajo costo comparado con otro tipo de nanopartículas. La arcilla más ampliamente
estudiada es la montmorillonita (MMT) y su presencia en polímeros aumenta la
tortuosidad del camino difusivo de una molécula penetrante, proporcionando
excelentes propiedades de barrera (Bharadwaj et al., 2002). Por otra parte, se está
haciendo uso de nonofibras de celulosa, debido a que están constituidas por fibras
muy resistentes y presentan una amplia disponibilidad. Además, son
ambientalmente amigables y fáciles de reciclar. Todo esto hace que las nanofibras
de celulosa sean un atractivo más de los nanomateriales para la elaboración de
películas, debido a su alta resistencia mecánica (Helbert y Dufresne, 1996).
Wu et al. (2002) observaron que la adición de nanopartículas de sílice (nSiO2) a
películas de polipropileno, mejora el módulo de elasticidad y la elongación, por lo que
su incorporación en una matriz polimérica, se considera como mejoradora de
propiedades mecánicas. En otras investigaciones, como la de Kristo y Biliaderis.
(2007), reportaron que la adición de nanocristales de almidón (NCA), mejora la
resistencia a la tracción y el módulo elástico en películas de pululano, pero
disminuye su elongación. Valores mayores de temperatura de transición vítrea (Tg)
se encontraron al incorporar el contenido de NCA, esto se atribuyó a una restricción
de la movilidad de las cadenas de pululano, debido a la formación de fuertes
interacciones entre NCA en la matriz polimérica.
Actualmente, se está haciendo uso de nanopartículas de quitosano, dichas
nanopartículas, se pueden obtener por gelificación iónica, ya que sus grupos amino
cargados positivamente, forman interacciones electrostáticas con polianiones al
emplear reticulantes, tales como el tripolifosfato (TPP). De Moura et al. (2009)
prepararon nanopartículas de quitosán-tripolifosfato (CS-TPP), incorporándolos en
películas de hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC). Observaron una mejora significativa
en las propiedades mecánicas y de barrera, atribuyendo esto, al efecto de las
nanopartículas, al llenar las discontinuidades en la matriz de HPMC.
12
2.4.1 Nanotubos de carbono (NTC)
Al variar los tipos de enlace entre átomos iguales, se pueden formar sustancias
elementales con propiedades físico-químicas diferentes, a este fenómeno se le
conoce como alotropía. El carbono posee formas alotrópicas como son: carbón
amorfo, diamante, grafito, fullerenos y nanotubos de carbono (NTC).
En 1985, mientras se investigaba el mecanismo de la formación de moléculas de
cadenas de carbono en el espacio exterior, por ablación de láser, se obtuvieron
esferas con dimensiones nanométricas, de estructura muy estable. A estas pequeñas
formas de carbono se les llamó buckiesferas (Kroto et al., 1991), en honor a
Buckminster Fuller. Posteriormente, a estas estructuras se les dio el nombre de
fullerenos y recibieron gran atención por parte de la comunidad científica, debido a
que estaban dotadas por propiedades físicas excepcionales. En 1991 Lijima en el
intento de producir fullerenos dopados con metales, resultó en el descubrimiento de
los nanotubos. Los NTC consisten en una hoja de grafito enrollada en sí misma hasta
formar un cilindro (Figura 2), con diámetros exteriores que varían de 0.4 a 5 nm
(Nikolaev et al., 1997; Peigney et al., 2001).
Figura 2. Esquema gráfico de nanotubos de carbono
Fuente: Alcca, 2008
13
2.4.1.1 Clasificación y estructura
Los NTC se clasifican como nanotubos de carbono de pared simple (NTCPS), que
están constituidos por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal
cilíndrica, de forma que su estructura es la misma que se obtendría si se enrollara
sobre sí misma una lámina de grafito, sus extremos pueden estar cerrados por media
esfera de fullerenos o pueden estar abiertos (Figura 3 a). Por otra parte, los
nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM), tienen una estructura similar a
varios NTCPS concéntricos con diferentes diámetros (Figura 3 b). La estructura de
ambos tipos de NTC (NTCPS y NTCPM), consta de enlaces puros de carbono unidos
entre sí por un enlace covalente híbrido sp2 (Lijima, 1991).
a) b)
Figura 3. Nanotubos de carbono a) pared simple y b) pared múltiple
Fuente: Alcca, 2008
La morfología de los NTC está dictada por el ángulo de enrollamiento respecto a los
hexágonos formados por los enlaces de carbono. Existen tres morfologías de los
NTC (Figura 4), que son: silla, quiral y zig-zag (Hamada et al., 1992; Romero et al.,
2002). Diferente morfología proporciona diferentes propiedades a los NTC.
14
Figura 4. Morfología de los NTC según el ángulo de enrollamiento de la lámina de
grafito con morfología tipo a) silla, b) zig-zag y c) quiral.
Fuente: Baughman, 2002
2.4.1.2 Métodos de síntesis
Existen varios métodos de obtención de NTC, todos se basan en someter materiales
carbonáceos a altas temperaturas. A continuación se presenta una breve descripción
de los métodos que se utilizan en la actualidad, así como sus ventajas y desventajas,
con base en la revisión de Terrones (2004).
Método de descarga de arco
Se pueden producir NTCPS o NTCPM por medio del método de descarga de arco.
Aunque con algunas variantes entre tipos de NTC, el método esencialmente consiste
en el paso de una corriente directa a través de dos electrodos de grafito de alta
pureza en el interior de una atmósfera de He, lo cual origina un arco. Durante el
arqueo se forman depósitos sobre el cátodo, mientras que el ánodo se consume.
Estos depósitos se cubren con una capa gris dura en la periferia. El centro, oscuro y
blando, contiene nanotubos y partículas de grafeno. Para que los NTCPS se formen,
15
se requiere de un catalizador metálico. Esta técnica es costosa, ya que requiere de
electrodos de grafito de alta pureza, polvos metálicos, Ar y He también de alta
pureza. Por otro lado, no hay control sobre las dimensiones de los NTC y además de
éstos, se forman otras partículas, por lo que la purificación es un paso adicional del
proceso.
Vaporización con láser
Se pueden producir tanto NTCPS como NTCPM mediante una combinación de láser
de alta potencia y altas temperaturas. Particularmente, se generan NTCPM a través
de la vaporización por láser de grafito sellado en una atmósfera de Ar en un tubo de
sílice en el interior de un horno a 1200°C. Una desventaja es que la técnica no es
económica, ya que se utiliza grafito de alta pureza y los requerimientos de potencia
del láser son altos. Además, el rendimiento de los NTC producidos no es alto en
comparación con otros métodos.
Electrólisis
Por inmersión de electrodos de grafito en cloruro de litio fundido en atmósfera de Ar y
aplicando un voltaje entre los electrodos, se pueden obtener NTCPM con
rendimientos de 20-40%. Después de la electrólisis el equipo se enfría, y los
materiales carbonáceos se separan disolviendo la sal iónica en agua destilada.
Después de filtrar, en los sólidos se encuentran los NTC y otras nanoestructuras. A
pesar de que es una técnica no costosa, no es muy utilizada debido a la dificultad
para controlar el rendimiento y las dimensiones de los nanotubos. Un inconveniente
más de este método es la imposibilidad de obtener NTCPS.
Pirolisis de hidrocarburos (deposición química de vapor)
En presencia de un catalizador metálico (Co, Ni, Fe, Pt, o Pd) depositado sobre
sustratos como Si, grafito o sílice, la pirolisis de hidrocarburos (como metano,
benceno, acetileno, naftaleno o etileno) ofrece una alternativa para la producción de
fullerenos, NTC y otras nanoestructuras. A la pirolisis de hidrocarburos también se le
16
conoce como deposición química en fase de vapor y representa una alternativa para
la producción masiva de NTC; de hecho, la mayoría de los NTC comerciales
disponibles se sintetizan mediante este método.
2.4.1.3 Seguridad y regulación
Es esencial y urgente evaluar no solo los beneficios, sino también los posibles
riesgos que plantean las nanopartículas y acordar medidas efectivas mediante
criterios reguladores adecuados. Bayer Material Science es una de las primeras
compañías en establecer estándares de seguridad específicos para nanotubos de
carbono, con la finalidad de prevenir algún efecto no deseado por estos materiales.
Smart et al. (2006) revisaron el tema de la citotoxicidad y la biocompatibilidad de los
NTC, encontrando que existen muchas áreas que requieren investigación respecto a
toxicidad. Además, mencionan que la modificación química o solubilización de los
nanotubos reduce su toxicidad, aunque es imperativo investigar sobre el efecto en
vías respiratorias y piel, por ser los principales puntos de exposición.
Respecto a la toxicidad, se resalta que en un trabajo reciente se encontró que al
administrar a ratones tanto NTCPS como NTCPM dopados con nitrógeno (CNx),
éstos últimos no causaron la muerte de ningún animal, contrario a lo que se encontró
cuando se administró NTCMP por las vías nasal, oral, intratraqueal, e intraperitoneal.
En este caso, se encontró que la inyección intratraqueal causaba la muerte de los
ratones por disnea, dependiendo la magnitud del efecto, de las dosis empleadas. Por
el contrario, dosis extremadamente altas de CNx administradas directamente en la
tráquea de los ratones, solo indujeron respuestas inflamatorias, mientras que todas
las demás rutas de administración no provocaron signos de estrés o cambios en los
tejidos de los ratones tratados. Por ello los autores sugieren que en este sentido, los
CNx pudiesen tener ventajas en aplicaciones biológicas (Carrero et al., 2006).
17
2.4.1.4 Propiedades y aplicaciones
La principal característica de los NTC que dará lugar a un buen número de
propiedades excepcionales, es que muestran una relación longitud/diámetro muy
elevada: su diámetro es del orden de los nanómetros y su longitud puede variar
desde unas micras hasta milímetros e incluso algunos centímetros. La investigación
sobre los nanotubos es muy interesante (por sus múltiples aplicaciones y
probabilidades) y compleja (por la variedad de sus propiedades eléctricas, térmicas y
estructurales que cambian según el diámetro, longitud y la forma de enrollarse)
(Rivas et al., 2007; Dresselhaus et al., 2004).
Los nanotubos de carbono forman un material que resulta 100 veces más duro que el
acero y seis veces más ligero (Lubbe et al., 2001). Por lo anterior, se pretenden
utilizar estos materiales en aviones, automóviles y otros medios de locomoción, pues
supondría una pérdida de peso y un aumento de su resistencia mecánica.
