ppi 201502ZU4659
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UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA
REVISTA TÉCNICAREVISTA TÉCNICA
“Buscar la verdad y aanzar
los valores transcendentales”,
misión de las universidades en
su artículo primero, inspirado
en los principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
“Buscar la verdad y aanzar
los valores transcendentales”,
misión de las universidades en
su artículo primero, inspirado
en los principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
VOLUMEN ESPECIAL 2020 No.2
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, 4-11
Microbiological activity in biodegradable biopolymers from
potato starch and organic substance
Jorge Luis López Terán1* , María Isabel Beltrán Rico2 , Elvia Victoria Cabrera
Maldonado1 , Judith del Carmen Araque Rangel3 , Juan Carlos Soriano Cremades2 ,
José Poveda Otazo2
1Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Química, Laboratorio de Investigación de Síntesis
Orgánica y Biopolímeros. Dirección Postal: Universidad Central del Ecuador, Ciudad Universitaria, Calle
Enrique Rither s/n y Bolivia,
Código Postal: 170521. Quito, Ecuador.
2Universidad de Alicante, Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos. Alicante, España.
3Universidad de los Andes, Facultad de Farmacia y Bioanálisis. Doctorado en Química de Medicamentos.
Mérida, Venezuela.
*Autor de correspondencia: jllopez@uce.edu.ec
https://doi.org/10.22209/rt.ve2020n2a01
Recepción: 21/02/2020 | Aceptación: 12/05/2020 | Publicación: 31/07/2020
Abstract
The design of active biodegradable materials and packaging is one of the challenges of society whose purpose is to
try to solve the environmental problems that have been generated by plastic waste by developing biodegradable packaging
to improve food conservation and extend shelf life. Analyzed the preparation of an ideal mixture using potato starch (PS), tea
tree oil (TO), and gum Arabic (GA), obtaining after extrusion and pressing process the thermoplastic biopolymer plates, that
were analyzed their antimicrobial properties. Nineteen samples biopolymer with different proportions were produced PS,
TO, and GA. The results obtained from PS/GA based biopolymers (60/2) and (70/5) showed increased antimicrobial activities
against Gram-positive and negative bacteria, respectively, followed by the PS/TO (60/1) and (70/0.5). No synergistic effect
antimicrobial activity of the obtained product.
Keywords: biomaterials; starch; antimicrobial; biodegradation.
Actividad microbiológica en biopolímeros biodegradables a
base de almidón de papa y sustancias orgánicas
Resumen
resolver los problemas ambientales que se han generado por los residuos plásticos desarrollando envases biodegradables
que permitan mejorar la conservación de los alimentos y alargar su vida útil. Se analizó la preparación de una mezcla ideal
utilizando almidón de papa termoplástico (AP), extracto de árbol de té (AT) y goma arábiga (GA), obteniendo luego de
un proceso de extrusión y prensado las planchas de biopolímero termoplástico, que fueron analizadas para determinar
sus propiedades antimicrobianas. Se elaboraron 19 muestras de planchas de biopolímeros con distintas proporciones AP,
AT y GA. Los resultados obtenidos de los biopolímeros a base de AP/GA (60/2) y (70/5) mostraron mayores actividades
antimicrobianas contra bacterias Gram positivas y negativas, respectivamente, seguidas de las formulaciones con AP/EAT
(60/1) y (70/0,5). No se observó un efecto sinérgico entre el AT y la GA. Se encontró que la variación en la formulación del
Palabras clave: biomateriales; almidón termoplástico; antimicrobiano; biodegradación.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
5
Actividad microbiológica en biopolímeros biodegradables
Introducción
El uso de biomateriales a base de polímeros
biodegradables ha despertado un gran interés en el sector
industrial por su selectiva funcionalidad para regular la
transferencia de humedad y la permeabilidad selectiva
a los gases de productos frescos, lo que permite mejorar
la calidad y extender la vida útil de estos productos. El
enfoque actual de estas tecnologías de empacado consiste
en caracterizar las propiedades funcionales del empaque y
posteriormente orientar el estudio de su interacción como
de un alimento [1-5].
