Influencia del tiempo de inmersión en agua en las propiedades de bioplásticos obtenidos a partir de proteína de guisante

13 Sinergias en la investigación en STEM INFLUENCIA DEL TIEMPO DE INMERSIÓN EN AGUA EN LAS PROPIEDADES DE BIOPLÁSTICOS OBTENIDOS A PARTIR DE PROTEÍNA DE GUISANTE V. Perez-Puyana1*, M. Jiménez-Rosado1, P. Sánchez-Cid1, A. Romero1, I. Martínez2 1 Departamento de Ingeniería Química, 1-41012, Universidad de Sevilla, Sevilla. 2 Departamento de Ingeniería Química, Química Física y Ciencia de los Materiales, 21071, Universidad de Huelva, Huelva. E-mail de correspondencia: vpere[email protected] RESUMEN En los últimos años existe una problemática con la acumulación de residuos plásticos no reciclables. Una alternativa prometedora a estos materiales son los bioplásticos, que, obtenidos a partir de materias primas asequibles, reducen su coste, siendo así competitivos en el mercado (por ejemplo, el aislado proteico de guisante). El objetivo de este trabajo fue elaborar bioplásticos de proteína de guisante mediante moldeo por inyección y evaluar la influencia que el tiempo de inmersión en agua genera sobre sus propiedades. De esta forma, se determinaron tanto su capacidad de absorción de agua como sus propiedades mecánicas a diferentes tiempos de inmersión. Los resultados obtenidos concluyeron el tiempo de inmersión modifica las propiedades mecánicas y disminuye la capacidad de absorción de agua de los bioplásticos de proteína guisante. INTRODUCCIÓN Los materiales plásticos son generalmente elaborados a partir de petróleo, siendo la mayoría no reciclables. Esto da lugar a una gran problemática debido a su acumulación como residuos (Felix et al., 2017). Una alternativa prometedora a estos materiales son los bioplásticos, que se componen de una materia prima natural y renovable, siendo además biodegradables. Estos bioplásticos se pueden elaborar a partir de residuos agroalimentarios ricos en proteína, que bajan su coste para que sean competitivos en el mercado (Perez et al., 2016). Dentro de ellos, el aislado proteico de guisante tiene un gran potencial para crear bioplásticos con alta capacidad de procesamiento cuando se combina con glicerina, siendo el proceso termomecánico el más estudiado (Perez-Puyana et al., 2016). Por tanto, el objetivo de este trabajo consistió en el desarrollo de materiales plásticos a partir de proteína de guisante, utilizando glicerina como plastificante, mediante un proceso de moldeo por inyección. En este caso, se ha prestado especial atención a 14 Sinergias en la investigación en STEM la evolución de la capacidad de absorción de agua de los bioplásticos con el tiempo, así como de las propiedades mecánicas antes y después de su inmersión en agua. MATERIALES Y MÉTODOS Materiales El aislado proteico de guisante (Pisum sativum) utilizado fue proporcionado por Roquette (Tipo F85M, Francia). Dicho aislado proteico presenta un contenido proteico de un 90 % en peso. Por otro lado, el plastificante utilizado fue glicerina, suministrado por Panreac Química S.A. (España). Preparación de bioplásticos Los bioplásticos se fabricaron mediante un procedimiento termomecánico de dos etapas. En primer lugar, se prepararon mezclas proteína/plastificante utilizando una proporción 60/40, utilizando un mezclador de dos rotores con rotación contraria (Haake Polylab, ThermoHaake, Alemania) a 25 ºC durante 10 minutos de mezclado. A continuación, la masa resultante se procesó por inyección, utilizando un sistema de moldeo por inyección MiniJetPiston (ThermoHaake) para obtener los bioplásticos. Las condiciones de procesado utilizadas fueron: 50 ºC (temperatura de cilindro), 130 ºC (temperatura de molde), 500 bar (presión de inyección) y 200 bar (presión de post-inyección). Caracterización de los bioplásticos Capacidad de absorción de agua La capacidad de absorción de agua de los bioplásticos se calculó siguiendo la norma ASTM D570, utilizando 3 muestras rectangulares de 60 × 10 × 1 mm que fueron sumergidas en agua destilada durante un periodo global de 24 horas, evaluando dicha capacidad a diferentes horas de inmersión. Propiedades mecánicas: