1

Proyecto de Innovación Tecnológica 2016

DATOS DEL PROYECTO Título del Proyecto: Desarrollo de bio-empaques a partir de cáscara de cacahuate

Disciplina: Ciencia de Alimentos

Tiene una solicitud de patente: No ( ) Si ( X ) Número de solicitud: 2015-26 y 2015-51 Título de la invención: Empaques activos para ensaladas por contacto en fase de vapor Recubrimientos comestibles activos para frutas tropicales Nombre del Responsable: D.C. Raúl Avila Sosa Sánchez Si colaboran más integrantes mencionarlos: D.C. Addí Rhode Navarro Cruz D.C. Carlos Enrique Ochoa Velasco M.C. Obdulia Vera López Nombre del estudiante becario: Pérez García Gabriela Ivonne Matricula: 201224554 Programa Académico: Licenciatura en Químico Farmacobiólogo Nombre del estudiante becario: Matricula: Programa Académico: Licenciatura en Químico Farmacobiólogo

Indique el Área de aplicación

( ) Salud ( ) Energía y Medio Ambiente

( ) Electrónica, Computación y Comunicaciones

( X ) Agroalimentación ( ) Biotecnología ( ) Materiales ( ) Otro ______________

2

INFORMACIÓN DEL PROYECTO Resumen: El cacahuate (Arachis hypogaea L.) es un cultivo importante para México, el estado de Puebla ocupa el cuarto lugar en producción, siendo la región de la mixteca poblana la más destacada del estado. Tiene un contenido de cáscara del 25-30% que suele desecharse debido a que no se le ha dado un uso eficiente, por lo que suelen incinerarla a cielo abierto provocando contaminación al medio ambiente. Por otro lado existen serias preocupaciones acerca del uso indiscriminado de empaques para alimentos ya que generalmente no son biodegradables lo que provoca altos niveles de contaminación a nivel mundial por lo que el objetivo principal de este proyecto es el de desarrollar diferentes tipos de bio-empaques a partir de cáscara de cacahuate proponiendo las siguientes etapas: realizar diferentes formulaciones a partir de diferentes relaciones de cáscara de cacahuate y diferentes tipos de plastificantes. Elaborar diferentes tipos de empaques a partir de la mejor formulación obtenida. Evaluar las propiedades físicas y mecánicas de los empaques elaborados Palabras Claves: Bio-empaques, reutilización de subproductos Describir el problema tecnológico a resolver: El cacahuate (Arachis hypogaea L.) es un cultivo importante para México, el estado de Puebla ocupa el cuarto lugar en producción, siendo la región de la mixteca poblana la más destacada del estado (Financiera Rural, 2011). El cacahuate es aprovechado en la industrialización de productos de confitería, pan, dulces, galletas, entre otros, y para la fabricación de aceite, harina, crema, etc. Tiene un contenido de cáscara del 25-30% que suele desecharse debido a que no se le ha dado un uso eficiente, por lo que suelen incinerarla a cielo abierto provocando contaminación al medio ambiente, además de no poseer valor proteico por lo que sólo una pequeña parte es utilizada como alimento para ganado, como camada de aves de corral, combustible de calderas, medio de cultivo para hongos, entre otros (Arguello et al., 2005). Por otro lado existen serias preocupaciones acerca del uso indiscriminado de empaques para alimentos ya que generalmente no son biodegradables lo que provoca altos niveles de contaminación a nivel mundial (Srinivasa y Tharanathan, 2007). Esto ha llevado a la investigación y desarrollo de biopolímeros que puedan aliviar de manera gradual este problema. Una de las posibles soluciones es el uso de películas comestibles como una alternativa a los polímeros sintéticos. En tiempos recientes se han incrementado las aplicaciones de estas películas comestibles (quitosano, almidón y suero de leche, entre otros) ofreciendo ventajas como biocompatibilidad, apariencia estética, propiedades de barrera y de funcionalidad, así como la incorporación de agentes antioxidantes y antimicrobianos (Cha y Chinnan, 2004; Marsh y Bugusu, 2007). Antecedentes del Proyecto a desarrollar: La producción mundial de cacahuate es de aproximadamente 34 millones de toneladas procedentes de una superficie de 23 millones de hectáreas. La India y China son los principales países productores de cacahuate ya que en conjunto representan cerca del 61% de la producción (InfoAgro, 2012). México representa el 0.39% de la superficie mundial y produce el 0.47% del total mundial y ocupa el lugar 21 de 32 países en cuanto a producción obtenida (Corporación Chapingo S. A. de C. V., 2003). La Mixteca poblana se ubica como un importante productor de cacahuate, esto debido a que el estado de Puebla es el cuarto productor de cacahuate a nivel nacional, pues aporta el 9.3 % del total, el liderazgo lo tiene Sinaloa con 24.7%, seguido por Chihuahua 24.1%, Chiapas 10.7% y Oaxaca 9.2%. Cerca de 400 productores de cacahuate de 31 municipios pertenecen a la Mixteca poblana, en los cuales el cacahuate, producto de consumo mundial, concentra su producción en la región de Izúcar de Matamoros, en los municipios de Acatlán de Osorio, Tehuitzingo, Chiautla de Tapia, Chietla, Huaquechula, Tepexco y Ahuatlán. (Financiera Rural, 2011) El principal uso de la cáscara o cascarilla, es como combustible de calderas. Se requiere de quemadores especiales deben ser empleados para reducir la cantidad de humo y cenizas

