Efecto de cuatro formulaciones y tres temperaturas de proceso en la producción de bioplásticos con sargazo deshidratado

Effect of four formulations and three process temperatures on the production of bioplastics with dehydrated sargassum

Yanilka Alcántara-De Tejadaa, b *; Yulisa Alcántara-Martea, b; José Tejada-Torresa, b

a Facultad de las Ingenierías. Universidad Católica del Cibao. Avenida Universitaria, Esq. Av. Pedro A. Rivera, La Vega, República Dominicana.

b Facultad de Ciencias Agroalimentarias y del Ambiente. Universidad ISA. Av. Pte. Antonio Guzmán Fernández, km. 5½, La Herradura, Santiago de Los Caballeros, República Dominicana.

* Autor corresponsal: Y. Alcántara-De Tejada [ yanilkaalcantara@hotmail.com | https://orcid.org/0000-0002-6145-4984 ]

Y. Alcántara-Marte [ yulisay.alcantaramarte@yahoo.com | https://orcid.org/0000-0002-6833-2795 ]

J. Tejada-Torres [ jtejadatorres@gmail.com | https://orcid.org/0000-0002-7371-4907 ]

Resumen

La invasión por sargazo a las costas de República Dominicana es una de las principales amenazas que atentan contra el turismo. Una opción para enfrentar este problema es incentivar su uso y aprovecharlo, creando protocolos eficientes y repetitivos de la extracción de biopolímeros eficaces en la agricultura, industria de alimentos, cosmética y farmacéutica, permitiendo reducir las importaciones de estos productos y constituyendo una alternativa para mitigar el impacto ambiental que causa esta alga. En esta investigación se estudió el efecto de cuatro formulaciones y tres temperaturas de producción sobre propiedades físicas, sensoriales, porcentaje de cenizas, facilidad de moldeo y de degradación de bioplásticos elaborados de sargazo deshidratado. Los datos fueron sometidos a análisis de varianza y las medias separadas empleando la prueba de Tukey con una confiabilidad de 95%, mediante el programa Statistix 8.0. Según los resultados, la formulación afecta las propiedades físicas y de degradación evaluadas a los bioplásticos y las temperaturas de proceso afectan las propiedades físicas y de degradación, a excepción del índice de absorción de agua y la degradación al ambiente. Los bioplásticos a base de sargazo presentaron un olor fuerte característico de esta macroalga, independientemente de la cantidad adicionada y de la temperatura de proceso.

Palabras clave: bioplástico; sargazo; proceso de producción; formulación; temperatura.

Abstract

The invasion of sargassum on the coasts of the Dominican Republic is one of the main threats to tourism. One option to address this problem is to encourage and leverage its use by creating efficient and repeatable protocols for the extraction of effective biopolymers in agriculture, food, cosmetics, and pharmaceutical industries, which allows for a reduction in imports of these products and constitutes an alternative to mitigate the environmental impact caused by this alga. This research studied the effect of four formulations and three production temperatures on the physical and sensory properties, ash percentage, moldability, and degradation of bioplastics made from dehydrated sargassum. The data were subjected to analysis of variance, and the means were separated using the Tukey test with a 95% reliability, using Statistix 8.0 software. According to the results, formulation affects the physical and degradation properties of bioplastics, and the process temperatures also affect them, except for the water absorption rate and environmental degradation. The sargassum-based bioplastics exhibited a strong odor characteristic of this macroalgae, regardless of the amount added and the process temperature.

Keywords: bioplastic; sargassum; production process; formulation; temperature.

1.        Introducción

República Dominicana es uno de los países tropicales afectados por las invasiones inusuales de algas pardas, principalmente del género Sargassum C. Agardh, que afectan a los recursos acuáticos, las costas y las actividades sociales y económicas realizadas en ellas (Suárez & Martínez-Daranas, 2018). Diversos autores concuerdan en que sus florecimientos y proliferación masiva en el Caribe y el Atlántico en las últimas décadas plantean problemas importantes para las comunidades locales y el ambiente, derivando incluso en consecuencias desastrosas (Lopresto et al., 2022; Dassié et al. (2022).

En el 2018 la producción mundial registrada de algas acuáticas fue de 32,4 millones de toneladas (FAO, 2020) y específicamente para República Dominicana, las estimaciones del Ministerio de Medio Ambiente indican que en 2019 unas cuarenta y nueve playas nacionales fueron impactadas por la llegada de sargazo, representando una acumulación de 2.424.800 metros cúbicos (Rodríguez et al., 2020).