Los envases y recubrimientos a base de almidón,
uno de los polisacáridos naturales más abundantes
renovable, altamente disponible y de bajo costo, es el
más comúnmente utilizado en la industria como material
biodegradable en sustitución de envases sintéticos, ya que
contra compuestos de baja polaridad, pero tiene la
desventaja que presentan pobres propiedades mecánicas
y no ofrecen una buena barrera contra la humedad. Es por
lo que, se están desarrollando envases biodegradables y
recubrimientos comestibles con la combinación de más
de un componente orgánico y agentes hidrofóbicos, con
manera individual cada uno de ellos [6-11].
La incorporación de compuestos antimicrobianos
y antioxidantes a los envases biodegradables es de
gran interés porque permite alargar la vida útil de los
productos envasados y entre los posibles compuestos
activos, los aceites esenciales de plantas y algunos de sus
componentes aislados, reúnen la doble propiedad de ser
antimicrobianos y antioxidantes [12, 13].
Algunos investigadores han evaluado la
é (Melaleuca
alternifolia (Maiden & Betche) Cheel como posible agente
antimicrobiano y antioxidante, obteniendo resultados
Por otro lado, la goma arábiga un polisacárido
natural ampliamente usado en la industria alimentaria
y proveniente del exudado del árbol de acacia (Acacia
senegal (L.) y A. seyal Delile). Su estructura química
consiste básicamente en un grupo de macromoléculas
caracterizadas por una elevada proporción de
carbohidratos (97%), siendo la D-galactosa y la
L-arabinosa los monosacáridos predominantes y una baja
habilidad para formar una película protectora; produce
películas con las propiedades de un hidrocoloide y puede
formar emulsiones estables con la mayoría de los aceites
[16].
antimicrobiana exhibida por la goma arábiga podría
atribuirse a las enzimas como oxidasas, peroxidasas y
pectinasas presentes en su fracción proteica [15-18]. Tal
es el caso de la actividad inhibitoria en el crecimiento
de ciertas especies patógenas periodontales tales como
Prophyromonas gingivalis y Prevotella intermedia [19].
Durante las dos últimas décadas, la popularidad
de los empaques antimicrobianos en alimentos ha sido uno
de los mayores paradigmas, ya que se ha demostrado que
parte del recubrimiento comestible que cuando fueron
aplicados en soluciones acuosas mediante aspersión o
inmersión [4, 9, 12, 20, 21].
En la actualidad existe una gran cantidad de
publicaciones basadas en el uso de almidón, obtenido
de diferentes fuentes para la producción de productos
biodegradables con propiedades físicas y mecánicas
adecuadas, también se han incorporado otros componentes
como quitosano, algunos aceites esenciales, entre otros
la interacción entre moléculas [21, 22]. En Ecuador se
cuenta con una variedad de papas que no existe a nivel
mundial y que le da una buena característica al almidón,
extraer principios activos como aceites esenciales, gomas
y resinas las cuales pudieran proporcionar en el diseño de
un biopolímero buenas aplicaciones para su uso industrial
con la formación de películas y espumas, entre otros
materiales.
El objetivo de este trabajo consistió en obtener
planchas de biopolímeros a base de almidón de papa
termoplástico conteniendo sustancias naturales (árbol de
té y/o goma arábiga) con propiedades antibacterianas.
Materiales y métodos
Materiales
Los reactivos y cepas utilizadas fueron: almidón
de papa (Solanum tuberosum L.) de la empresa Organic
Potato Starch, aceite de árbol de té ( M. alternifolia) de
la Casa del Químico, Quito, Ecuador, goma arábiga (A.
nilotica (L.) Delile), Sigma Aldrich, estearato de zinc, Acros
Organics y Glicerina, Fisher Chemical. Para los análisis
microbiológicos se emplearon las cepas Staphylococcus
aureus ATCC 25923 y Pseudomonas aeruginosa ATCC
27853, en la tabla 1 se presentan los antibióticos utilizados
como controles positivos.
Los equipos utilizados consistieron en una
extrusora continua tipo Brabender Plasticorder PL 2000,
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
6López Terán y col.