Las excepcionales propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, químicas y ópticas
de los nanotubos de carbono, permite utilizarlos en multitud de aplicaciones. En
general, en sectores como electrónica, materiales, sensores, biotecnología, química,
energía, mecánica, instrumentación científica y fotónica (Dresselhaus et al., 2004).
Los nanotubos de carbono pueden ser la base para la formación de nuevos
materiales (nanocompuestos) y pueden hacerlo de dos formas: agrupándose, ó bien,
mezclándose con otros materiales para formar compuestos (Rivas et al., 2007).
Algunos estudios reportan que la adición de pequeños porcentajes de nanotubos de
carbono a matrices poliméricas, incrementan aproximadamente un 40% la tensión
elástica y causan un crecimiento cercano al 25% de la resistencia a la tracción.
Además, se ha observado que los materiales compuestos por nanotubos de carbono
son cerca de 10 veces mejor que los compuestos de fibras de carbono
convencionales (Alcca, 2008). Los NTC tienen la capacidad de resistir grandes
deformaciones sin daño, aún cuando son combinados con otros componentes
(Quian, 2000; Wagner et al., 1998). Las potenciales aplicaciones biológicas de los
NTC de pared simple y múltiple (NTCPS y NTCPM) incluyen la cristalización de
18
proteínas (Balavoin et al., 1999), inmovilización de las especies biológicas con
NTCPS y NTCPM como biosensor potencial (Guo et al., 1998), bioelectrónica en
nanomateriales (Mcdonal et al., 2005) y estudios sobre la electrorespuesta en el
hinchamiento y las características de la gelatina inmovilizada con NTCPM (Sajjad et
al., 2007).
2.4.1.5 Dispersión en polímeros
La aplicación y potencial biológico de los NTC han sido escasamente probados
debido a su reciente descubrimiento (Georgakilas et al., 2002). La principal barrera a
vencer en lo que se refiere a la aplicación biológica de los NTC, es su
biocompatibilidad y solubilidad en soluciones acuosas.
El uso de disolventes es un factor muy importante para la dispersión de nanotubos
de carbono en cualquier medio acuoso; debido a la fuerza de atracción que existe
entre ellos, los hace insolubles en cualquier líquido. Sin embargo, existen varios
disolventes que se han utilizado en experimentaciones para maximizar la dispersión
de nanotubos de carbono en el reforzamiento de polímeros. Entre ellos, el uso de
surfactantes aniónicos, como el dodecil sulfato de sodio (DDS)(molécula anfifílica
que tiene una cadena de 12 átomos de carbono, pegadas a un grupo de sulfato)
cumple la función de reducir la tensión superficial y facilitar la solubilidad de los NTC
en medios acuosos (Sánchez, 2007).
Como se ha descrito anteriormente, los NTC son altamente insolubles en medios
acuosos y en la mayoría de los disolventes comunes; sin embargo, mediante el
acoplamiento de grupos químicos en la superficie, en los extremos y en la cavidad
interna, pueden volverse solubles en disolventes orgánicos y en soluciones acuosas.
A este proceso se le llama funcionalización y los NTC funcionalizados, pueden ser
posteriormente conjugados con aminoácidos, péptidos bioactivos, proteínas y otras
moléculas; encontrando así un gran número de aplicaciones biológicas potenciales
(Pompeo y Resasco, 2002; Dieckmann et al., 2003; Bianco y Prato, 2006). El uso de
surfactantes en NTC funcionalizados con soluciones ácidas (Rausch et al., 2010) y
19
en soluciones acuosas con quitosano a diferentes valores de pH (Yeong et al., 2010),
han mostrado buenos resultados para su dispersión.
20
III. JUSTIFICACIÓN
El uso indiscriminado de empaques plásticos, ha derivado en su acumulación como
desecho en el medio ambiente, siendo una de las principales fuentes de
contaminación en el mundo, ya que la gran mayoría de éstos materiales son
derivados del petróleo y se degradan en tiempos muy prolongados. Es por ello que
ha surgido la iniciativa de producir materiales menos nocivos con el medio ambiente,
que tengan el atributo de ser biodegradables y que puedan reducir y sustituir
parcialmente el uso de plásticos sintéticos. En este sentido, el uso de la gelatina para
la elaboración de biopelículas es una alternativa, ya que es una macromolécula con
expectativas como material de empaque, debido a que es una fuente renovable y de
bajo costo, que combinada con plastificantes como el glicerol, ha derivado en
películas menos quebradizas y más flexibles. Sin embargo, una desventaja de incluir
biopolímeros para la elaboración de plásticos es que el material es frágil y se limita
su eficiencia de uso en comparación con la de un plástico convencional al cien
porciento. Se ha reportado que los nanotubos de carbono (NTC) son materiales que
poseen flexibilidad, alta dureza y capacidad para deformarse reversiblemente, lo que
da la posibilidad de ser usados en matrices poliméricas. Por lo anteriormente
descrito, se pretende incorporar NTC y desarrollar películas nanoestructuradas, a
partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono, con el objetivo de
combinar las propiedades individuales que tienen cada uno de ellos, con la finalidad
de obtener películas que presenten adecuadas propiedades mecánicas, y que en
gran medida, compitan y sustituyan gradualmente a los empaques sintéticos.
21
IV. OBJETIVOS
4.1 General
Evaluar el efecto de la incorporación de nanotubos de carbono a películas
elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol en las propiedades físicas,
fisicoquímicas, estructurales y mecánicas de éstas.
4.2 Específicos
• Preparar dispersiones acuosas de nanotubos de carbono a diferentes
concentraciones, empleando un surfactante aniónico (Dodecil Sulfato de
Sodio), para su posterior integración a la matriz polimérica.
• Elaborar películas a través del método de vaciado en placa (“Casting”), a partir
de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.
• Caracterizar las películas realizándoles pruebas fisicoquímicas, físicas y
mecánicas.
• Analizar la estructura de las películas.
V. HIPÓTESIS
La inserción de nanotubos de carbono en películas elaboradas a base de gelatina y
glicerol, modifica la estructura de la matriz polimérica y con ello, las propiedades
físicas, fisicoquímicas y mecánicas de tales películas.
22
VI. MATERIALES Y MÉTODOS
6.1 Materiales
Para la elaboración de las películas se utilizó gelatina comercial de origen animal
(tipo “B”) de 225° Bloom (Sigma-Aldrich, USA); glicerol (de grado analítico) (Fermont,
México D. F.); nanotubos de carbono (NTC) proporcionados por la ENCB-IPN, con
características de pared múltiple (NTCPM) y dodecil sulfato de sodio (Reasol,
México).
6.2 Métodos
6.2.1 Dispersión de NTC mediante el uso de dodecil sulfato de sodio (DSS) en
medio acuoso
Los nanotubos de carbono fueron llevados a sonicación (homogeneización
ultrasónica) con la finalidad de reducir el diámetro medio de las partículas, además
de aumentar la cantidad de partículas individuales. El empleo de disolventes, como el
dodecil sulfato de sodio (DSS) maximiza la dispersión de NTC en soluciones acuosas
(Sánchez, 2007).
Se modifico el método propuesto por Sánchez (2007), el cual utilizó un baño
ultrasónico y un sonicador tip por un tiempo de 4 y 2 h respectivamente, para
dispersar los NTC e incorporarlos a películas de polivinil alcohol, en este caso solo
se utilizo un baño ultrasónico (BRANSON, México D.F., México). Por un tiempo de 4
h y se llevaron a sonicación tres diferentes concentraciones de NTC (0.001%,
0.002% y 0.004 % p/p) en solución acuosa (20 mL de agua desionizada) con DSS (a
la misma proporción que los NTC, respectivamente (Figura 5)), manteniendo la
temperatura menor a 60°C, ya que por encima de esta temperatura se puede dañar
la estructura de los nanotubos de carbono.
23
a) b) c)
Figura 5. Dispersión de nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM) a
diferentes concentraciones a) 0.001 % p/p, b) 0.002 % p/p y c) 0.004 % p/p en
solución acuosa con DSS.
6.2.2 Elaboración de películas por vaciado en placa (“Casting”)
La gelatina es insoluble en agua fría, pero es fácilmente soluble en agua tibia.
Cuando la gelatina es añadida al agua fría, las partículas se hinchan absorbiendo
varias veces su peso en agua y una vez hidratadas, se disuelven fácilmente en
solución a una temperatura de 60 ºC (Gelita, 2011).
Se elaboraron cuatro tipos de películas considerando el método de vaciado en placa
(“Casting”) con las formulaciones siguientes: GG) gelatina/glicerol; GGNTC1),
GGNTC2), GGNTC4) gelatina/glicerol y NTC al 0.001,0.002 y 0.004% p/p
respectivamente, el cual consistió en preparar una solución de gelatina (previamente
hidratada) y glicerol (3% y 1% (p/p) respectivamente), se calentó hasta 60 °C con
agitación (125 rpm), a una velocidad de calentamiento constante (3 °C/min),
posteriormente, se le incorporaron a la solución formadora de película los NTCPM
dispersados a diferentes concentraciones y se sonicaron por un tiempo de 2 h, de
24
acuerdo a la metodología propuesta por Sajjad et al. (2007). Las películas fueron
preparadas por casting; la solución formadora de película se vació inmediatamente
sobre cajas Petri estériles de poliestireno (de 114 X 20 mm). Las suspensiones del
nanocompuesto se secaron a 60 °C en una estufa durante 48 h y las películas
elaboradas fueron obtenidas y guardadas en desecador a temperatura y humedad
constantes, para su posterior caracterización.
6.2.2.1 Acondicionamiento de las películas
Previo a los análisis, las películas fueron acondicionadas por 7 días en un desecador
a una temperatura de a 25 ± 2 °C a una humedad relativa (HR) (57 ± 2%),
conteniendo una solución saturada de Bromuro de sodio (NaBr) (Fermont, México).
6.2.2.2 Grosor de las películas
Se utilizó un micrómetro digital (Fowler, Massachussets, USA), para medir el grosor
de las películas. Se tomaron 10 mediciones en varios puntos de las películas,
calculando posteriormente el promedio para cada muestra.