Ensayos de tracción Se realizaron ensayos de tracción mediante el uso de la máquina universal de ensayo Insight 10 kN Electromechanical Testing System (MTS, USA). Las medidas se llevaron a cabo según la norma ISO 527-2. Se realizaron 4 replicados a una velocidad de extensión de 10 mm/min y a temperatura ambiente, usando probetas estandarizadas. A partir de los ensayos se obtuvieron tres parámetros: Módulo de Young, la Deformación en la rotura y el Esfuerzo máximo, los cuales se evaluaron antes y después de la inmersión total de 24 h. 15 Sinergias en la investigación en STEM RESULTADOS Y DISCUSIÓN Evolución de la capacidad de absorción de agua En primer lugar, se analiza la evolución de la absorción de agua de los bioplásticos con el tiempo de inmersión (Figura 1). A raíz de los resultados obtenidos, puede comprobarse como un aumento del tiempo de inmersión produce un descenso en la capacidad de absorción de agua, observándose un máximo a las 2-4 h de estudio. 04812 16 20 24 70 80 90 100 Absorción de Agua (%) Tiempo (h) Figura 1. Evolución de la absorción de agua de bioplásticos de guisante con el tiempo de inmersión. Fuente: elaboración propia. Evaluación de las propiedades mecánicas Finalmente se evaluaron las propiedades mecánicas mediante ensayos de tracción de los bioplásticos como se observa en la Figura 2. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.00 0.05 0.10 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 A DESPUÉS Bioplástico antes de la inmersión en agua Bioplástico después de la inmersión en agua Esfuerzo (MPa) Deformación (mm/mm) ANTES ANTES DESPUÉS 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 50 60 70 80 Módulo de Young y Esfuerzo Máximo (MPa) Deformación en la Rotura (mm/mm) Bioplásticos Módulo de Young Deformación en la rotura Esfuerzo Máximo B Figura 2. (A) Curva Esfuerzo-Deformación e imágenes de los bioplásticos de guisante obtenidos antes y después de su inmersión en agua. (B) Parámetros de tracción obtenidos antes y después del proceso de inmersión en agua. Fuente: elaboración propia. La Figura 2A muestra el perfil obtenido para los ensayos de tracción obtenidos para los bioplásticos de guisante antes y después de su inmersión en agua, viéndose dos zonas diferenciadoras en ambos sistemas: una zona primera zona elástica, 16 Sinergias en la investigación en STEM seguida de una zona plástica más pronunciada antes de la inmersión. A partir de esta se determinan los parámetros característicos (Figura 2B), comprobándose que la absorción de agua provoca un descenso muy significativo en las propiedades mecánicas de los bioplásticos obtenidos. CONCLUSIONES En conclusión, los bioplásticos proteicos de guisante tienen una gran dependencia con la cantidad de agua absorbida. De esta forma, diferentes tiempos de absorción modifican la capacidad de retención de agua de los bioplásticos, influenciada seguramente por el empeoramiento de sus propiedades mecánicas como se corrobora tras la absorción. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero del Gobierno de España (MINECO/FEDER, EU) por la concesión de un proyecto con referencia RTI2018-097100-B-C21. Los autores agradecen además el apoyo de la Universidad de Sevilla por la concesión de una beca postdoctoral bajo el programa del Plan Propio (VIPPI-US). REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Felix, M., Perez-Puyana, V., Romero, A., & Guerrero, A. (2017). Production and Characterization of Bioplastics Obtained by Injection Moulding of Various Protein Systems. Journal of Polymers and the Environment, 25(1), 91–100. https://doi.org/10.1007/s10924-016-0790-7 Perez-Puyana, V., Felix, M., Romero, A., & Guerrero, A. (2016). Effect of the injection moulding processing conditions on the development of pea protein-based bioplastics. Journal of Applied Polymer, 133(20), 1–9. https://doi.org/10.1002/ app.43306 Perez, V., Felix, M., Romero, A., & Guerrero, A. (2016). Characterization of pea proteinbased bioplastics processed by injection moulding. Food and Bioproducts Processing, 97, 100–108. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2015.12.004