El sargazo es una materia prima que ha sido objeto de experimentaciones y proyectos prometedores para su uso en múltiples industrias y aplicaciones, como la medicina, la cosmética, la alimentaria el tratamiento de aguas y los biocombustibles (FAO, 2020) y tiene potencial para la producción de bioplásticos biodegradables (Latifah et al., 2022; Martínez-Molina et al., 2022), debido a su facilidad de obtención, abundancia y composición. Esta opción permitiría mitigar el grave problema para las costas de República Dominicana, tanto por la utilización de las macroalgas como por la reducción de la presencia de residuos contaminantes provocados por los plásticos sintéticos y el tiempo que tardan en degradarse, ya que, según Garrido et al. (2021), la industria del plástico depende del petróleo y los plásticos derivados no pueden degradarse naturalmente.

Se ha reportado que la producción anual de plástico es mayor de 380 millones de toneladas y aumenta a una tasa del 4% por año; en consecuencia, se han generado 6.300 millones de toneladas de residuos derivados de estos polímeros desde 1950 (Chinthapalli et al., 2019; Geyer et al., 2017). A diferencia de los plásticos sintéticos, los bioplásticos se degradan más fácilmente y pueden contribuir a la transición hacia una "economía plástica circular", en la que se minimiza el uso de recursos no renovables, se fomenta el reciclaje y se reduce la generación de residuos. Este enfoque ha sido promovido por organismos internacionales como la ONU, el Foro Económico Mundial, la Organización Mundial de la Salud y la Unión Europea, que buscan soluciones sostenibles frente al impacto ambiental del plástico (Rosenboom et al., 2022).

El sargazo podría desempeñar un importante papel como base para desarrollar biopolímeros seguros para el medio ambiente y la salud humana, reemplazando los plásticos sintéticos (Garrido et al., 2021). En este sentido, el objetivo de esta investigación fue estudiar el efecto de cuatro formulaciones y tres temperaturas de producción (75, 85 y 95 °C) sobre propiedades físicas, sensoriales y de degradación de plásticos biodegradables elaborados de sargazo deshidratado. Esto permitiría a República Dominicana abordar tanto el problema del sargazo, que está afectando al turismo, como el de la contaminación por plásticos, mientras fortalece su economía y contribuye a los objetivos globales de sostenibilidad.

2.     Metodología

2.1. Ubicación del estudio

La investigación se efectuó en la Universidad Católica del Cibao – UCATECI, La Vega, República Dominicana.

2.2. Materia prima

Se utilizaron las macroalgas cosechadas en Cabrera, República Dominicana. Los demás insumos fueron adquiridos de la empresa Alimentos Líquidos Industriales (Alindus S.A.S.).

2.3. Diseño experimental

Se utilizó un diseño completamente al azar bajo arreglo factorial con dos factores: Fórmula con cuatro niveles (F1, F2, F3 y F4) y temperatura con tres niveles (75, 85 y 95 °C). Se realizaron 3 repeticiones por tratamiento, resultando 36 unidades experimentales.

2.4. Producción y evaluación de bioplásticos de sargazo

Preparación del sargazo previa obtención de los plásticos biodegradables

Se utilizó la metodología de Arellanos Huerta (2019), modificada. Al sargazo recolectado se le aplicaron 5 lavados sucesivos con agua potable, para remover el exceso de partículas y organismos no deseados (reemplazando el agua utilizada en cada lavado). Posteriormente, el sargazo fue pesado y extendido directamente en un secador solar hasta peso constante. Luego fue molido empleando un Procesador Robot Coupe R2 Dice Ultra, pasado por un tamiz No. 120 (125 µm) y envasado en bolsas plásticas con cierre hermético hasta su uso.

Preparación de los plásticos biodegradables

Para la preparación de los bioplásticos se pesaron los ingredientes (Balanza Sartorius BCE224-1S), según la formulación (Tabla 1) y se realizaron las mezclas manteniendo agitación constante hasta homoge-neizar, cuidando que no se adhiera en las paredes del recipiente. Se procedió al calentamiento de la mezcla a temperaturas de 75, 85 y 95°C (Mini termómetro de inmersión Testo), hasta obtener un cambio en su viscosidad o una pasta gelatinizada uniforme. Los productos obtenidos fueron vertidos en moldes de acero inoxidable Honeydak de 8 pulgadas de diámetro y se dejaron reposar y secar durante 48-72 horas a temperatura ambiente (26 a 28°C). Los bioplásticos fueron desmoldados cuidadosamente y se procedió a realizar las analíticas correspondientes.