6.3 Estructura de las películas
6.3.1 Análisis de imágenes
Las técnicas de análisis de imágenes (AI) pueden caracterizar cuantitativamente
características físicas como tamaño, morfología y propiedades de textura de
cualquier imagen digital. Generalmente la técnica de análisis de imágenes consiste
en cinco etapas: 1) adquisición de la imagen, 2) pre-procesamiento, 3) segmentación
4) extracción de características y 5) clasificación (Pedreschi y col., 2004). Los
parámetros que caracterizaron la textura de las películas fueron: Entropía (parámetro
que mide el grado de desorden o irregularidad de una imagen); dimensión fractal de
superficie (indica una superficie homogénea/heterogénea) y textura, que es una
medida que se relaciona con la rugosidad de una superficie de intensidad formada a
25
partir de una imagen; además, se calculó el porcentaje de área ocupada por los NTC
en la matriz polimérica (Monedero, 1999).
Se capturaron imágenes con un microscopio estereoscópico (NIKON modelo SMZ
1500, Japón) acoplado a una cámara digital (MTI modelo 3CCD, Dage-MTI Inc.,
Michigan, USA), utilizando una iluminación con luz transmitida, un filtro de 0.5 y 1.5X
con un aumento de 0.75, sin espejo y un formato de imagen Tif. Se capturaron 30
fotografías por cada muestra. El pre-procesamiento de cada imagen consistió en
segmentar la imagen en 480 x 480 px, convirtiéndola a 8 bits en escala de grises.
Posteriormente se calcularon los parámetros texturales; porcentaje de área ocupada
por nanotubos de carbono sobre área de la película, entropía, dimensión fractal de
textura y superficie. Las imágenes obtenidas fueron procesadas en el programa
imageJ.
6.3.2 Difracción de rayos X
Las estructuras atómicas ordenadas están presentes en una gran variedad de
materiales y éstas pueden apreciarse mediante patrones de difracción que se
presentan por la interacción de ciertas longitudes de onda, como los rayos X. Cuando
una muestra es difractada, un difractor de rayos X transforma esa señal en
intensidades que son una función del ángulo Bragg “2 θ”.
Los difractogramas se obtuvieron en un difractómetro Siemens D5000, operado con
una diferencia de potencial de 40 Kv y una intensidad de corriente de 30 mA,
equipado con una línea de radiación de Cu Kα. Las muestras de película se cortaron
en dimensiones de 1.5 x 2 cm y se colocaron en un portamuestra de aluminio para su
medición y se hizo el barrido en un intervalo angular de 3-40 grados (2θ) con un paso
angular de 0.05º y en un tiempo de conteo por paso angular de 15 s. El porcentaje de
cristalinidad se calculó siguiendo el método de Hayakawa et al. (1997) y Manful et al.
(2008), en donde se utilizó el área total del pico de cristalinidad del patrón de
difracción usando una línea base calculada entre 8 y 30°. El porcentaje de
cristalinidad fue calculado utilizando la siguiente ecuación:
26
6.4 Propiedades físicas
6.4.1 Determinación de color en las películas
A través del sistema CIE-LAB (L* a* b*), se pueden relacionar la respuesta del ojo
humano al color. Este sistema define un espacio cromático en coordenadas
rectangulares, donde L* indica los grados de luminosidad, de 0 para el negro a 100
para blanco; a* indica el grado de rojo (+a*) y de verde (-a*); y b* indica el grado de
amarillo (+b*) y de azul (-b*) con los que se obtiene el cálculo de croma (C) y ángulo
hue (°h) que son análogos a la intensidad, saturación y tonalidad del color (Ihl et al.,
1994;Giese, 1995).
El color de las películas se determinó utilizando un Colorímetro Universal Milton Roy
modelo Color Mate, con un iluminante D65 y un ángulo de observación de 10 º. El
equipo se calibró con un estándar de color blanco. Las lecturas se tomaron de puntos
aleatorios sobre la superficie de las muestras de películas. Se registraron un
promedio de 5 lecturas por muestra. Las lecturas se reportaron en el sistema CIELAB
(L*, a*, b*). Los parámetros de cromaticidad (C) y ángulo hue (°h) se calcularon
aplicando las siguientes ecuaciones:
C = (a*2 + b*2)1/2 [2]
0h = tan-1(b*/a*) cuando a* > 0 y b* ≥ 0 [3]
0h = 180 + tan-1 (b*/a*) cuando a* < 0 [4]
Las mediciones del color se realizaron por triplicado para cada tipo de película.
27
6.4.2 Determinación del contenido de humedad de las películas
El contenido de humedad de las películas se determinó de acuerdo al método 14.004
de la AOAC de 1980, midiendo la pérdida en peso de las películas, para esto, se
pesaron 0.5 g de las películas las cuales se secaron en una estufa a 110 ºC durante
2 h. Las muestras se analizaron por triplicado. El contenido de humedad (%) se
calculó mediante la siguiente ecuación:
% Humedad = [(Peso inicial de la muestra/peso seco de la muestra) – 1] x 100 [5]
6.4.3 Determinación de actividad de agua de las películas
Se utilizó un medidor de actividad de agua (AQUA LAB 4TE, USA), para medir la
actividad acuosa de las películas y los resultados fueron un promedio de tres
mediciones por muestra (Método 978.18 de la AOAC de 1980).
6.4.4 Permeabilidad al vapor de agua (PVA)
El deterioro de la calidad de los alimentos, se debe a los cambios fisicoquímicos ó a
reacciones químicas provocadas por fenómenos de transferencia de masa, entre el
alimento y el medio que lo rodea, o en el interior del producto (Morillon et al., 2002).
Determinar la sensibilidad al agua, es un parámetro importante para poder conocer
las posibles aplicaciones de un producto elaborado a partir de proteínas.
La permeabilidad al vapor de agua de las películas (PVA) se determina comúnmente
por el método modificado de la ASTM, E-96-80 (ASTM, 1989), conocido como el
método de la “copa” o “celda de prueba” que consistió en lo siguiente: las películas
se acondicionaron en una celda con una atmosfera que tenía 57% de HR,
posteriormente, se colocaron de manera tal que se sellara la parte superior de las
celdas de permeación, sobre una abertura circular de 0.0005439 m2. Para mantener
un gradiente de HR a través de las películas, se colocó sílica gel dentro de la celda
de permeación (0.11 %) y las celdas fueron colocadas dentro de un desecador que a
su vez contenía una solución saturada de NaCl (75 % HR). La ganancia de peso se
28
determinó gravimétricamente cada hora, hasta el momento que se alcanzó el
equilibrio.
Después de la prueba de permeación, se midió el espesor de las películas y la PVA
(g Pa-1s-1m-1) fue calculada mediante la siguiente ecuación:
( [6]
Donde: S=Presión de vapor saturado del agua a la temperatura de prueba, R1, es la
HR del desecador, R2, la HR de la celda de permeación y d es el espesor de la
película (mm).
6.4.5 Determinación del porcentaje de solubilidad de las películas
El porcentaje de solubilidad de las películas se determinó de acuerdo a la
metodología propuesta por García et al. (2004), la cual consistió en cortar piezas de
cada película con las dimensiones de 2 cm x 3 cm y se almacenaron en un
desecador a una humedad relativa cercana al 0 % (provista por sílica gel) durante 7
días. Después de este tiempo, las muestras se pesaron y cada una se colocó en un
vaso de precipitados de 100 mL y se les agregaron 80 mL de agua desionizada. Las
muestras se mantuvieron en agitación constante (125 rpm) por 1 h a temperatura
ambiente (25 ºC) o a temperatura de ebullición (80 ºC). Transcurrido el tiempo de
agitación, las piezas de películas se secaron en una estufa a 60 ºC durante 2 h. El
porcentaje de materia soluble (% solubilidad) se calculó de la siguiente manera:
%solubilidad = [(Peso inicial seco – Peso final seco)/Peso inicial seco] x 100 [7]
Las muestras se analizaron por triplicado.
29
6.5 Caracterización fisicoquímica
6.5.1 Calorimetría diferencial de barrido (CDB)
Se utilizó un calorímetro diferencial de barrido (CDB) marca TA modelo 2010 (TA
Instruments, New Castle, DE), conectado a una computadora para el control y
análisis de datos. El equipo se calibró con Indio, el cual tiene un punto de fusión de
156.4 ºC y una entalpía H= 6.8 cal/g. Posteriormente se determinó la temperatura
(Tf) y la entalpía (ΔH) de fusión de las películas, calentando las muestras de
temperatura ambiente hasta 250 ºC.
Por otro lado, se determinó la temperatura de transición vítrea (Tg) en las películas,
para lo cual, se pesaron 2.1 ± 0.03 mg de las películas, en una micro balanza
(modelo AD2Z, Perking-Elmer Corp., St Louis, MO, USA), con una precisión de ±
0.01 mg y se colocaron en charolas de aluminio que fueron selladas mediante una
prensa mecánica. La medición se realizó enfriando la muestra de película a -150 ºC y
a continuación calentando hasta 250 ºC. Este procedimiento se realizó tres veces a
cada muestra. Los parámetros térmicos fueron calculados de los resultados de la
segunda corrida, con el programa TA Instruments Universal Analysis 2000.
6.6 Propiedades mecánicas de las películas
Las pruebas mecánicas consistieron en ensayos de tensión para la determinación
de la tensión a la fractura (TF), el porcentaje de elongación (% E) y el módulo de
elasticidad (ME). Para determinar la resistencia de las películas a la tensión, las
pruebas se realizaron de acuerdo con el método estándar de la ASTM, D-882-95a
(ASTM, 1995) en un equipo de textura TAXT2i (Stable Micro Systems, Surrey, UK)
usando una celda de carga de 25 kg. Para la prueba de tensión, las muestras de
películas se cortaron en rectángulos con las medidas de 10 cm de largo por 1 cm de
ancho. Los rectángulos de las películas se mantuvieron por al menos 5 días en
desecadores, los cuales contuvieron una solución salina saturada de NaBr (57 %
HR). El espesor de cada uno de los rectángulos se determinó usando un micrómetro
manual electrónico (Fowler, Massachussets, USA) en 10 posiciones aleatorias a lo
30
largo del rectángulo. El promedio de estas determinaciones se utilizó para calcular el
área de sección transversal sobre la cual se ejerció la fuerza de tensión. Una vez
determinado el espesor promedio de cada uno de los rectángulos de las películas, se
procedió a colocarlas entre las mordazas de sujeción del equipo en un rectángulo
representativo de la película. La separación entre las pinzas fue de 6 cm. Se
colocaron 2 cm del rectángulo de película en cada una de las pinzas de sujeción. Se
utilizó una velocidad de deformación de 24 mm min-1. El esfuerzo de tensión se
calculó por la división de la fuerza máxima sobre la película durante la fractura, entre
el área de sección transversal (espesor por el ancho). El porcentaje de elongación a
la fractura se calculó por la medición de la extensión máxima de la película, entre la
separación final e inicial de las pinzas. El módulo de elasticidad se calculó con la
pendiente que se formó durante el comportamiento lineal de la curva de esfuerzo-
deformación.