3

volantes que genera la combustión, la mayoría de las veces es incinerada a cielo abierto provocando contaminación al medio ambiente, por la liberación de gases tóxicos La estructura celular de la cáscara de cacahuate está formada por compuestos lignocelulósicos tales como celulosa, hemicelulosa y lignina, entre otros. Autores como Woodroof (1983) y Yeboah (2003) han descrito la composición química de la cáscara conformada principalmente celulosa, hemicelulosa y lignina. Fundamentación Técnica del Proyecto: El reemplazo total de los plásticos sintéticos por materiales biodegradables para la elaboración de empaques no se ha logrado hasta el presente, no obstante si se han sustituido algunos polímeros sintéticos por otros naturales, en aplicaciones específicas. Tales reemplazos han permitido el desarrollo de productos con características específicas relacionadas con las propiedades de barrera, mecánicas y térmicas en determinados empaques como películas, protectores, espumas, envolturas, platos, tasas, cucharas, bolsas, etc. Más que el origen, la estructura química de los biopolímeros es la que determina la biodegradabilidad. El uso de tales biopolímeros abre un gran potencial económico y benéfico en el área de los empaques, dada la similitud de los materiales naturales con los sintéticos por sus excelentes propiedades mecánicas, de barrera y transmisión de luz. La innovación en técnicas de conservación e integridad estructural de los alimentos, así como la completa biodegradación debe ser adaptado a los constituyentes de los bio-empaques. El desarrollo de materiales biodegradables pertenece a nichos de mercado bien definidos, pero se pueden ampliar a otros en el futuro, en la medida en que la investigación entre en contacto con otras fuentes o interrogantes planteados para la obtención, elaboración y fabricación de materiales biopoliméricos para bio-empaques. La formación de este tipo de empaques generalmente involucra diferentes tipos de enlaces (iónico, covalente, puentes de hidrógeno, interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Walls) entre las cadenas que conforman al polímero, formando una red semirígida que atrapa e inmoviliza al solvente. Dos tipos de fuerzas intervienen a nivel molecular. La primera es la fuerza de cohesión que actúa entre las moléculas del polímero, y la segunda es la fuerza de adhesión que se ejerce entre el recubrimiento y la superficie a cubrir. Sólo los polímeros de alto peso molecular tienen suficiente fuerza de cohesión y capacidad de coalescencia, para producir estructuras apropiadas para diferentes solventes. El grado de cohesión afecta las propiedades del recubrimiento como son la densidad, compactabilidad, porosidad, permeabilidad, flexibilidad y opacidad (Donhowohe y Fennema, 1994; Guilbert, 1996; García et al., 2000). La cohesión y adhesión están relacionadas con la estructura, composición química, peso molecular, regularidad de las cadenas estructurales, ramificaciones, polaridad y distribución de grupos polares de la cadena polimérica. La cohesión y rigidez del recubrimiento se ven favorecidas por un orden superior de las cadenas. Los grupos polares disminuyen la difusión molecular pero promueven la formación de cadenas laterales ordenadas. La desnaturalización y algunos aditivos que promueven enlaces cruzados se utilizan para tener un orden molecular. La funcionalidad del polímero también está relacionada con las características del solvente. La solvatación del polímero y la extensión de la cadena polimérica pueden producir películas más eficientes. El grado de cohesión dependerá de la estructura polimérica, el solvente utilizado, la temperatura y la presencia del plastificante (Banker, 1966; Guilbert, 1996; Srinivasa y Tharanathan, 2007). Los empaques biodegradables se obtienen de recursos naturales renovables. Pueden ser mezclados con plastificantes para mejorar las propiedades mecánicas, de barrera y transmisión de luz. Además, son amigables al medio ambiente, ventaja comparativa con respecto a los polímeros sintéticos usados en el empacado de alimentos dada su biodegradabilidad. Por estas razones la producción, el benéfico, la transformación y mercadeo agroindustrial de los biopolímeros autónomos latinoamericanos pueden utilizarse en el desarrollo de bio-empaques. El Cuerpo Académico en Consolidación de Bioquímica-Alimentos en los últimos años se ha dedicado a la investigación y desarrollo de películas y recubrimientos comestibles con resultados derivados en trámites de patentes a través del DITCo, estas experiencias junto con

