Almidón de yuca para combatir la contaminación de las aguas

A través de la modificación química este almidón tiene el potencial de ser utilizado como un bioadsorbedor de bajo costo para eliminar los contaminantes más comunes en el agua.

Uno de los desafíos más importantes que enfrenta la humanidad en la actualidad es conservar y mantener los escasos recursos hídricos, que, además, se ven amenazados debido al aumento de contaminantes derivados de la actividad humana (antropogénicos).  

Aproximadamente el 90% del suministro de agua en las ciudades está contaminado, de los cuales 70% son aguas residuales domésticas y el 33% son aguas residuales industriales que se vierten directamente en lagos y ríos sin tratamiento previo, representando una grave amenaza ecológica.  

Los colorantes y los metales pesados se encuentran entre los contaminantes más comunes, cuya ingestión tanto en humanos como en animales podría tener un efecto nocivo y prolongado. Estos son muy utilizados en la producción de papel, textiles, caucho, comida, cuero y productos cosméticos entre otros, por ello su producción, a nivel mundial, supera las 70000000 toneladas al año.  

Se estima que alrededor del 15% de los colorantes producidos anualmente se vierten en cuerpos de agua afectando negativamente al ecosistema acuático, ya que reducen la transparencia del agua, disminuyendo así la penetración de la luz e interfiriendo con la fotosíntesis, lo que reduce el oxígeno disuelto y compromete el desarrollo y la subsistencia de la flora y la fauna acuática, representando también un riesgo potencial para la salud humana.  

Debido a que una cantidad significativa de colorantes no utilizados permanece en las aguas residuales de la industria, existe gran interés en la búsqueda de tratamientos eficaces y rentables, para que estas puedan ser utilizadas para beber y otros fines, particularmente en los países semiáridos donde los recursos hídricos son de gran preocupación.  

Una investigación reciente, explora el uso de almidón de yuca (Manihot esculenta), un arbusto perenne extensamente cultivado en América, África y Oceanía, como una alternativa ecológica para adsorber contaminantes de aguas residuales.  

El almidón es la reserva de carbohidratos más abundante en las plantas, en el caso de la yuca se concentrado particularmente en sus raíces, constituyendo una materia prima natural abundante, económica, renovable y totalmente biodegradable. La industria de procesamiento de raíces de yuca genera alrededor de once millones de toneladas de corteza (desecho) y otros residuos del procesamiento de raíces al año, desde donde se puede extraer el almidón  

Debido a que la mayoría de los almidones nativos son inestables con respecto a los cambios en la temperatura, el pH y las fuerzas que determinan su viscosidad, mostrando una fuerte tendencia a la descomposición y la retrogradación (recristalización), su aplicación directa es limitada.  

Para reducir estas limitaciones en el almidón de yuca y mejorar sus aplicaciones, el equipo de investigación exploró su modificación con ácidos orgánicos y el desempeño como adsorbente de colorantes catiónicos tras la modificación química. Este tipo de modificación química implica la introducción de grupos funcionales (un átomo o un arreglo de átomos que le confiere propiedades características y un comportamiento químico determinado), generando cambios significativos en el comportamiento del almidón, la capacidad de gelatinización y las propiedades de retrogradación.  

El equipo de investigación utilizó tres ácidos orgánicos: ácidos malónico, glutárico y valérico en solución acuosa a diferentes concentraciones para introducir grupos funcionales a través de una reacción de derivación química llamada esterificación, a través de la cual se pudo generar tres tipos de almidones modificados.  

Posteriormente se procedió a la caracterización estructural y morfológica de los almidones modificados, la que mostró concordancia con la estructura química del ácido incorporado en el almidón. Por ejemplo, al medir la solubilidad del almidón modificado con los tres ácidos, el equipo pudo observar una disminución de esta con las modificaciones del malónico y valérico. Estos resultados están de acuerdo con la estructura química de los ácidos utilizados, ya que el ácido valérico es la estructura más hidrófoba, además el grado de sustitución con este ácido fue mayor que con los otros ácidos utilizados.  