Tabla 1. Antibióticos y bacterias utilizadas como
controles positivos en los ensayos de actividad
antimicrobiana de las muestras de planchas elaboradas
de biopolímeros biodegradables.
Staphylococcus aureus Pseudomonas aeruginosa
Eritromicina 15 µg Oxoid®
Ceftazidima 30 µg Oxoid®
Oxacilina 5 µg Oxoid®
una cámara calefactada con una boquilla, una unidad de
controladores de temperatura Eurotherm y una unidad de
procesado de datos PL-2000. La mezcla o formulaciones
preparadas con una balanza analítica de rango de 0 - 220 g,
Ap= ± 0,001g (tabla 2) se colocó en la tolva que alimenta la
extrusora en forma de suspensión usando la metodología
descrita por Beltrán y Marcilla [23]. En la prensa de platos
calientes Mecamaq PHF 50, se colocó la masa extruida y
se empleó un molde circular de acero inoxidable de 15 cm
de diámetro y aproximadamente 1 mm de espesor para
obtener las planchas.
Tabla 2. Formulaciones de componentes químicos utilizados para la obtención de planchas de biopolímeros
biodegradables.
CODIFICACIÓN
FORMULACIÓN
Almidón
de papa
(%)
Glicerina
(%)
Agua
(%)
Estearato
de zinc
(%)
Aceite de
árbol de té
(%)
Goma arábiga
(%)
60AP 60 24 16 1 0 0
60AP 0,5GA 60 24 16 1 0 0,5
60AP 1GA 60 24 16 1 0 1
60AP 2GA 60 24 16 1 0 2
60AP 5GA 60 24 16 1 0 5
60AP 0,5AT 60 24 16 1 0,5 0
60AP 1AT 60 24 16 1 1 0
60AP 2AT 60 24 16 1 2 0
60AP 7AT 60 24 16 1 7 0
60AP 1GA 0,5AT 60 24 16 1 0,5 1
60AP 1GA 1AT 60 24 16 1 1 1
60AP 2GA 0,5AT 60 24 16 1 0,5 2
60AP 2GA 1AT 60 24 16 1 1 2
70AP 70 18 12 1 0 0
70AP 0,5AT 70 18 12 1 0,5 0
70AP 0,5GA 70 18 12 1 0 0,5
70AP 1GA 70 18 12 1 0 1
70AP 2GA 70 18 12 1 0 2
70AP 5GA 70 18 12 1 0 5
AP: almidón de papa termoplástico; AT: árbol de té; GA: goma arábiga.
Procedimiento experimental
Obtención del biopolímero
Se pesó y mezcló cada uno de los compuestos,
se ingresó a la extrusora de mono tornillo a 110 ºC con
una velocidad de 80 rpm formándose así el material
termoplástico biodegradable a base de almidón de papa
extruido fue colocado en el molde de la prensa de platos
calientes, a 150 °C durante 12 min y una presión de 80 bar
Análisis de actividad antimicrobiana
Se utilizó la metodología indicada por Velasco
realizaron por triplicado. Para la preparación del medio
de cultivo, se colocó aproximadamente 20 mL de agar
Müeller-Hinton (Himedia®) en placas de Petri estériles,
control de esterilidad y se conservaron a 4 ºC, hasta el día
del ensayo.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
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Actividad microbiológica en biopolímeros biodegradables
Figura 1. Material termoplástico a base de almidón
de papa utilizado para la elaboración de planchas de
biopolímeros biodegradables.
Figura 2. Planchas de biopolímeros biodegradables
elaboradas con diferentes formulaciones de sustancias
químicas.
sobre el agar inoculado los discos de biopolímero, agua
(testigo negativo) y antibióticos de referencia para cada
microorganismo (testigo positivo).
Para la incubación las placas de Petri se colocaron
en una estufa a 37 ºC por 48 horas. Finalmente, las
lecturas de los resultados se realizaron midiendo los halos
de inhibición a las 24 y 48 horas, expresando el diámetro
de la zona de inhibición en milímetro (mm). Los halos de
inhibición de cada biopolímero fueron comparados con
los halos de inhibición de los testigos positivos y la prueba
se consideró negativa cuando se observó crecimiento
microbiano alrededor de los discos.