4

la de generación de conocimiento, aplicación y formación de recursos humanos hace que se tenga un amplio margen para cumplir con los objetivos del proyecto. Objetivo: Desarrollar diferentes tipos de bio-empaques a partir de cáscara de cacahuate Objetivos específicos: Realizar diferentes formulaciones a partir de diferentes relaciones de cáscara de cacahuate y diferentes tipos de plastificantes Elaborar diferentes tipos de bio-empaques a partir de la mejor formulación obtenida Evaluar las propiedades físicas y mecánicas de los empaques elaborados Metodología: Etapa 1:Se realizará un diseño experimental de 32 en donde se probarán como variables la cantidad de polímero (cáscara de cacahuate), los diferentes tipos y cantidades de plastificantes (sorbitol y glicerol) así como la temperatura de formación del bio-empaque. Los componentes de las mezclas se homogenizarán durante 24 horas para después someterlas a temperaturas de 160ºC para posteriormente adicionar agua y gelificar en un molde. Etapa 2: Para elaborar los diferentes tipos de empaques (inicialmente platos y vasos) se utilizará la la técnica de preformado térmico la cual consistirá en poner en moldes de acrílico para dar las formas requeridas y ser secadas a 45ºc por 8 horas. Etapa 3: Una vez elaborados los diferentes tipos de empaques se las pruebas mecánicas de resistencia y elongación por medio de la norma ASTM D 638. Así como pruebas de resistencia a la permeabilidad de agua. Desglose de presupuesto:

Descripción Cantidad Becas (2) $40,000.00 Apoyo para participación en eventos con ponencia $10,000.00 Equipo menor de investigación $40,000.00 Materiales y artículos consumibles $60,000.00 Total:$150,000.00

Bibliografía:

1. Arguello, R., Gatani, M. y Berretta, H. 2005. Componentes constructivos elaborados con cáscara de cacahuete (maní) y cemento. Primeros estudios sobre las incompatibilidades físico - químicas en el fraguado del material. Seminario Iberoamericano de Tecnología de Materiales.

2. Cha, D.S. y Chinnan, M.S. 2004. Biopolymer-based antimicrobial packaging: A review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 44: 223-237.

3. Corporación Chapingo S. A. de C. V. (2003).Programa Estratégico de Necesidades de Investigación y Transferencia de Tecnología Cadena Productiva de Cacahuate Recuperado el 30 de enero de 2016 Disponible en www.cofupro.org.mx/cofupro/Publicacion/Archivos/penit9.pdf

4. Financiera Rural, 2011. Monografía del cacahuate. Consultado en http://www.financierarural.gob.mx/informacionsectorrural/Documents/Monografias/Monograf%C3%ADa%20Cacahuate_Junio-2011.pdf el 05 de febrero de 2016.