6.7 Análisis estadístico
Se utilizó un análisis de varianza (ANDEVA) a un nivel de significancia del 5 %
(α=0.05). Para la obtención de los resultados se utilizó el paquete estadístico Sigma
Plot (Germany, versión 11.0 para Windows). Cuando se encontraron diferencias
significativas entre las medias, se aplicó la prueba de comparación múltiple de
Tukey.
31
VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
7.1 Grosor de las películas
El grosor entre las películas (Cuadro 1), no mostró diferencias estadísticas
significativas (p˃0.05), esto debido principalmente al uso de la misma cantidad de
solución filmogénica (en mililitros) vaciada en la placa y a una previa nivelación de la
estufa, donde fueron secadas las películas. La importancia de determinar este
parámetro, fue debido a que se utilizó en los cálculos de algunas pruebas de
caracterización de las películas elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol
y nanotubos de carbono.
Cuadro 1. Resultado del análisis de grosor de las películas elaboradas a partir de un
compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
Muestra Grosor (mm)*
GG 0.43 ± 0.02a
GGNTC1 0.48 ± 0.01a
GGNTC2 0.49 ± 0.01a
GGNTC4 0.46 ± 0.01a *Media aritmética de diez repeticiones ± error estándar. Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05).
7.2 Color de las películas
La evaluación de color es importante ya que es un parámetro de calidad en las
posibles aplicaciones industriales de las películas. Se observaron diferencias
significativas (p<0.05) entre el valor de luminosidad (L*) de todas las películas
elaboradas (Figura 6). La película GG, elaborada a partir de gelatina bovina, mostró
un valor de L* de 84.50 (tendiente al blanco).
32
Muestra evaluada
GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4
Fa
cto
r d
e L
um
ino
sid
ad
(L
*)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
84.50
61.10
42.4939.02
a
b
d
c
Figura 6. Evaluación del color en las películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono (utilizando el factor de luminosidad L* del
sistema CIELAB, 1976). Barras de error estándar con letras iguales no son
estadísticamente significativas (p˃0.05).
33
Este resultado fue similar al reportado por Vásquez (2005), quien obtuvo un valor de
L* de 84.20 en películas elaboradas a base a gelatina de pescado. Por lo tanto, la
transparencia de las películas elaboradas a partir de gelatina, depende de la fuente
de donde esta fue obtenida (bovina, porcina, de peces o aves) y de la fuerza del gel
(bloom). Beldin (1993) menciona que la gelatina de piel de cerdo, generalmente tiene
menos color que aquellas obtenidas de hueso de otras fuentes. Además, se ha
reportado que en los productos en los que no se desea influencia en el color, se
utilizan gelatinas con un alto valor bloom, ya que el típico color amarillento de la
gelatina disminuye conforme el valor bloom se incrementa (Gelita, 2011).
En general, la película GG presentó el valor de L* más alto, mientras que la adición
de NTC y su incremento, originó que el valor de L* disminuyera, obteniéndose en la
película GGNTC4 el valor más bajo (39.02), indicando un material de color menos
claro, como se puede observar en la Figura 7. Lo anterior sugiere que las variaciones
en el parámetro de color L*, se debieron a que los NTC adicionados a la matriz
polimérica confirieron en diferente proporción, el color negro propio del carbón al
sistema, dicho color se forma por la descomposición térmica o combustión
incompleta de hidrocarburos (Doerner, 1984). Actualmente, se pueden encontrar
películas en diversos colores (amarillas, negras, transparentes etc.), por lo que se
considera que la disminución en el valor de L* de las películas con NTC, y
dependiendo de la aplicación que se dé a la misma, su aceptación pudiera ser viable,
puesto que se podrían emplear como materiales de empaque en productos que
solamente requieran estar protegidos de factores físicos contaminantes, como son el
polvo o los insectos.
La película control (GG) tuvo el menor valor de a* y el mayor de b* (Cuadro 2). Se
observó una tendencia inversa en las películas con NTC, ya que al incrementar su
concentración, los valores de a* y b* aumentaban y disminuían respectivamente,
indicando que el color de las películas se ubicó en el cuadrante rojo-amarillo. Los
valores obtenidos de Croma (C*) mostraron tendencias similares a las de b*. La
película control (GG) tuvo el mayor valor de C* y se observó una disminución en las
películas con NTC, lo que indica que el color en estas películas estuvo menos
34
saturado que en la película control (GG). El valor del ángulo hue (°h), que indica la
tonalidad del color, fue mayor en la película control GG que en las películas con
NTC. Un ángulo hue de 90 es indicativo del color amarillo puro, y es aquí donde se
situaría la película control. Las películas con NTC presentaron un color amarillo
rojizo.
35
Figura 7. Películas elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y
nanotubos de carbono. a) GG, b) GGNTC1, c) GGNTC2 y d) GGNTC4
36
Cuadro 2. Parámetros a*, b*, croma (C) y ángulo hue (ºh) de las películas
elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
Muestra a*1 b*1 C1 ºh1
GG 0.20 ± 0.06a 27.81 ± 0.95a 27.81 ± 0.44a 89.57 ± 0.14a
GGNTC1 0.92 ± 0.10b 22.77 ± 0.16b 22.79 ± 0.06b 87.68 ± 0.24b
GGNTC2 1.18 ± 0.06bc 13.67 ± 0.41c 13.72 ± 0.02c 85.05 ± 0.19c
GGNTC4 1.44 ± 0.10c 9.64 ± 0.17d 9.74 ± 0.11d 81.52 ± 0.47d
1Media aritmética de tres repeticiones ± error estándar
Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05)
37
7.3 Contenido de humedad y actividad de agua en las películas
Como se puede observar en el Cuadro 3, el contenido de humedad y la actividad de
agua (Aw) en las películas no mostraron diferencias significativas (p˃0.05), no
habiendo efectos considerables por la adición de NTC. La evaluación del contenido
de humedad es importante debido al efecto anti-plastificante de los polímeros, esto
influye en las interacciones polímero-polímero y consecuentemente, en las
propiedades fisicoquímicas y funcionales de las películas durante el procesamiento y
almacenamiento (Slade y col., 1989). Además, su distribución no es proporcional y
se le conoce como agua de hidratación, ya que está ligada a las proteínas (Cybulska
y Doe, 2002). Sin embargo, se ha reportado que el aumento en la humedad de las
películas, puede atribuirse a la presencia de plastificantes, lo que confiere a la
película mayor tendencia a hidratarse y aumentar su carácter hidrofílico (Mali y col.,
2002).
Por otra parte, los valores de Aw se encontraron en el intervalo de 0.36-0.37 para la
película GG y las elaboradas con NTC respectivamente. La Aw representa el agua
disponible para la realización de reacciones químicas, enzimáticas y microbiológicas
(Rahman y Sablani, 2009) según su contenido de la misma, en el intervalo de 0 a 1.
De manera análoga, la importancia de evaluar la Aw en las películas biodegradables,
radica en el sentido de medir cuantitativamente su vida útil y degradabilidad.
De acuerdo a lo anteriormente descrito, productos con una Aw=0.3, como es el caso
de las películas en estudio, serian probablemente susceptibles a la actividad
enzimática. Esto podría sugerir condiciones de almacenamiento, con el propósito de
conservar las propiedades propias de las películas. Además, se podría predecir que
la degradación de las películas seria principalmente por la acción de enzimas en
base a la actividad de agua que presentan.
38
Cuadro 3. Análisis de humedad y actividad de agua de las películas elaboradas a
partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
Muestra % Humedad* Aw*
GG 14.38 ± 0.17a 0.36 ± 0.01a
GGNTC1 14.35 ± 0.60a 0.37 ± 0.01a
GGNTC2 14.21 ± 0.09a 0.37 ± 0.01a
GGNTC1 14.53 ± 0.40a 0.37 ± 0.01a
*Media aritmética de tres repeticiones ± error estándar Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05)
39
7.4 Permeabilidad de vapor de agua en las películas
Es bien conocido que los polisacáridos y las proteínas son buenos formadores de
películas, además, estas resultan efectivas como barreras frente a gases (O2 y CO2),
pero la velocidad de transmisión de vapor de agua es dentro de los intervalos
conocidos, elevada (Arvanitoyannis et al., 1998 b). En la Figura 8 se observan los
resultados de la determinación de permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las
películas estudiadas. Se observó un aumento significativo en la PVA (p<0.05) en la
películas GGNTC4 y GGNTC2 con respecto a las demás muestras. Esto puede
atribuirse en primer instancia, a la plastificación que el glicerol ejerce en las películas,
ya que por su hifrofilicidad, hace más fácil la interacción con las moléculas de agua,
haciéndolas más móviles, causando que la movilidad promedio de las moléculas de
agua en la matriz aumenten y tiendan a emigrar a la superficie de la película, dando
como resultado un aumento de la PVA (Park, 1993; McHugh, 1994). Por otro lado, es
probable que el DSS utilizado previamente en la dispersión de los NTC, modificó el
área de contacto y esto posiblemente se asocia al aumento del carácter hidrofílico de
las películas, lo que también llevó a un aumento del porcentaje de solubilidad
determinado a 25°C y a 80°C (Figura 9).
La película GG mostró los valores más bajos de PVA, esto se atribuye a que la
película posee una estructura más compacta, evitando así el paso de agua a través
de esta. Se observó un efecto directamente proporcional a la concentración de los
NTC, ya que al aumentar esta, se incrementaron los valores de PVA, esto implica
que posiblemente la cristalinidad en estas películas disminuyó (ver 7.7), ocasionando
el aumento de los espacios libres en su estructura, promoviendo así el paso del agua
a través de las películas. Los valores aquí reportados son similares con los obtenidos
por Gennadios et al. (1994) en películas elaboradas a base a gluten de trigo
(proteína) usando glicerol como plastificante (7.0 x 10-10 g.m-1.s-1.Pa-1) y a los
encontrados por Rivero et al. (2010) en películas de gelatina a diferentes
concentraciones de glicerol (3.87 x 10-10 g.m-1.s-1.Pa-1).
