Almidón y fibras como materia prima para elaborar plásticos sustentables

En atención a las nuevas políticas y normativas regulatorias para reducir la contaminación por plásticos, se busca promover un nuevo camino hacia el desarrollo sostenible en toda la cadena de valor.

Desde la perspectiva de investigación y desarrollo, en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) y en el Laboratorio Nacional en Innovación y Desarrollo de Materiales Ligeros para la Industria Automotriz (LANIAUTO), se están desarrollando y diseñando materiales de base biológica procedentes de biopolímeros (almidón de diferentes fuentes botánicas) y residuos agrícolas de la industria del tequila (fibras naturales de Agave tequilana) que sean alternos a los plásticos convencionales y contribuyan al desarrollo sostenible global.

Dichos materiales son rentables, renovables, biodegradables y su uso tiene el potencial de reducir aproximadamente 50,000 millones de toneladas de combustibles fósiles que se utilizan a diario, lo cual ayudaría a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero [1].

Uno de los retos más importantes por mejorar para estos materiales es que, tanto el almidón como las fibras de agave, son altamente afines al agua o hidrofílicas, lo que ha dificultado en parte su aplicación tecnológica.

No obstante, una alternativa para reducir esta limitación es la modificación de estos materiales mediante tecnologías ecológicas o verdes como el plasma frío, un gas ionizado que incluye electrones, radicales libres, moléculas y átomos excitados, que en conjunto pueden modificar los enlaces químicos en la estructura y superficie del almidón y fibras [2]. Cabe destacar que, durante la modificación por plasma frío, no se usan solventes y, por tanto, no se emiten residuos tóxicos al medioambiente.

Actualmente, la modificación del almidón y de fibras de agave por plasma es una línea de investigación estratégica del CIQA para el desarrollo de materiales sustentables.

Particularmente, al explorar el efecto del plasma frío de hexametildisiloxano (HMDSO) sobre gránulos de almidón de maíz, se ha encontrado que el tratamiento promueve cambios en el orden, arreglo y estabilidad térmica de la estructura de sus componentes (amilosa/amilopectina) sin incorporar nuevos elementos del HMDSO [3].

Dichos descubrimientos son de alto valor para industrias de empaque o de alimentos que requieran procesar almidón a altas temperaturas [4]. Asimismo, empaques biodegradables elaborados con almidón modificado con plasma de HMDSO han mostrado alto entrecruzamiento e incrementado su desempeño hidrofóbico al disminuir significativamente la difusión o permeabilidad de moléculas de agua a través del biomaterial [5, 6].

También, al explorar el efecto del plasma HMDSO sobre fibras de agave, se ha encontrado que el tratamiento cambia el alto carácter hidrofílico de las fibras (figura 1a) por uno altamente hidrofóbico o repelente al agua (figura 1b), ya que remueve componentes lignocelulósicos (pectina, hemicelulosa, lignina y ceras) superficiales.

Inspirados en las características hidrofóbicas de las fibras modificadas por plasma, se han empleado como materia prima para elaborar películas base almidón (figura 1 c). Las fibras mostraron ser un relleno hidrofóbico altamente eficiente al reducir la adsorción y difusión de agua a través del material [7].

Asimismo, las fibras modificadas han mostrado alta afinidad con una matriz de almidón y actúan como agente reforzante, además de incrementar el desempeño mecánico del material. Por ejemplo, los valores de módulo de Young o de elasticidad se incrementaron de 12 MPa (película base almidón) hasta 202 MPa en aquellas que contenían fibra modificada con plasma [8].

Los hallazgos descritos muestran el alto potencial de la tecnología emergente del plasma frío, ya que puede modificar y transformar almidones y fibras naturales en materias primas hidrofóbicas y reforzantes para desarrollar materiales sustentables que promuevan una economía circular en nuestro país.

Con base en lo anterior, el CIQA prosigue estos estudios con la intención de incrementar el grado de maduración tecnológica y escalamiento de prototipos de estos materiales a escala planta piloto, puesto que a diversos sectores de la industria les pueden resultar de interés estos desarrollos.

---

Referencias

1. A. Bernstad Saraiva, E.B.A.V. Pacheco, G.M. Gomes, L.L.Y. Visconte, C.A. Bernardo, C.L. Simões, A.G. Soares. Comparative lifecycle assessment of mango packaging made from a polyethylene/natural fiber-composite and from cardboard material, J. Clean. Prod. 139 (2016) 1168–1180. 
2. U.S. Gupta, M. Dhamarikar, A. Dharkar, S. Chaturvedi, A. Kumrawat, N. Giri, S. Tiwari, R. Namdeo. Plasma modification of natural fiber: A review, Mater. Today Proc. 43 (2020) 451–457. 
3. I. Sifuentes-Nieves, G. Velázquez, P.C. Flores-Silva, E. Hernández-Hernández, G. Neira-Velázquez, C. Gallardo-Vega, G. Méndez-Montealvo. HMDSO plasma treatment as alternative to modify structural properties of granular starch, Int. J. Biol. Macromol. 144 (2020) 682–689. 
4. I. Sifuentes-Nieves, G. Méndez-Montealvo, P.C. Flores-Silva, M. Nieto-Pérez, G. Neira Velázquez, O. Rodríguez Fernández, E. Hernández-Hernández, G. Velázquez. Dielectric barrier discharge and radio-frequency plasma effect on structural properties of starches with different amylose content, Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 68 (2021) 102630.
5. I. Sifuentes-Nieves, P.C. Flores-Silva, C. Gallardo-Vega, E. Hernández-Hernández, G. Neira-Velázquez, G. Méndez-Montealvo, G. Velázquez. Films made from plasma-modified corn starch : Chemical, mechanical and barrier properties, Carbohydr. Polym. 237 (2020) 116103.
6. P. Hernández-Pérez, P.C. Flores-Silva, G. Velázquez, E. Morales-Sánchez, O. Rodríguez-Fernández, E. Hernández-Hernández, G. Méndez-Montealvo, I. Sifuentes-Nieves. Rheological performance of film-forming solutions made from plasma-modified starches with different amylose/amylopectin content, Carbohydr. Polym. 255 (2021). 
7. I. Sifuentes-Nieves, R. Yáñez Macías, G. Neira Velázquez, G. Velázquez, Z. García Hernández, P. González Morones, E. Hernández Hernández. Biobased sustainable materials made from starch and plasma / ultrasound modified Agave fibers: Structural and water barrier performance, Int. J. Biol. Macromol. 193 (2021) 2374–2381. 
8. I. Sifuentes-Nieves, R. Yáñez Macías, P. Flores-Silva, P. González Morones, C. Gallardo Vega, E. Ramírez Vargas, E. Hernández Hernández. Ultrasound/plasma-modified Agave fibers as alternative eco-sustainable raw material to reinforce starch-based films, J. Polym. Environ. (2022). In Press.