Resultados y discusión
Los resultados obtenidos de la evaluación
antimicrobiana realizada a cada una de las planchas de los
biopolímeros formulados se presentan en la tabla 3.
Para la preparación de los discos de biopolímeros,
se cortaron discos de 6 mm de diámetro, se colocaron en
placas de Petri y esterilizaron bajo luz UV durante 90
minutos, previos al ensayo. Para la reactivación de los
microorganismos, las cepas bacterianas se mantuvieron
en medios de conservación a temperatura ambiente y se
bacterianos estos se prepararon en solución salina estéril
(0,85% p/v NaCl), a partir de un cultivo fresco de cada cepa
bacteriana replicada en agar Müeller-Hinton, hasta lograr
una turbidez correspondiente al patrón de McFarland
Nº 0,5 (1,5 x 108 UFC·mL-1) (Hardy Diagnostics®) para
cada una de las cepas bacterianas. Seguidamente los
inóculos de cada microorganismo se sembraron en la
Se observó que las formulaciones realizadas
con las mezclas 60AP y 70AP que contenían almidón de
papa, glicerina, agua y estearato de zinc, no presentaron
actividad antimicrobiana con ninguna de las bacterias
analizadas. Mientras que todas las mezclas que contenían
goma arábiga o árbol de té presentaron halos de inhibición
para ambas bacterias.
Para las bacterias Gram positivas (S. aureus
ATCC 25923), el mejor biopolímero fue la formulación
60AP 2GA, dado que los valores obtenidos en el halo de
inhibición de la bacteria ensayada fueron los más cercanos
a los testigos positivos realizados. En el caso de las
bacterias Gram negativas (P. aeruginosa ATCC 27853), la
mayor actividad antimicrobiana fue la formulación 70AP
Se observó un comportamiento particular de la
actividad antimicrobiana con las mezclas de 60% de AP y
de acuerdo con el incremento en el porcentaje de GA hasta
llegar a una actividad máxima con un halo de 17 mm de
diámetro utilizando la formulación al 2% de GA, y luego
el halo disminuyó a 12 mm de diámetro, al aumentar la
concentración al 5% de GA. Este comportamiento fue
atribuido a la cinética de saturación por el sustrato, que
fue propia de las actividades enzimáticas relacionadas
con las actividades antimicrobianas de diversos extractos
orgánicos [25-29].
La incorporación de aceite esencial de árbol de té
en la formulación de los biopolímeros permitió observar
actividad antimicrobiana en todas las concentraciones
evaluadas (0,5; 1; 2 y 7%). Para las bacterias Gram
positivas (S. aureus ATCC 25923), la formulación 60AP
1AT, mostró alta actividad antimicrobiana, aunque menor
que la evidenciada para la goma arábiga. De igual forma,
para las bacterias Gram negativas (P. aeruginosa ATCC
27853), la combinación de 70AP 0,5AT, presentó una alta
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
8López Terán y col.
Tabla 3. Valores obtenidos en los diámetros de los
halos de inhibición del crecimiento bacteriano, de cada
una de las muestras de las planchas de biopolímeros
biodegradables analizadas.
BIOPOLÍMERO
Promedio
S. aureus (mm)
Promedio
P. aeruginosa (mm)
60AP 0,00 0,00
60AP 0,5GA 8,33 13,00
60AP 1GA 13,33 11,50
60AP 2GA 17,00 17,75
60AP 5GA 12,00 12,25
60AP 0,5AT 15,00 17,75
60AP 1AT 15,67 20,25
60AP 2AT 14,33 11,00
60AP 7AT 15,33 19,50
60AP 1GA 0,5AT 12,00 18,00
60AP 1GA 1AT 15,00 18,00
60AP 2GA 0,5AT 12,00 11,00
60AP 2GA 1AT 15,00 19,75
70 AP 0,00 0,00
70AP 0,5AT 13,40 20,33
70AP 0,5GA 11,00 17,25
70AP 1GA 14,33 17,50
70AP 2GA 12,00 17,50
70AP 5GA 12,33 21,50
Testigos positivos
Staphylococcus aureus (Gram positiva)
Eritromicina (E) 22 mm
Oxacilina (OX) 33 mm
Pseudomonas aeruginosa (Gram
negativa)
Ceftazidima (CAZ) 35 mm
AP: almidón de papa termoplástico; AT: árbol de té; GA:
goma arábiga.