40
Existen otros factores no menos importantes que afectan el aumento o disminución
de la PVA de las películas, como son el grado de cristalinidad del polímero, la
presencia de un plastificante durante su elaboración, el tamaño y forma de la
molécula, el espesor y presencia de poros, grietas ó fracturas en la película. El
transporte de vapor a través del polímero también aumenta en función de la
humedad relativa, la cual trae como consecuencia el hinchamiento del material y en
consecuencia, la permeabilidad aumenta rápidamente (Pascat, 1986).
41
Figura 8. Permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las películas elaboradas a partir
de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. Barras de error estándar
con letras iguales no son estadísticamente significativas (p˃0.05).
Muestra evaluada
GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4
PV
A x
10
-10(g
/ m
.s.P
a)
0
2e-10
4e-10
6e-10
8e-10
a
a
c
b
2.53 2.99
5.75
7.38
42
7.5 Solubilidad en las películas
La solubilidad en agua es una propiedad importante de las películas. La solubilidad
de proteínas depende de que las interacciones proteína-disolvente tengan una menor
cantidad de energía libre que la suma de las interacciones proteína - proteína y
disolvente - proteína (Mangino, 1984).
El porcentaje de solubilidad de las películas estuvo dentro del intervalo de 11.49-
34.21% para la solubilidad determinada a 25 ºC (Figura 9). Las películas elaboradas
con NTC presentaron los mayores porcentajes de solubilidad, esto pudo deberse a la
adición del DSS, el cual impartió cierto carácter hidrofilíco a la película, lo que la hace
más soluble en agua. Mahmoud y Savello (1993), también observaron el aumento de
la solubilidad en películas a base de proteínas y esto puede explicarse como un
resultado de la disminución de las interacciones de las proteínas en la matriz
polimérica, lo cual sugiere que la adición de NTC interactúa con el sistema
multicomponente gelatina-glicerol y agua.
El porcentaje de solubilidad, determinado a la temperatura de 80 ºC fue de 19.58 %
para la película GG, incrementándose al intervalo de 26.34-46.91% para las películas
con NTC. Estos porcentajes de solubilidad a 80 ºC fueron mayores que los valores
de solubilidad a 25 ºC, el mismo comportamiento se ha observado previamente en
películas a base de hidrocoloides (García y col., 2004). El porcentaje de solubilidad
determinado a 80 ºC, presentó la misma tendencia que el observado a 25 ºC, es
decir, fue menor para la película GG y aumentó a medida que se incrementó el
porcentaje de NTC. Además, la evaluación de la solubilidad en agua de las películas
es un factor importante para evaluar la degradabilidad, ya que a que a mayor
solubilidad, los polímeros son más susceptibles a la degradación, pues sus
componentes serian más fáciles de hidrolizar y por consecuencia, ser convertidos a
moléculas más pequeñas.
43
Figura 9. Porcentaje de solubilidad de las películas elaboradas a partir de un
compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono, determinado a 25 ºC y 80 ºC.
Barras de error estándar con letras iguales no son estadísticamente significativas
(p˃0.05).
Muestra evaluada
GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4
So
lub
ilid
ad
(%
)
0
10
20
30
40
50
60
Solubilidad (%) a 25°C
Solubilidad (%) a 80°C
11.49
19.5817.21
26.34 26.08
34.99 34.21
46.91
a
a b
b c
c d
d
44
7.6 Propiedades mecánicas de las películas
En general, se ha observado que las propiedades mecánicas y de barrera de las
películas basadas en proteínas, son superiores a las que presentan las películas de
polisacáridos (Iwata et al., 1993). En la evaluación de las propiedades mecánicas de
las películas elaboradas de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono,
se evaluó el módulo de elasticidad (ME), tensión a la fractura (TF) y el porcentaje de
elongación (%E).
Se observa en la Figura 10, una disminución progresiva de la TF al aumentar la
concentración de NTC, al igual que en el ME (Figura 11), aunque en ambos casos, no
se observaron diferencias significativas entre las muestras (p˃0.05). La película GG
mostró la típica característica de los materiales frágiles y rígidos, ya que exhibe altos
valores de TF y bajos valores de %E. Tendencias similares se han encontrado en
películas de gelatina sin o con baja concentración de plastificante (Rivero et al., 2010)
y en formuladas de gelatina con hidroxipropil almidón y mezclas de almidón con
caseinato de sodio (Arvanitoyannis et al., 1998a; Arvanitoyannis y Biliaderis, 1998).
En general, la tensión a la fractura disminuyó ligeramente a medida que se
incrementó la concentración de NTC en las películas, esto pudo deberse a que aún
cuando no en grado significativo, los NTC confirieron menor integridad estructural a la
matriz polimérica, lo que causó la disminución en la fuerza necesaria para producir la
fractura en la película.
La tendencia observada en él %E (Figura 12) fue inversamente proporcional a la TF y
ME, es decir, el %E se incrementó de la película control GG a la película GGNTC4 en
un 26%, mostrando diferencias significativas entre todas las muestras (p<0.05).
Rivero et al. (2004) reportaron valores del porcentaje de elongación en el intervalo de
0 a 180% en películas elaboradas con gelatina sin plastificar y plastificadas con 0 a
100 % (p/p), de glicerol respectivamente; ellos atribuyeron el aumento significativo en
el %E, al efecto plastificante del glicerol en las películas.
45
Posiblemente, el aumento en el porcentaje de elongación fue debido a que los NTC,
al igual que el glicerol, interfieren con el arreglo de las cadenas del polímero y con los
enlaces de hidrógeno, además, disminuyen la interacción del polímero y la
cohesividad, afectando ambos la cristalinidad y con ello; la modificación del patrón
mecánico, que corresponde al de un material dúctil y flexible.
46
Figura 10. Tensión a la fractura de las películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. Barras de error estándar con letras iguales
no son estadísticamente significativas (p˃0.05).
Figura 11. Módulo de elasticidad de las películas elaboradas a partir de un
compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. Barras de error estándar con
letras iguales no son estadísticamente significativas (p˃0.05).
Muestra evaluada
GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4
Ten
sió
n a
la f
ractu
ra (
Mp
a)
0
5
10
15
20
25
30
35
24.91
22.73
18.56
19.91
a
a
a
a
Muestra evaluada
GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4
Mó
du
lo e
las
tic
o (
MP
a)
0
5
10
15
20
25
16.35
14.10
12.52
11.70
a
a
aa
47
Figura 12. Porcentaje de elongación de las películas elaboradas a partir de un
compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. Barras de error estándar con
letras iguales no son estadísticamente significativas (p˃0.05).
Muestra evaluada
GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4
% d
e E
lon
gac
ión
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
a
139.73
146.09 146.28
166.43a a
b
48
7.7 Difracción de rayos X
En la Figura 13 se muestran los difractogramas obtenidos de las películas. En estos
patrones se observan picos de absorción que representan la cristalinidad del material
y una zona amorfa; a mayor cantidad de zona amorfa, la cristalinidad de la muestra
es menor y viceversa. La gelatina tipo B usada en este trabajo para la elaboración de
las películas, presentó un patrón de difracción de rayos X característico de un
material parcialmente cristalino, con un máximo de absorción (pico) ancho localizado
a 2 theta= 20°, de acuerdo a Tanioka et al. (1996), este máximo ó pico, indica la
reconstitución de la estructura triple hélice del colágeno.
La película GG mostró un pico a 2 theta a los 8°, al ser este pico muy pronunciado,
tiene una mayor intensidad, dicho pico se encuentra relacionado al diámetro de la
triple hélice y su intensidad también se asociaría al contenido de triple hélice en las
películas (Bigi et al., 2004). Este patrón de cristalinidad no fue observado en las
películas con NTC, al no mostrar ningún pico en la misma intensidad en 8°, esto
indica, que las películas con NTC presentaron una disminución de la triple hélice
propia de la gelatina, ya que desaparecen dichos picos de cristalinidad. Los patrones
obtenidos de las películas con NTC fueron similares entre ellos para todas las
concentraciones evaluadas, aunque mostraron una ligera disminución en el
porcentaje de cristalinidad en el intervalo de 83.83-83.44% con respecto a la película
control GG (83.84%). Se pueden atribuir cambios estructurales por la adición de
glicerol a las películas, ya que de acuerdo a Langmaier et al. (2008), este cambio
estructural pudiera asociarse a las propiedades del glicerol, manifestado tanto por su
alta afinidad al agua, como por la interferencia en su interacción con los polímeros.
49
Figura 13. Difractogramas de las películas elaboradas a partir del compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
50
7.8 Parámetros térmicos de las películas
En los termogramas obtenidos (Figura 14), se observó que todas las películas
presentaron una transición endotérmica, el mínimo flujo de calor (pico) ancho
presentado fue disminuyendo al aumentar la concentración de NTC, debido a la
disminución en la cristalinidad de su estructura. Varios autores atribuyen este pico
endotérmico a la superposición de diferentes procesos, como la evaporación del
agua, fusión y recristalización de los cristales de la gelatina (Dai et al.2006;
Langmaier et al, 2008; Patil et al, 2000). La importancia de conocer la temperatura de
fusión (Tf) en las películas, fue el observar la temperatura en la cual ocurre un
probable cambio de sólido cristalino a líquido, ya que implica que los componentes
pasan de estar en un retículo con cierto grado de orden, a desordenarse en un
estado líquido, en consecuencia, aumenta enormemente la movilidad de las
moléculas (Martínez et al., 1999).
Figura 14. Termogramas por calorimetría diferencial de barrido, de las películas
elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.
51
El valor de Tf para la película GG fue de 156°C y disminuyó en función de la
concentración de NTC adicionado, siendo de 132°C para GGNTC4 (Cuadro 4) que
fue significativamente diferente a todas las muestras (p<0.05). Estas temperaturas
fueron similares a las publicadas por Arvanitoyannis et al. (1997) para películas
elaboradas a base de gelatina-almidón-glicerol (115.6-144.2°C) y Rivero et al. (2010)
en películas de gelatina a diferentes concentraciones de glicerol (87.9-132.4°C). Al
presentar la película GG una Tf mayor, su ΔH fue directamente proporcional (40.40
J/g), ya que una mayor entalpía, se puede relacionar con un nivel de cristalinidad
mayor (Jane et al., 1999; Patindol et al., 2002).