5. Gatani, M. y Argüello, R. (2007). Nuevos materiales de construcción sustentable con cáscaras de maní. Ensayos de comportamiento mecánico con variación de la granulometría del agregado. IV Encontro Nacional e II Encontro Latino-americano sobre Edificações e Comunidades Sustentáveis. Pp 926 – 935.

6. Infoagro. (2012). Cacahuate. Recuperado el 6 de febrero de 2016. Disponible en http://www.infoagro.com/frutas/frutos_secos/cacahuete.htm.

5

7. Marsh, K. y Bugusu, B. 2007. Food packaging-roles, materials, and environmental issues. Journal of Food Science. 72(3): R39-R55.

8. Srinivasa, P. C. y Tharanathan, R. N. 2007. Chitin/Chitosan-Safe, ecofriendly packaging materials with multiple potential uses. Food Reviews International. 23: 53-72.

9. Woodroof, J.G. (1983). PEANUTS. Production, processing, products. The AVI Publishing company, INC. Westport, Conneticut.

10. Yeboah, Y. (2003). Biomasa Pyrolisis Unit for the Production of Hydrogen from Peanut shell. Hydrogen, Fuel Cells and Infraestructure Technologies Program Review Meeting, Berkeley CA. Recuperado el 10 de enero de 2016. Disponible en www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdf/merit03/33_cau_yaw_yeboah.pdf.

Otros:

METAS COMPROMISO A LA CONCLUSIÓN DEL PROYECTO

Los compromisos del presente proyecto son: Participar en la próxima convocatoria del CUVyTT de registro de patentes. La presentación de los resultados en un Congreso Nacional.La publicación de parte de los resultados en memoria en extenso.La titulación de un estudiante de licenciatura.

INFORMACIÓN DE POTENCIAL COMERCIAL

VENTAJAS COMERCIALES POTENCIALES Materia prima disponible, abundante y barata. La tecnología que se propone no requerirá de una alta inversión en equipos especiales. Los prototipos a desarrollar será amigables con el medio ambiente dado su alta degradación. Valor agregado al cacahuate y potenciar las actividades econonómicas de los productores

METAS COMPROMISO DE TIPO DE DESARROLLO

( X ) Proceso o metodología ( ) Equipo o dispositivo ( ) Servicio

( ) Otro (especificar)

INDIQUE EL GRADO A ACANZAR DEL ENTREGABLE AL FINALIZAR

( X ) Metodología ( ) Diseño ( ) Prototipo de laboratorio

( ) Diseño industrial o para escalamiento ( ) Modelo escala real

( ) pruebas de concepto en campo ( ) Otro ______________

6

EN SU CASO, DISTINCIÓN CON OTROS DESARROLLOS TECNOLÓGICOS YA COMERCIALIZADOS

Existen en el mercado desarrollos similares, la diferencia es que se hace de polímeros puros, en este caso se está aprovechando como materia prima un producto de desecho para industria altamente contaminate que puede tener un potencial comercial interesante.

NECESIDADES DEL MERCADO QUE CUBRE LA TECNOLOGÍA Una gran cantidad de materiales de empaque están hechos de polietileno (PE) y polipropileno (PP). Estos son biodegradables, pero requieren una gran cantidad de tiempo y condiciones especiales para degradarse. Las empresas de empaque en todo el mundo están llegando a soluciones para sustituir el PE y PP con materiales naturales como el almidón, maíz, pasta de madera y el algodón, la papa, etc.

ANÁLISIS DE COMPETENCIA (Información sobre competidores, así como de productos y/o tecnologías competitivas)

Aunque existen diferentes competidores hay pocas empresas que están desarrollando este tipo de propuestas sobre todo con la reutilización de subproductos agrícolas.

USUARIOS Y/O CLIENTES POTENCIALES (Empresas, Público)

Nacional: Público en general Empresas de empaques (Convermex)

En el extranjero:

Público en general Empresas de empaques