El poder de hinchamiento aumentó para todas las modificaciones realizadas con respecto al almidón sin modificar, es decir la introducción de diferentes grupos químicos permitió la interacción de más moléculas de agua con los grupos funcionales de las moléculas de almidón. Los gránulos de almidón con menor solubilidad tienden a incorporar más agua y tienen el mayor hinchamiento.  

El equipo de investigación, a través del uso de técnicas como la difracción de rayos X, la espectroscopía de infrarrojo y Microscopía electrónica de barrido, entre otras,  evaluó diferencias estructurales de los almidones nativos y modificados. Constatando cambios en el patrón de difracción de rayos X e infrarrojo, lo que da cuenta de la presencia de grupos funcionales correspondientes a las modificaciones realizadas. Además, a través de las imágenes de microscopía electrónica se observó claramente un cambio en la superficie del gránulo con respecto al almidón sin modificar.  

Con las modificaciones realizadas por el equipo de investigación se logró mejorar la estabilidad térmica con respecto al almidón sin modificar, lo cual está de acuerdo con la estructura química y la hidrofobicidad de los ácidos orgánicos incorporados. Los resultados del análisis termogravimétrico mostraron que, para el almidón modificado, la pérdida de agua disminuyó con respecto al almidón nativo. Para este último se observó una pérdida del 10% en peso relacionada con el agua absorbida; por su parte, para el almidón modificado, este porcentaje disminuyó notablemente. Esto se traduce en que se requiere una mayor temperatura para la descomposición lo que indica que las modificaciones realizadas sobre el almidón mejoraron su estabilidad térmica.  

Finalmente, las y los investigadores evaluaron el rendimiento de adsorción con las modificaciones realizadas sobre el almidón de yuca. El proceso de adsorción puede describirse como la simple transferencia de masa de la fase líquida a la fase sólida, es decir, la separación basada en la adsorción selectiva de los contaminantes por un adsorbente (el almidón) debido a interacciones específicas entre la superficie del material adsorbente y los contaminantes adsorbidos. Se usó el colorante orgánico azul de metileno como ejemplo de agente contaminante. Las pruebas permitieron al equipo investigación constatar un aumento en la capacidad de adsorción en almidón modificado la que varía según el ácido orgánico utilizado. El mayor valor de adsorción de azul de metileno se obtuvo con la modificación del ácido valérico, mientras que los valores de concentración adsorbidos de este colorante para los ácidos malónico y glutárico fueron similares lo que podría explicarse por las estructura químicas similares.  

En el proceso de adsorción intervienen las propiedades de difusión del adsorbato (colorante) dentro de la estructura interna del adsorbente (almidón) y el tipo de interacciones entre las moléculas de adsorbato y los sitios de unión del adsorbente. La investigación demostró que la adsorción de azul de metileno se llevó a cabo mediante interacciones físicas como enlaces de hidrógeno y atracciones electrostáticas de acuerdo con las estructuras químicas. También están involucradas interacciones químicas a través de reacciones químicas de superficie con los grupos funcionales que contienen oxígeno.  

En conjunto los resultados investigación demuestran que  la adsorción global de almidón de yuca se mejoró mediante las modificaciones realizadas y que estos nuevos almidones modificados se pueden utilizar como bioadsorbedores “verdes”, obtenidos de fuentes naturales, de bajo costo para eliminar los contaminantes de los colorantes catiónicos, constituyendo una alternativa ecológica eficiente.  

Referencia

Alvarado, N., Abarca, R.L., Urdaneta, J. et al. Cassava starch: structural modification for development of a bio-adsorber for aqueous pollutants. Characterization and adsorption studies on methylene blue. Polym. Bull. 78, 1087–1107 (2021). https://doi.org/10.1007/s00289-020-03149-9

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