La transición vítrea es una transición que se manifiesta en los polímeros
semicristalinos; es decir, polímeros cuyas cadenas no están dispuestas según un
ordenamiento cristalino, sino que están esparcidas en cualquier ordenamiento
azaroso, aún en estado sólido de los polímeros, la cual es importante por su relación
con las propiedades mecánicas de las películas, ya que el comportamiento de los
polímeros a valores bajos de Tg, es de un polímero dúctil, debido a que su estructura
es menos compacta (Kalichevsky y Blanshard, 1993). Algunos autores como
Arvanitoyannis et al. (1997), señalan que es difícil detectar la transición vítrea en
sistemas muy complejos, tales como gelatina-almidón-poliol-agua, en particular a
bajos contenidos de humedad (<7%). En el presente trabajo se pudo detectar la Tg
de las películas (Cuadro 4) que fue mayor para GG, la cual fue significativamente
diferente (p<0.05) al valor de Tg de las otras películas, esto probablemente fue
debido a que esta película presentó un mayor número de picos cristalinos, como fue
observado en el difractograma de la Figura 13. Un efecto diferente se observó en las
películas con NTC al disminuirse la Tg en las películas, este resultado podría
atribuirse a la ligera disminución de miscibilidad entre los NTC y la gelatina. Por otra
parte, en otros trabajos se ha considerado que el contenido de humedad puede
modificar la Tg, de acuerdo a Dai et al. (2006), el agua libre plastifica la fase amorfa
de la matriz, contribuyendo a una depresión de la Tg.
52
Cuadro 4. Parámetros térmicos de las películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
Muestra Tg(°C)* Tf (°C)* ΔH (J/g)*
GG 72.98 ± 0.80a 156.29 ± 0.28a 40.40 ± 0.63a
GGNTC1 57.26 ± 2.89b 153.04 ± 1.95a 37.46 ± 0.88a
GGNTC2 56.32 ± 3.20b 142.95 ± 1.21b 34.82 ± 2.68ab
GGNTC4 54.62 ± 0.84b 132.02 ± 3.32c 28.25 ± 0.99b
*Media aritmética de tres repeticiones ± error estándar Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05) T
f = Temperatura de fusión
ΔH = Entalpía de fusión
Tg= Temperatura de transición vítrea
53
7.9 Análisis de imágenes aplicado a las películas
Las imágenes capturadas de las películas, a las cuales se les procedió hacer un
análisis de imágenes (AI) se muestran en la Figura 15. En cuanto a la dimensión
fractal de superficie (DFS) (Cuadro 5), se observó que la película GG mostró valores
cercanos a uno (por ausencia de pixeles en la imagen), al incorporar NTC a las
películas desde la mínima concentración (GGNTC1=1.56), se tuvo la evidencia de
una superficie irregular que de manera proporcional a la concentración de NTC,
disminuyó hasta presentar valores para GGNTC2 de 1.79 y GGNTC4 de 1.88
respectivamente, valores cercanos a una superficie regular (DFS=2.0).
Adicionalmente, el comportamiento de la dimensión fractal de textura (DFT) (Cuadro
5) incrementó numéricamente de 2.785 para GG a 2.801 para GGNTC4, dejando en
claro que el sistema con mayor concentración de NTC, resultó con una textura más
homogénea, debido al llenado de los espacios vacios en la película de gelatina por
los NTC. La DFS mostró altos índices de correlación con respecto a los parámetros
mecánicos de tensión a la fractura TF (r=0.91) y módulo elástico ME (r=0.98) (Figura
16), señalando que el incremento de la homogeneidad de las películas, por la adición
de NTC, originó tener películas más elásticas.
El porcentaje de área (%A) (Cuadro 5) en la que se encuentran dispersos los NTC
con respecto a la concentración de estos en la película, presentó un coeficiente de
determinación r2=0.98 (Figura 17), evidenciando mediante un análisis de imágenes,
que una pequeña cantidad de NTC (0.004 g) en la película GGNTC4, logró
dispersarse en la matriz de gelatina de manera tal, que estos abarcaron un 44.79%
de la superficie total de la película. Lo anterior sugiere, que según el ordenamiento
de los NTC; aportan soporte, mayor flexibilidad y una naturaleza distinta a las
películas. Tal como se corroboró en la evaluación de las propiedades mecánicas, el
porcentaje de elongación en la película GGNTC4 incrementó en un 26% en
comparación con la película control GG.
54
Cuadro 5. Parámetros texturales obtenidos por análisis de imágenes de películas
elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono
Muestra DFS* DFT* Entropía* %Área*
GG 0.983 ± 0.01a 2.785 ± 0.01a 7.120 ± 0.02a 0.026 ± 0.01a
GGNTC1 1.560 ± 0.02b 2.766 ± 0.01b 9.212 ± 0.05b 18.715 ±1.04b
GGNTC2 1.791 ± 0.01c 2.775 ± 0.01c 10.189 ± 0.01c 34.168 ± 0.43c
GGNTC4 1.886 ± 0.01d 2.801 ± 0.01d 10.414 ± 0.02d 44.795 ± 0.43d
*Media aritmética de tres repeticiones ± error estándar Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05) DFS= Dimensión fractal de superficie DFT= Dimensión fractal de textura
55
a) b)
c) d)
Figura 15. Imágenes de las películas obtenidas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono a)GG, b)GGNTC1,c)GGNTC2 y
d)GGNTC4.
56
Figura 16. Correlación de dimensión fractal de superficie (DFS), con respecto a
parámetros mecánicos de las películas elaboradas a partir de un compuesto
gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.
Figura 17. Porcentaje del área ocupada por NTC en las películas elaboradas a partir
de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.
Muestra evaluada
GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4
% A
rea
0
10
20
30
40
50
r ² = 0.9856
Parámetro mécanico
10 12 14 16 18 20 22 24 26
DF
S
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Módulo elastico
Tension a la fractura
r = 0.9937
r = 0.9160
57
Se obtuvieron altos índices de correlación entre el %A y los valores encontrados de
PVA (r= 0.95) y de L* (r=0.98), con lo que se puede afirmar que al ocupar los NTC
cierta área de la matriz polimérica, muestran una área de contacto diferente a la
película control GG y de aquí, probablemente se derivan los resultados mayores de
PVA en las muestras con NTC. Además, al impedir los NTC el paso de la luz, dan
evidencia de el por qué el factor de luminosidad (L*) disminuyó.
El parámetro de entropía (Cuadro 5) mostró altos índices de correlación (Figura 18)
r=0.93 y r= 0.99 entre los resultados obtenidos de difracción de rayos X y
temperatura de fusión respectivamente; valores que disminuyeron al incrementar la
concentración de NTC en las películas. Con esto se puede inferir que a mayor
concentración de NTC, se tiene una estructura más amorfa dentro de la matriz
polimérica, es decir, a un valor mayor de entropía calculado mediante AI, se tiene un
menor porcentaje de cristalinidad en los patrones de difracción de rayos X, y una
menor temperatura de fusión en las películas.
Figura 18. Correlación de entropía con parámetros de estabilidad de las películas
elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.
Parámetros de estabilidad
20 40 60 80 100 120 140 160 180
En
tro
pia
6
7
8
9
10
11
%Cristalinidad
Temperatura de fusión
r = = 0.9939
r = 0.9332
58
VIII. CONCLUSIONES -El uso de sonicación y de un surfactante aniónico, resultó un método conveniente
para mejorar la dispersión de NTC en la matriz polimérica de la gelatina, para la
formación de las películas.
-Los valores de luminosidad de las películas elaboradas con NTC, fueron más bajos
y cercanos a cero, en comparación con la película control (GG), la cual presentó el
valor más alto; por lo que las películas con NTC fueron más obscuras.
-El contenido de humedad y Aw no mostró cambios significativos en las películas,
independientemente de la formulación.
-En general, se encontró que los NTC causaron un aumento en la PVA de las
películas, disminuyendo la cristalinidad de estas, ocasionando posiblemente el
aumento de los espacios libres en su estructura, promoviendo así el paso del agua a
través de las películas.
- La adición de DSS en la previa dispersión de los NTC, aumentó el porcentaje de
solubilidad de las películas.
- La película GGNTC4 incrementó en un 26% el porcentaje de elongación con
respecto a la película GG, evidenciando la característica de una película dúctil y
flexible.
-Los difractrogramas indicaron que las películas elaboradas con NTC, disminuyeron
ligeramente su porcentaje de cristalinidad, y en consecuencia, el diámetro y el
contenido de la estructura triple hélice, propias de la gelatina disminuyeron.
-La Tf de las películas en las concentraciones de NTC de 2 y 4 % fueron más bajas
en comparación con la película GG, obteniéndose decrementos de alrededor de
20°C. La entalpia de las películas con NTC, disminuyó conforme se incrementó la
concentración de los mismos.
59
-Los parámetros texturales obtenidos por AI, revelaron que las películas con mayor
porcentaje de NTC (GGNTC4), presentaron una superficie más homogénea, más
desordenada, pero con una mayor distribución en la matriz polimérica de gelatina.
.
60
IX. PERSPECTIVAS
Como perspectivas futuras para complementar el presente trabajo; y con la finalidad
de darle más eficiencia a la dispersión de los NTC, se sugiere incorporar NTC
previamente funcionalizados a la matriz polimérica, haciendo dispersiones con
diferentes equipos de sonicación y probando el uso de otro surfactante. Se
recomienda aumentar la concentración de NTC, con la finalidad de observar su efecto
en las propiedades mecánicas y de barrera de las películas.
Por otro lado, se sugiere analizar la estructura de los NTC mediante microscopia
atómica, con el propósito de conocer más a cerca de la estructura interna que
presentan las películas degradables y poder visualizar su posible interacción con la
matriz polimérica. Así mismo, sería interesante realizar pruebas de biodegradación,
ya que de esta manera se podría conocer el tiempo de vida que tienen estas
películas.
Todo lo anterior, sería con la intención de complementar el presente trabajo y así,
tener una idea más clara de la posible aplicación que pudieran derivarse las
películas involucradas.
