Reforzamiento de bioplásticos de proteína de guisante mediante tratamiento térmico

23 Comunicaciones orales REFORZAMIENTO DE BIOPLÁSTICOS DE PROTEÍNA DE GUISANTE MEDIANTE TRATAMIENTO TÉRMICO Pablo Cuartero1, Víctor Perez-Puyana1, Mercedes Jiménez-Rosado1, Inmaculada Martínez2 y Alberto Romero1 1Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Sevilla, Sevilla 2Departamento de Ingeniería Química, Química Física y Ciencia de los Materiales, Universidad de Huelva, Huelva E-mail de correspondencia: pabcuag[email protected] RESUMEN La acumulación de plásticos ha generado la necesidad de crear envases biodegradables que al mismo tiempo permitan la conservación eficiente de los productos. En este sentido, los bioplásticos a partir de subproductos son una alternativa prometedora, pero debido a sus limitadas propiedades necesitan tratamientos adicionales para competir con los plásticos convencionales. Entre ellos, el reforzamiento físico es de especial interés, ya que no genera problemas de toxicidad. De esta forma, el objetivo general de este trabajo fue desarrollar bioplásticos mediante moldeo por inyección, usando concentrado proteico de guisante y glicerina como plastificante, así como un método físico de reforzamiento mediante tratamientos térmicos a diferentes condiciones. Así, se compararon diferentes bioplásticos en función de sus propiedades fisicoquímicas, mecánicas y funcionales. Los resultados de las propiedades fisicoquímicas dan indicios de la presencia de reacciones secundarias durante los tratamientos térmicos. Esto conduce a una mejora de las propiedades mecánicas de los bioplásticos, aunque reduce su capacidad de absorción de agua. Estos bioplásticos abren una vía para el uso de bioplástico como alternativa a los plásticos convencionales. INTRODUCCIÓN Hoy en día, el uso masivo de plásticos convencionales supone un grave problema para el medio ambiente, dicho problema proviene de la producción de dichos plásticos y de su acumulación. Para intentar solucionar el problema expuesto, en este trabajo se plantean los bioplásticos como solución. Según “European Bioplastics”, los bioplásticos son aquellos plásticos de origen biológico, o biodegradable o ambas cosas. Cabe destacar que esta solución colabora de forma directa con algunos de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible y, además sigue la hoja de ruta marcada por el Pacto Verde Europa a finales de 2019. 24 Sinergias en la investigación en STEM El principal problema que tienen los bioplásticos es que poseen peores propiedades mecánicas que los plásticos convencionales, por esto, el objetivo de esta investigación es el desarrollo de bioplásticos a partir de un concentrado de proteína de guisante usando tratamientos térmicos como reforzamiento físico para la mejora de sus propiedades. 2. MATERIALES Y MÉTODOS Para la fabricación de bioplásticos se usó proteína de guisante como biopolímero y glicerina como plastificante (relación 60/40 proteína/plastificante), mezclando a 25ºC durante 10 min a 50 rpm. Posteriormente, a partir de la masa se fabrican los bioplásticos mediante moldeo por inyección. Las condiciones del moldeo fueron 50ºC como temperatura de cámara de preinyección, 130ºC como temperatura de molde, 500 bares durante 20 segundos en la presión de inyección y 200 bares durante 200 segundos como presión post-inyección. Tras esto, se llevó a cabo un tratamiento térmico a diferente temperatura (50 y 120ºC) y tiempo (4 y 24 h). A continuación, se llevó a cabo la caracterización de los diferentes sistemas: Grado de entrecruzamiento Para determinar el grado de entrecruzamiento se hizo una extracción de las proteínas disponibles en el bioplástico en un disolvente y se aplicó el método de Markwell. El grado de entrecruzamiento se determina tomando como referencia el sistema sin ningún tratamiento adicional. Caracterización Mecánica Se realizaron ensayos dinámicos de flexión, en concreto barridos de deformación para determinar el rango viscoelástico lineal y barridos de frecuencia, presentando los valores del módulo elástico y la tangente de delta a 1 Hz (E’1 y tan (δ)1). Además, se realizaron ensayos de tracción estática según la norma ASTM D638-14, determinando