Tabla 1

Formulaciones para la elaboración de los bioplásticos

Nota: F1: testigo 1; F2: testigo 2.

2.5. Variables evaluadas

Índice de solubilidad en agua (ISA) e índice de absorción de agua (IAA): se midieron acorde con el método estándar ASTM (2005) y se expresaron en porcentajes.

Densidad: se siguió el método descrito por Hernández (2012), expresando el resultado en g mL-1.

Dureza: analizada mediante un durómetro Gain Express 560-10D y expresada como Shore D.

Color: se determinó empleando un colorímetro PRU Precise color reader WR-10QC, con iluminador y ángulo de referencia para valores de entrada y salida igual a D65 10°, registrando los datos L, Croma y Hue.

Degradación: esta variable fue evaluada por diferencia de peso. Al inicio se pesaron 10 g de plástico biodegradable en una balanza analítica Sartorius BCE224-1S y se colocaron en diferentes ambientes (agua de mar, agua dulce y exposición a la intemperie), en botellas de vidrio de 225 mL por 45 días. Se registró la pérdida de peso cada 15 días (en los casos de los bioplásticos sumergidos en agua, estos se sacaron cada 15 días, se dejaron escurrir y secar en papel filtro). El resultado fue expresado en porciento de pérdida de peso en 45 días.

Cenizas totales: método de Hernández (2012), con una mufla SH Scientic Laboratory SH-FU5MGE, expresada como porcentaje.

Olor, apariencia y facilidad de moldeo: metodología de Arellanos Huerta (2019). El olor se clasificó en imperceptible y perceptible; la apariencia como gelatinización completa, parcial o sin gelatinización; la facilidad de moldeo como fácilmente moldeable, dificultad de moldeo y no moldeable.

2.6. Análisis estadístico

Los datos fueron sometidos a análisis de varianza y las medias fueron separadas empleando la prueba de Tukey con una confiabilidad de 95%, mediante el paquete estadístico Statistix 8.0.

3.        Resultados y discusión

A continuación, se presentan los hallazgos de esta investigación.

1.   Características físicas de los bioplásticos

En la Tabla 2 se observa que la formulación afecta las propiedades físicas evaluadas a los bioplásticos de la presente investigación (ISA, IAA, densidad, dureza y parámetros de color L, croma y Hue). Las fórmulas 1 y 2 (con agar) presentan los valores mayores de estas variables, a excepción del Hue (en donde el mayor valor corresponde a la fórmula 4) y de la dureza (donde la fórmula 2 es estadísticamente similar a la 4).

Tabla 2

Resultados de las características físicas de los bioplásticos

Nota: Resultados mostrados en medias y desviaciones estándar. Letras diferentes en una misma columna indican diferencia entre las medias de los tratamientos (p < 0,05).

Los bioplásticos de sargazo pueden presentar una estructura más heterogénea que aquellos obtenidos de agar debido a la variedad de compuestos orgánicos (como alginatos, celulosa y lípidos) y minerales (Edwards et al., 2023). La mayor densidad presentada por los bioplásticos de agar en comparación con el sargazo puede explicarse porque el agar está compuesto principalmente por polisacáridos como la agarosa y la agaropectina (Kadar et al., 2021), que forman una red tridimensional densa y homogénea al gelificarse (Nagarajan et al., 2024). Además, aunque los minerales generalmente incrementan la densidad, la variabilidad en la proporción de componentes podría reducir la densidad al generar estructuras más porosas o heterogéneas (Jantasrirad et al., 2021). En el caso del sargazo, la coexistencia de moléculas con diferentes polaridades y tamaños puede inhibir un empaquetamiento efectivo, creando un bioplástico menos denso (Niaounakis, 2015).

Respecto al ISA e IAA, a pesar de que ambas matrices contienen polisacáridos hidrofílicos, la composición más compleja del sargazo podría limitar la interacción con el agua (Sousa et al., 2008), resultando en menores índices de solubilidad y absorción. En cuanto a los parámetros de color, los bioplásticos derivados de agar suelen presentar valores más altos de L* y croma, debido a la pureza y transparencia natural del agar, que carece de pigmentos o impurezas significativas, contrario al sargazo, que contiene diversos pigmentos y compuestos como los florotaninos (Gómez Carrasco, 2022) que pueden conferir tonalidades más oscuras y menos saturadas a los bioplásticos, disminuyendo los valores de L* y croma.