61
X. LITERATURA CITADA
Alcca, Q. 2008. Estructura y síntesis de los nanotubos de carbono. Universidad
Nacional Mayor de San Marcos. Tesis de licenciatura. Lima. Peru.
AOAC. 1980. Official Methods of Analysis. 10 th. Association of Official Analytical
Chemists. Washington. DC.
Arvanitoyannis, I., Nakayama, A. and Aiba, S. 1998a. Edible films made from
hydroxypropyl starch and gelatin and plasticized by polyols and water. Carbohydrate
Polymers. 36:105–119.
Arvanitoyannis, I., Nakayama, A. and Aiba, S. 1998b. Chitosan and gelatin based
edible films: State diagram, mechanical and permeation properties. Carbohydrate
Polymers. 37:371–382.
Arvanitoyannis, I., Psomiadou, E., Nakayama, A., Aiba, S. and Yamamoto, N. 1997.
Edible films made from gelatin, soluble starch, and polyols, Part 3. Food Chemistry.
60:593–604.
Arvanitoyannis, I. and Biliaderis, C. G. 1998. Physical properties of polyol-plasticized
edible films made from sodium caseinate and soluble starch blends. Food Chemistry.
62:333−342.
ASTM D-882-95a. 1995. Standard Test Methods for Tensile Properties of Thin Plastic
Sheeting.
ASTM E-96-80.1989. Standard methods of test for water vapor transmission of
materials in sheet form.
Audic, J. L., and Chaufer, B. 2005. Influence of plasticizers and crosslinking on the
properties of biodegradable films made from sodium caseinate. European Polymer
Journal. 41:1934−1942.
62
Balavoin, F., Schultz, P., Richard, C., Mallouh, V., Ebbesen, T.W. and Mioskowski C.
1999. Helical crystallization of protein on carbon nanotubes: A first step towards the
development of new biosensor. Angew. Chem. Int. 38:1912–1915.
Baldwin, E. 1994. Edible coatings for fresh fruits and vegetables; present, past and
future. In: “Edible coatings and films to improve food quality”. Edited by Krochta, J.,
Baldwin, E. and Nisperos-Carriedo, M. Ed. Technomic Publishisng Co. USA.
Baughman, R., Zakhidov, A. and De Heer, W. 2002. Carbon nanotubes the route
toward applications. Science. 297: 787-792.
Beldin., A. 1993. Color in oils. Inform. 4:652-653.
Bharadwaj, R. K., Mehrabi, A. R., Hamilton, C., Trujillo, C., Murga, M.,Fan, R. and
Chavira, A. 2002. Structure property relationships in crosslinked polyester clay
nanocomposites. Polymer. 43: 3699–3705.
Bianco, A. and Prato, M. 2006. Can carbon nanotubes be considered useful tools for
biological applications?. Advanced Materials. 15: 1765-1768.
Bigi, A.; Cojazzi, G.; Panzavolta, S.; Roveri, N. and Rubini, K. 2002. Stabilization of
gelatin films by crosslinking with genipin. Biomaterials. 23:4827- 4832.
Bigi, A., Panzavolta, S. and Rubini, K. 2004. Relationship between triple-helix content
mechanical properties of gelatin films. Biomaterials. 25: 5675−5680.
Cao, N., Yang, X. and Fu, Y. 2009. Effects of various plasticizers on mechanical and
water vapor barrier properties of gelatin films. Food Hydrocolloids. 23: 729−735.
Carrero, S.J., Elías, A., Mancilla, R., Arrellín, G., Terrones, H., Laclette, J. and
Terrones, M. 2006. Biocompatibility and toxicological studies of carbon nanotubes
doped with Nitrogen. Nano Letters. 6: 1609-1616.
63
Chapveil, M. 1980. Industrial uses of collagen: In Fundamentals aspects of
biocompatibility. Part 1. Principles of corrosion and degradation of biomaterials.
Willians DF Editions C.R.I. Press, London. England.
CONACYT. Revista de ciencia y tecnología. 2005, No. 94. [En línea] Disponible:
www.conicyt.cl/revista/2005/mayo/html/industriadelplastico.
Cuq, B., Gontard, N. and Guilbert S. 1998. Proteins as agricultural polymers for
packaging production. Cereal Chemistry. 75: 1-9.
Cuq, B., Gontard, N., Cuq, J. L. and Guilbert, S. 1997. Select functional properties of
fish myofibrilar protein-based films as affected by hydrophilic plasticizer. Journal of
Agricultural and Food Chemistry.45: 622−626.
Cybulska, B. and Doe, P.E., 2002. Water and Food Quality Chemical and Functional
Properties of Food Components. CRC Press,London, U.K. 76: 25-49.
Dai, C. A., Chen, Y. F. and Liu, M. W. 2006. Thermal properties measurements of
renatured gelatin using conventional and temperature modulated differential scanning
calorimetry. Journal of Applied Polymer Science. 99:1795−1801.
De Moura, M. R., Aouada, F. A., Avena-Bustillos, R. J., McHugh, T. H., Krochta, J. M.
and Mattoso, L. H. C. 2009. Improved barrier and mechanical properties of novel
hydroxypropyl methylcellulose edible films with chitosan/tripolyphosphate
nanoparticles. Journal of Food Engineering. 92: 448–453.
Dieckmann, G., Dalton, A., Johnson, P., Razal, J., Chen, J., Giordano, G., Muñoz, E.,
Musselman, I., Baughman, R. and Draper R. 2003. Controlled assembly of carbon
nanotubes by designed amphiphilic peptide helices. J. American Chemical Society.
125: 1770-1777.
Doerner, M. 1984. The materials of the artist and their use in painting: With notes on
the techniques of the old masters. London, England.
64
Donhowe, I. and Fennema, O. 1994. Edible films and coatings: characteristic,
formation, definition, and testing methods. In: Edible coatings and films to improve
food quality. Krochta, J., Baldwin, E. and Nísperos-Carriedo. M. (Eds). Technomic
Publishing Company. Inc. California.
Dresselhaus, M.S., Dresselhaus G. and Jorio A. 2004. Unusual properties and
structure of carbon nanotubes. Annual Review of Materials Research.34:247-278.
Espín, G. 2007. Plásticos y contaminación ambiental. Academia de Ciencias de
Morelos A.C. Instituto de Biotecnología. Universidad Nacional Autónoma de México.
Academia de ciencias de Morelos. México.pp:30.
European Plastics Converters (EPC). 2011. Plásticos- situación 2011" Análisis de la
producción, la demanda y la recuperación de plásticos en Europa en el 2010” [En
línea]. Disponible: www.plasticsconverters.eu.
Fernández, D.; Rodríguez, E.; Bassas, M.; Viñas, M.; Solanas, A; Llorens, J.;
Marqués, A. and Manresa, A. 2005. Agro-industrial oily wastes as substrates for PHA
production by the new strain (Pseudomonas aeruginas) NCIB 40045: Effect of culture
conditions. Biochemical Engineering. 26(2-3):159-167.
Flores, H.E. y Romero B.C. 2003. Hacia los plásticos biodegradables. Conversus. 21:
52-55.
García, M.A., Pinotti, A., Martino, M. N. and Zaritzky N. E. 2004. Characterization of
composite hydrocolloid films. Carbohydrate Polymers. 56:339.
GELITA.2011. Gelatina. [En línea]. Disponible: http://www.gelita.com.
Gennadios, A., Weller, C. and Gooding, C. 1994. Measurements errors in water
vapour permeability of highly permeable, hydrophilic edible films. Journal of Food
Engineering. 21: 395-409.
65
Georgakilas, V., Tagmatarchis, N., Pantarotto, D., Bianco, A., Briand, J. and Prato M.
2002. Amino acid functionalisation of water soluble carbon nanotubes. Chem. Comm.
2002: 3050- 3051.
Giese, J. 1995. Measuring physical properties of foods. Food Technology. 49: 54- 56.
Guilbert, S. 1986. Technology and application of edible protective films. En Food
Packaging and Preservation. Theory and Practice, Ed. M. Mathlouthi, ElsevierAppl.
Science Pub. Co., London, England. p. 371.
Guilbert, S. y Biquet, B. 1995. Películas y envolturas comestibles. En: Embalaje de
los alimentos de gran consumo. Editores: G. Bureau, J. L. Multon. Ed. Acribia.
Zaragoza. España.
Guo, B.Z., Sadler, P.J. and Tsang, S.C.1998. Immobilization and visualization of DNA
and proteins on carbon nanotubes. Advanced Materials. 10 :701–703.
Hamada, N., Sawada, S. and Oshiyama A. 1992. New one-dimensional conductors:
Graphitic microtubules. Physical Review Letters. 68: 1579-1581.
Hayakawa, K., Tanaka, K., Nakamura, T., Endo, S. and Hosino, T. 1997. Quality
characteristics of waxy hexaploid wheat (Triticum aestivum L.): Properties of starch
gelatinization and retrogradation. Cereal Chemistry. 74: 576-580.
Helbert, W., Cavaillé, C. Y. and Dufresne, A. 1996. Thermoplastic nanocomposites
filled with wheat straw cellulose whiskers. Part I: processing and mechanical
behaviour. Polymer Composites. 17: 604–611.
Henriette, M.C. 2009. Nanocomposites for food packaging applications. Review Food
Research International .42:1240–1253.
Hernández, L., Quintana, M. y Morris, H. 2000. Obtención de glicerol a partir de la
microalga Dunaliella salina. Revista Cubana de Farmacia. 34: 134-137.
66
Ihl, M., Shene, C., Scheuermann, E. and Bifani, V. 1994. Correlation for pigment
content through colour determination using tristimulus values in a green leafy
vegetable, Swiss chard. Journal of the Science of Food and Agriculture. 66: 527-531.
Iwata, K., Ishizaki, S., Handa, A. and Tanaka, M. 1993. Preparation and
characterization of edible film from fish water soluble proteins. Fisheries Science. 66:
372-378.
Jane, J., Chen, Y.Y., Lee, L.F., Mc Pherson, A.E., Wong, K.S., Radosavljevic, M. and
Kasemsuwan, T. 1999. Effects of amylopectin branch chain length and amylose
content on the gelatinisation and pasting properties of starch. Cereal Chemistry.
76:629–637.
Johnston, B.F. A. 1990. Gelatin. In: Food Gels. P. Harris (Ed.), Elsevier. pp. 233−289.
London. England.
