Caracterización de las propiedades físicoquímicas y antimicrobianas de biopelículas elaboradas con almidón de jícama (pachyrhizus erosus) adicionadas con nanopartículas de hidróxido de calcio

Abstract

"El presente estudio tuvo como objetivo evaluar el efecto de las nanopartículas de hidróxido de calcio (Ca(OH)2-NP) sobre las propiedades fisicoquímicas y antimicrobianas de biopelículas (BP) desarrolladas a partir de almidón de jícama. Inicialmente, se extrajo y purificó el almidón. Posteriormente, se elaboraron BP mediante el método de vaciado en placa (¨Casting¨), aplicando un diseño de mezclas que incluyó 13 formulaciones con distintas proporciones de almidón de jícama y glicerol. A partir esta etapa, se determinó la formulación optima (4.4142% p/v almidón y 1.3550% glicerol), la cual destacó por su manejabilidad, continuidad, homogeneidad, así como por su flexibilidad superior y notable resistencia a la tensión. Con la formulación óptima establecida, se aplicó un diseño experimental completamente al azar, incorporando Ca(OH)₂-NP en concentraciones de 50, 100 y 150 ppm a las BP. Y se evaluaron los siguientes parámetros: humedad (%), solubilidad (%), color (L*, a*, b*), opacidad (mm 1), espesor (mm), propiedades mecánicas como la resistencia a la tensión (MPa), elongación al rompimiento (%) y módulo de Young (MPa), y permeabilidad al vapor de agua (g/s·m Pa). Además se obtuvieron micrografías de la superficie mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) y la composición elemental (% peso y % atómico) a través del análisis de energía dispersiva de rayos X (EDX). El efecto antimicrobiano de las BP se evaluó mediante el método de difusión en agar, cuantificando el diámetro de los halos de inhibición (mm) frente a tres cepas bacterianas específicas: Escherichia coli, Salmonella thyphimurium y Listeria monocitogenes. Los resultados obtenidos mostraron que la incorporación de Ca(OH)₂-NP influyó significativamente (p≤0.05) en la mayoría de las propiedades de las BP. En cuanto a las propiedades de interacción con el agua, se observó un aumento significativo (p≤0.05) en el contenido de humedad, alcanzando 30.12% en el tratamiento con 150 ppm de NP (frente a 17.59% en el testigo). De manera inversa, la solubilidad disminuyó significativamente (p<0.05) hasta 22.89% en el tratamiento con 150 ppm (frente a 74.21% en el testigo). La permeabilidad al vapor de agua (WVP), pese a no presentar diferencias significativas (p<0.05) entre los cuatro tratamientos, mostró una ligera disminución en el tratamiento con 150 ppm (2.34E-10 g/(s·m·Pa)), sugiriendo un efecto más consistente a concentraciones aún más elevadas. Respecto a las propiedades ópticas y estructurales, 1 la opacidad aumentó significativamente (p<0.05) hasta 0.46 mm⁻¹ en el tratamiento con 150 ppm (frente a 0.34 mm⁻¹ en el testigo). Por otro lado, el espesor no presentó diferencias significativas (p≤0.05) entre los tratamientos. En relación al color, aunque los parámetros L*, a* y b* mostraron variaciones (indicando tonalidades blancas, rojizas y azules, respectivamente), el valor de ΔE reveló que estas diferencias cromáticas fueron prácticamente imperceptibles al ojo humano. Las propiedades mecánicas presentaron diferencias significativas (p<0.05), principalmente en el tratamiento con 150 ppm de NP en comparación con el testigo. Para este tratamiento, se registraron valores de 1.74 MPa para la resistencia a la tensión, 21.96% para la elongación al rompimiento y 10.2 MPa para el módulo de Young. Estos resultados indican que las BP de almidón de jícama con Ca(OH)₂-NP exhibieron una combinación de propiedades mecánicas relevantes para aplicaciones que requieran durabilidad, protección y soporte estructural. Por su parte, el análisis elemental por EDX confirmó la incorporación efectiva de las Ca(OH)₂-NP en las BP, con un contenido de calcio que aumentó en función de la concentración. El calcio, elemento aportado exclusivamente por las NP, se detectó en los tratamientos de 50, 100 y 150 ppm, siendo el de 150 ppm significativamente diferente (p≤0.05) a los demás tratamientos y alcanzando valores de hasta 6.54% en peso y 2.19% en porcentaje atómico. Estos hallazgos validaron la presencia y la carga de NP en la superficie de las BP y fueron coherentes con las modificaciones morfológicas observadas mediante microscopía SEM. Las micrografías exhibieron una superficie notablemente más lisa y homogénea en el tratamiento con 150 ppm en comparación con el testigo y con los tratamientos de 0, 50 y 100 ppm; sin embargo, es importante señalar que a esta alta concentración se presentó aglomeración a nivel nano. Finalmente, el análisis antimicrobiano demostró que las BP con Ca(OH)₂-NP tienen un efecto bacteriostático. En el tratamiento con 150 ppm, se observaron halos de inhibición superiores de 2.78 mm para Escherichia coli, 1.89 mm para Salmonella typhimurium y 1.78 mm para Listeria monocytogenes. En conclusión, estos resultados validan el potencial de las BP de almidón de jícama adicionas con Ca(OH)₂-NP como materiales con características funcionales importantes para su consideración en el desarrollo de empaques activos, contribuyendo a la protección y seguridad de alimentos."