Las temperaturas de proceso estudiadas también afectan las variables evaluadas en los bioplásticos, a excepción del IAA (Tabla 2). Elkaliny et al. (2024) argumentan que cuando los bioplásticos se exponen a altas temperaturas, sufren una degradación térmica a través de la ruptura de las cadenas de polisacáridos, produciendo una pérdida de integridad estructural. El comportamiento heterogéneo que se aprecia en las variables de los bioplásticos de esta investigación en relación a las temperaturas, es mayormente explicado por el efecto de la formulación empleada y la naturaleza compleja de las matrices utilizadas (sargazo y agar), en las que se incluyen la estructura molecular, formación de enlaces cruzados, el contenido de humedad, la degradación térmica y la morfología del material (Gómez-Adalpa, 2020; Loja Farez, 2020; Rubio Valle et al., 2020; Salazar et al., 2021) y es atribuido en menor medida a la temperatura.

Khan et al. (2025) reportan una densidad de 0,964 g/cm3 en bioplásticos de Sargassum wightii, misma que es comparable a la de los plásticos ligeros como el polietileno de baja densidad y de alta densidad según dichos autores. Indican que la película de bioplástico presentó un color marrón claro y que absorbió aproximadamente el 59,79% de su peso inicial en agua, sugiriendo propiedades hidrófilas moderadas, que podrían ser beneficiosas para aplicaciones que requieren biodegradabilidad. En adición, Lim et al. (2018) expresan que las películas de sargazo presentan una solubilidad en agua de 33,73%.

Los valores de absorción y solubilidad de los bioplásticos del presente estudio difieren de los descritos por estos autores. Además, la dureza de dichos bioplásticos es inferior al límite permitido para estos productos según la ASTM D2240 (50-75), lo cual puede restringir su uso en aplicaciones estructurales (Sable et al., 2024); no obstante, podría mejorar si se realizan mezclas (Aragón-Vallejo et al., 2023).

La densidad que presentan los productos de esta investigación es ≥ 1.000, por lo tanto, cumplen con lo que estipula la ISO 1183-1 (0,8 - 1,5 g mL-1, dependiendo de la formulación).

2.   Características de degradación de los bioplásticos

En la Tabla 3 se visualiza que la formulación tiene efecto en la degradación de los bioplásticos bajo las tres condiciones estudiadas: agua de mar, agua dulce y ambiente y en el contenido de cenizas. La temperatura de proceso de producción de los bioplásticos también influencia estas variables, a excepción de la degradación al ambiente.

Los resultados en relación a la formulación evidencian un comportamiento en el contenido de cenizas y en el porcentaje de degradación tanto en agua de mar, como dulce y al ambiente coherente con la cantidad y tipo de la base de la fórmula (agar o sargazo). A mayor cantidad de agar y sargazo (F1 y F3) mayor contenido de cenizas y más difícil es la degradación de los bioplásticos en las condiciones estudiadas. Así mismo, las fórmulas con sargazo (F3 y F4) presentan mayor contenido de cenizas que aquellas que a base de agar. Se encontró que a menor temperatura de proceso de los bioplásticos menor es el porcentaje de degradación en agua de mar. Mientras que las biopelículas obtenidas a 75 y 85 °C muestran porcentajes de degradación en agua dulce estadísticamente similares entre sí y distintos a las trabajadas a 95 °C. 

Se ha reportado que la biodegradabilidad de los bioplásticos depende de la estructura química de los polímeros que lo conforman y su interacción con factores ambientales o medio de degradación, como la humedad, la temperatura, la acidez (Chia et al., 2020), el pH, los nutrientes, cantidad y tipo de microbiota (Accinelli et al., 2012).

Tabla 3

Resultados de las características de degradación de los bioplásticos

Nota: Resultados mostrados en medias y desviaciones estándar. Letras diferentes en una misma columna indican diferencia entre las medias de los tratamientos (p < 0,05).

Los hallazgos obtenidos para la degradación coinciden con lo expresado por Lim et al. (2018), de que las películas de sargazo presentan una resistencia moderada al agua y buen potencial de degradación. Khan et al. (2025) reportan que los bioplásticos de Sargassum wightii perdieron el 40% de su peso en 21 días, con el método de entierro en el suelo. Además, los bioplásticos a base de agar presentan una biodegradabilidad significativa: pérdida de peso de aproximadamente el 71% en 15 días en condiciones del suelo (Wagh et al., 2024); degradabilidad en 30 días en suelo (Hii et al., 2016).

Estos resultados sugieren que los bioplásticos derivados de sargazo pueden degradarse naturalmente en las condiciones estudiadas.