la deformación en la rotura, módulo de Young y esfuerzo máximo. Caracterización Funcional Se determinaron la capacidad de absorción de agua y pérdida de material soluble siguiendo las ecuaciones 1 y 2. Para ello, se introdujo el bioplástico en agua durante 25 Comunicaciones orales 24 h y se determinó su peso antes (P1) y después (P2). A continuación, se seca la probeta en el horno a 120ºC durante 1 hora (P3). (1) (2) 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Grado de entrecruzamiento Los resultados del grado de entrecruzamiento se muestran en la Tabla 1. Se observa como todos los sistemas han sufrido un aumento del grado de entrecruzamiento, destacando el sistema de 120ºC/24h (25% aprox.). Tabla 1. Grado en entrecruzamiento (Grado Entrecr.) y resultados de los parámetros correspondientes a la caracterización mecánica. Grado Entrecr. (%) E’1 (Pa) tan (δ)1 Tensión Máxima (MPa) Deformación rotura (mm/mm) Módulo Young (MPa) Referencia - 8,09 · 106 α 0,257 a2,80 I0,62 +64,29* 50ºC/24h 16,8 A2,61 · 109 β0,351 a2,60 I 0,66 +58,75* 120ºC/4h 14,4 A 2,62 · 109 β 0,261 a5,70 II 0,22 ++ 216,93** 120ºC/24h 24,3 B 3,28 · 109 β 0,189 b7,90 III 0,17 ++ 238,33** 3.2. Caracterización mecánica Según la Tabla 1, se puede observar como todos los sistemas sufren un aumento significativo del módulo elástico respecto al sistema de referencia, aunque no existen diferencias significativas entre los sistemas. Por otro lado, salvo el sistema 120ºC/4h no hay variaciones significativas en tan (δ)1. Según los parámetros obtenidos de los ensayos de tracción (Tabla 1), se observan las diferencias entre estos dos comportamientos: los sistemas de 120ºC son más rígidos con mayor tensión máxima superior y módulo de Young pero menos deformables con menor deformación en la rotura. Sin embargo, el sistema de 50ºC no sufre ninguna diferencia significativa respecto al sistema de referencia. Por último, vemos que si prolongamos el tratamiento térmico de 120ºC la tensión máxima sufre un aumento significativo respecto al sistema de 120ºC/4h. 26 Sinergias en la investigación en STEM 3.3. Caracterización funcional En la Tabla 2 se concentran los resultados de la caracterización funcional. Cuando se aplica el tratamiento térmico con 120ºC, se observa que cuanto más tiempo dure este, menor será la capacidad de absorción de agua, encontrando diferencias significativas en el tratamiento de 120ºC/24h. En cambio, con un tratamiento térmico de 50ºC/24h sucede todo lo contrario, aumenta la capacidad de absorción de agua de manera significativa. Además un tratamiento térmico más intenso conduce a una menor pérdida de material soluble. Tabla 2. Capacidad de absorción de agua y pérdida de material soluble. % Absorción de agua % Pérdida material soluble Referencia 92,53 4,14 A47,65 1,83 α 50ºC/24h 107,65 1,99 B49,90 0,81 α 120ºC/4h 80,75 5,29 A41,56 2,76 β 120ºC/24h 46,48 2,19 C36,06 1,37 γ 4. CONCLUSIONES A modo de conclusión general, se puede afirmar que en los tratamientos térmicos la temperatura juega un papel muy importante, de ella depende la variación de las propiedades del bioplástico, demostrando que es posible modular el tratamiento térmico (tiempo y temperatura) en función de las propiedades requeridas asociadas a una aplicación. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero del Gobierno de España (MINECO/FEDER, EU) por la concesión de un proyecto (Ref. RTI2018-097100-B-C21). Los autores agradecen el apoyo de la Junta de Andalucía junto a la Universidad de Sevilla por la concesión de un contrato postdoctoral a Víctor Manuel Pérez Puyana, gracias al Fondo Social Europeo (Convocatoria 2019-20). 27 Comunicaciones orales REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM D638-14. (2014). Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. Felix, M., Perez-Puyana, V., Romero, A., & Guerrero, A. (2016). Production and Characterization of bioplastics obtained by injection moulding of various protein systems. Journal of Polymers and the Environment, 25: 91-100. Pérez-Puyana, V., Félix, M., Romero, A., & Guerrero, A. (2016). Development of pea protein-based bioplastics with antimicrobial properties. Journal of the Science of Food and Agriculture, 97:2671-2674.