Figura 3. Resultados de los halos de inhibición del
crecimiento bacteriano obtenidos utilizando muestras
de las planchas de biopolímeros biodegradables con las
formulaciones 60AP 2GA y 70AP 5GA.
Figura 4. Resultados de los halos de inhibición del
crecimiento bacteriano obtenidos utilizando muestras
de las planchas de biopolímeros biodegradables con las
formulaciones 60AP 1AT y 70AP 0,5AT.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
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Actividad microbiológica en biopolímeros biodegradables
En el caso del biopolímero 60AP 2AT se observó
una disminución del halo de inhibición del crecimiento
bacteriano, tanto para el testigo positivo, como para el
testigo negativo. Esta variación en los resultados se podría
explicar al hecho de que cuando varias sustancias actúan
compitiendo unas con otras sobre algún sitio activo
sistema enzimático, se produce una cinéticas de saturación
y no se observa un incremento en las actividades, por ello
en este caso se podría inferir que otro tipo de sustancia
presente en el aceite esencial se estaría expresando y
generando unión con la estructura de la membrana celular
de la bacteria [26, 29, 30]. Los mecanismos de acción
antimicrobianos exactos de los aceites esenciales del árbol
de té no están claramente identificados, pero parece que
están relacionados con la naturaleza hidrofóbica de los
diversos tipos de compuestos presentes en el extracto,
ocasionando trastornos en la estructura y permeabilidad
de la membrana o sistemas enzimáticos, que dan lugar a
problemas de fuga de iones y otros compuestos [29-31].
Como se puede observar en la tabla 3 no se
tuvo un efecto de sinergismo entre las concentraciones
utilizadas de manera combinada del AT y la GA, lo que
pudiera ser debido a que ambos componentes ejercen su
efecto antimicrobiano a través de mecanismos similares
y muy probablemente relacionados con la actividad
de algunas enzimas [14, 17] o de la interacción de
de unión en la pared celular de las bacterias [32, 33],
haciendo que se estableciera una competencia entre
ellos por los sitios activos, lo que ocasionó una cinética
de saturación, impidiendo de esta forma, sumar los
efectos antimicrobianos de cada una de estas sustancias.
Esto se fundamentó con la investigación realizada por
Montenegro [25] donde se evaluó el efecto antimicrobiano
de la goma arábiga sobre la bacteria Gram positiva Bacillus
subtilis en leche, encontrando una disminución del 40%
en la tasa de crecimiento de esta bacteria cuando se le
bacteriostático y además una cinética de saturación en el
efecto antimicrobiano de la GA.
Esta investigación generó el diseño de un biopolímero
biodegradable a base de almidón termoplástico y goma
arábiga como agente antimicrobiano destinado a la
elaboración de envases biodegradables, lo que constituyó
una novedad ya que hasta la actualidad no se ha
reportado formulaciones de biopolímeros biodegradables
antimicrobianos usando goma arábiga.
Conclusiones
Se demostró que los biopolímeros elaborados
a base de almidón de papa con la incorporación de
goma arábiga y aceite esencial de árbol de té exhiben
bacterias Gram positivas del género Staphylococcus y
bacterias Gram negativas del género Pseudomonas, lo
cual los convierten en una alternativa para el diseño de
biopolímeros de uso industrial.
Agradecimientos
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de la Universidad Central del Ecuador (Quito, Ecuador) y
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REVISTA TECNICA
DE LA FACULTAD DE INGENIERIA
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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Esta revista fue editada en formato digital y publicada
en Julio de 2020, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04 - 110________________