3.3. Características de degradación de los bioplásticos

De acuerdo a lo mostrado en la Tabla 4 los bioplásticos elaborados a base de agar no presentaron olor, mientras que los de sargazo presentan un olor fuerte característico de esta macroalga, independientemente de la cantidad adicionada y de la temperatura de proceso. Estos hallazgos coinciden con lo publicado por Karande et al. (2020), quienes expresan que los bioplásticos de agar generalmente son inodoros, dependiendo de los aditivos utilizados. También coinciden con lo reportado por Edwards et al. (2023), quienes argumentan que los bioplásticos elaborados a partir de sargazo presentan un olor marino o salino característico, debido a restos orgánicos. En esta investigación, este olor persistió en el bioplástico a pesar de los lavados que se aplicaron al material de partida.

Tabla 4

Resultados de otras determinaciones en los bioplásticos

La apariencia de los bioplásticos del presente estudio cumple con las especificaciones de la ISO 105-A02, todos tuvieron gelatinización completa, uniformidad de color y no tenían grietas visibles. En el caso de los elaborados a partir de agar, presentaron un color blanco-cremoso debido al grosor de la capa trabajada. Se observó que cuando el espesor es menor tiende a ser traslúcido. Esto concuerda con lo reportado por Karande et al. (2020), que indica que los bioplásticos de agar generalmente presentan una apariencia transparente o ligeramente opaca. Además, son fácilmente moldeables, formando películas uniformes y flexibles debido a su capacidad gelificante (Patil, 2022), lo que facilita su uso en la fabricación de empaques y otros productos biodegradables.

El color de los bioplásticos de sargazo es marrón-oscuro debido a la presencia de florotaninos y minerales (Gómez, 2022). Estos presentaron cierta dificultad de moldeo por su composición heterogénea y un mayor contenido de ceniza que el agar debido a su alta carga mineral (Ridlo et al., 2022; Sebalsti et al., 2015). No obstante, la combinación de sargazo con otros materiales puede mejorar sus propiedades mecánicas y reducir el impacto de su contenido de minerales (Khan et al., 2024).

Las fórmulas 2 y 4 presentaron cierta dificultad para moldear, quedándose en parte adheridos al molde, por lo que las mejores características no paramétricas fueron observadas en los bioplásticos F1 y F3.

4.        Conclusiones

En la presente investigación se ha estudiado el efecto de cuatro formulaciones y tres temperaturas de producción sobre propiedades físicas, sensoriales, porcentaje de cenizas, facilidad de moldeo y de degradación de bioplásticos elaborados de sargazo deshidratado y en base a los hallazgos se concluye que la formulación afecta las propiedades físicas evaluadas a los bioplásticos, siendo las fórmulas con sargazo las que presentan los valores menores de estas variables, a excepción del Hue y de la dureza, en las cuales las fórmulas con sargazo son estadísticamente similares a aquellas con agar.

La formulación tiene efecto en la degradación de los bioplásticos bajo las tres condiciones estudiadas: agua de mar, agua dulce y ambiente y en el contenido de cenizas.

Las temperaturas del proceso de producción también afectan las variables físicas evaluadas en los bioplásticos, a excepción del IAA y ejercen influencia en la degradación en agua de mar y agua dulce.

Los bioplásticos elaborados a base de sargazo presentaron olor fuerte característico de esta macroalga, independientemente de la cantidad adicionada y de la temperatura de proceso y a pesar de los lavados que se aplicaron al material de partida. La apariencia de los bioplásticos del presente estudio cumple con las especificaciones de la ISO 105-A02. Las fórmulas con mayor cantidad adicionada de espesante/gelificante (sargazo o agar) presentaron cierta dificultad para moldear, quedándose en parte adheridos al molde.

Las características no paramétricas observadas en los bioplásticos de sargazo fueron menos favorables que en sus homólogos de agar. Se confirma que la combinación de sargazo con otros materiales podría mejorar las propiedades físicas y mecánicas de los bioplásticos, permitiendo su aprovechamiento en aplicaciones industriales sostenibles y la reducción de la dependencia de materiales importados, incentivando cadenas de valor locales en sectores como la agricultura, la industria alimentaria, cosmética y farmacéutica, contribuyendo al desarrollo de una economía circular.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Fondo Nacional de Innovación y Desarrollo Científico y Tecnológico (FONDOCYT) de la República Dominicana (2022-2D5-052) y a la Universidad Católica del Cibao (UCATECI) por la financiación del estudio.

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