Kalichevsky, M. T. and Blanshard, J.M. V.1993. The effect of fructose and water on
the glass transition of amylopectin. Carbohydrate Polymers. 20: 107- 113.
Kristo, E. and Biliaderis, C. G. 2007. Physical properties of starch nanocrystal-
reinforced pullulan films. Carbohydrate Polymers. 68: 146–158.
Kroto, H., Allaf, A. and Balm, S. 1991. C60: Buckmin- sterfullerene. Chemical Review.
91: 1213-1235.
Langmaier, F., Mokrejs, P., Kolomaznik, K., and Mladek, M. 2008. Plasticizing
collagen hydrolysate with glycerol and low-molecular weight poly (ethylene
glycols).Termochemical Acta. 469: 52−58.
Lee, K. Y., Shim, J. and Lee, H. G. 2004. Mechanical properties of gellan and gelatin
composite films. Carbohydrate Polymers. 56: 251-254.
Liberman, E. R. and Gilbert, S.G .1973. Gas permeation of collagen film as affected
by cross linkage moisture and plasticizer content. Journal of Polymer Science. 41:33-
43.
67
Lijima, S. 1991. Helical microtubes of graphitics carbon. Nature. 354: 56.
Lubbe, C., Alexiou, M. and Bergemann, C. 2001. Clinical applications of magnetic
drug targeting, J.Surg. Res. 95:200.
Mahmoud, R. and Savello, P. A. 1993. Solubility and hydrolyzability of films produced
by transglutaminase catalytic crosslinking of whey protein. Journal of Dairy Science.
76: 29–35.
Mali, S., Grossmann, M., García, M., Martino, M. and Zaritzky, N. 2004. Barrier
mechanical and optical properties of plasticizer yam starch films. Carbohydrate
Polymers. 56: 379-386.
Mali, S., Grossmann, M. V. E., Garcia, M. A., Martino, M. N. and Zaritzky, N. E. 2002.
Microstructural characterization of yam starch films. Carbohydrate Polymers. 50: 379-
386.
Manful, J.T., Grimm, C.C., Gayin, J. and Coker,R..D. 2008. Effect of Variable
Parboiling on Crystallinity of Rice Samples. Cereal Chemistry. 85:92-95.
Mangino, M.E. 1984. Physicochemical aspects of whey protein functionality. J.Dairy
Sci. 67: 2711-2722.
Martínez, N. N., Andrés, G. A. M., Chiralt, B. A. y Fito, M. P. 1999. Transiciones de
fase en alimentos. En: Termodinámica y Cinética de Sistemas Alimento Entorno.
Instituto Politécnico Nacional. México D. F., México. p. 223-280.
Mcdonald, B.F., Laurenzi, G. and Viswanathan, P.M. 2005. Collagen carbon
nanotube composite materials as scaffolds in tissue engineering. J. Biomed. Mater.
Res. Part A.74 :489–496.
McHugh, T. and Krochta, J. 1994. Sorbitol-vs glycerol-plasticized whey protein edible
films: Integrated oxygen permeability and tensile property evaluation. Journal of
Agricultural and Food Chemistry. 42: 841-845.
68
Monedero J. 1999. Conceptos fundamentales de teoría de imagen digital.UPC.
México. D .F.
Morillon, V., Debeaufort, F., Blond, G., Capelle, M. and Voilley, A. 2002. Factors
affecting the moisture permeability of Lipid-Based edible films: a review. Critical
reviews in food science and nutrition. 42:67-89.
Nikolaev, P., Thess, A., Guo, T., Colbert, D. and Smalley R. 1997. Fullerene
Nanowires. Pure Appl. Chem. 69: 31-34.
Park, J. H., Weller, L. C., Vergano, J. P. and Testin, R. F. 1993. Permeability and
mechanical properties of cellulose-based films. J. Food Science . 58 : 1361.
Pascat. B. 1986. Study of some factors affecting permeability. En “Food Packaging
and Preservation: Theory and Practice”. Ed. M. Mathlout. Elsevier Applied Science
Publisher. London, England.
Patil, R.D., Marka, J. E., Apostolovb, A., Vassilevab, E. and Fakirovb, S. 2000.
Crystallization of water in some crosslinked gelatins. European Polymer Journal.
36:1055−1061.
Patindol, J. and Wang, Y.J. 2002. Fine structures from starches from long grain rice
cultivars with different functionality. Cereal Chemistry. 79:465-469.
Pedreschi, F., Mery, D. and Aguilera, J.M. 2004. Classification of potato chips using
pattern recognition. Food Engineering and Physical Properties. 69:264-270.
Peigney, A., Laurent, C., Flahaut, E., Bacsa, RR. and Rousset, A. 2001. Specific
surface area of carbon nanotubes and bundles of carbon nanotubes. Carbon. 39:
507-514.
Pérez, B. y Báez, R. 2003. Utilización de ceras comestibles en la conservación de
frutas. Alimentaria, Julio – Agosto.
69
Pompeo, F. and Resasco, D. 2002. Water solubilization of single-walled carbon
nanotubes by functionalization with glucosamine. Nano Letters. 2: 369-373.
Quian, E.C. 2000. Load transfer and deformation mechanisms in carbon nanotube
polystyrene composites, Appl. Phys. Lett. 76: 2868–2870.
Rahman, M.S. and Sablani, S.S. 2009. Water Activity Measurement Methods of
Foods. In: Rahman, M.S. (Ed.), Food Properties Handbook. CRC Press, London, pp.
9-30.
Rausch, J., Rong, Z. and Edith, M. 2010. Surfactant assisted dispersion of
functionalized multi-walled carbon nanotubes in aqueous media. Composites. 41:
1038-1046.
Rivas, M.M., Ganzer, J.R. y Cosme, H.M. (2007). Nanotubos de carbono:
aplicaciones Vigilancia Tecnológica, CIMTAN, INTA. Madrid. España.
Rivero, S., García, M.A. and Pinotti, A. 2009. Correlations between structural, barrier,
thermal and mechanical properties of plasticized gelatin films. Innovative Food
Science and Emerging Technologie. 11: 369–375
Romero, J., Luengo, C., Huber, J. and Rosolen, J. 2002. Synthesis of single-wall
nanotubes by pyrolysis of graphite in helium atmosphere. Química Nova. 25: 59-61.
Sajjad, H., Park, S.Y., Saeed, K. and Farmer, B.L. 2007. Swelling and
electroresponsive characteristics of gelatin immobilized onto multi-walled carbon
nanotubes. Sensors and Actuators B. 124: 517–528.
Sánchez, F. Y. 1998. Caracterización de las propiedades ópticas, mecánicas y de
barrera de películas de quitosano. Tesis de Maestría, UDLA- Puebla.
Sánchez, S.E. 2007. Investigación de la preparación de dispersiones de nanotubos
de carbono en medios acuosos. Instituto Tecnológico de Durango. Tesis de
Licenciatura. Victoria de Durango, Durango. México.
70
Segura, D., Noguez, R. y Espín G. 2007. Contaminación ambiental y bacterias
productoras de plásticos biodegradables. Biotecnología. 14:361-372.
Slade, L., Levine, H. and Finley, J. W. 1989. Protein–water interactions: Water as a
plasticizer of gluten and other protein polymers. En R. D. Phillips, y J. W. Finley
(Eds.), Protein Quality and the Effects of Processing (pp. 9–124). New York: Marcel
Dekker.
Sobral, P. J. A. and Habitante, A. M. Q. B. 2001. Phase transitions of pigskin gelatin.
Food Hydrocolloids. 15: 377–382.
Smart, S., Cassady, A., Lu, G. and Martin, D. 2006. The Biocompatibility of Carbon
Nanotubes. Carbon. 44: 1034-1047.
Sorrentino, A., Gorrasi, G. and Vittoria, V. 2007. Potential perspectives of bio-
nanocomposites for food packaging applications. Trends in Food Science and
Technology. 18: 84–95.
Sothornvit, R. and Krochta, J. M. 2001. Plasticizer effect on mechanical properties of
lactoglobulin films. Journal of Food Engineering. 50:149−155.
Stainsby, G. 1977. The physical chemistry of gelatin in solution. En A. G. Ward, y A.
Courts (Eds.), The Science and Technology of Gelatin. pp. 109–137. London:
Academic Press.
Tanioka, A., Miyasaka, K. and Ishikawa, K. 1996. Reconstitution of collagen fold
structure with stretching gelatin film. Biopolymers. 15:1505−1511.
Terrones, M. 2004. Carbon nanotubes: Synthesis and properties, electronic devices
and other emerging applications. Int. Mat. Rev. 49: 325-377.
Tharanathan, R. 2002. Food derived carbohydrates-structural complexity and
functional diversity. Critical Review Biotechnology. 22: 65-84.
71
Tharanathan, R. 2003. Biodegradable films and composite coatings: past, present
and future. Critical Reviews in Food Science and Technology. 14:71-78.
Thomazine,M. A., Carvalho, R. A. and Sobral, P. J. A. 2005. Physical properties of
gelatin films plasticized by blends of glycerol and sorbitol. Journal of Food Science.
70: 72−76.
Uribe,V.M. y Mehrenberger, P.Y. 1996. Los polímeros “Síntesis, caracterización,
degradación y relogía ”. Instituto Politecnico Nacional. Primera edición. México.
pp:239-263.
Vanin, F. M., Sobral, P. J. A., Menegalli, F. C., Carvalho, R. A. and Habitante, A. M.
Q. 2005. Effects of plasticizers and their concentrations on thermal and functional
properties of gelatin-based films. Food Hydrocolloids. 19: 899−907.
Vásquez, F. 2005. Estudio de propiedades físicas de películas elaboradas a base de
gelatina de pescado. Universidad de la Frontera. Tesis de licenciatura.Temuco. Chile.
Wagner, O. L., Feldman Y. and Tenne R. 1998 .Stress induced fragmentation of
multiwall carbon nanotubes in a polymer matrix. Appl. Phys. Lett. 72:188–190.
Wu, C. L., Zhang, M. Q., Rong, M. Z. and Friedrick, K. 2002. Tensile performance
improvement of low nanoparticles filled-polypropylene composites. Composites
Science and Technology. 62:1327–1340.
Yeong, T.G., Hong, M., Yawo, K.T. and YI-Chang, C. 2010. An investigation on
dispersion of carbon nanotubes in chitosan aqueous solution. Colloid Polym Sci.
288:377-385.