Revista De Ciencia Y Tecnología INGENIERÍA, TECNOLOGÍA E INFORMÁTICA, SALUD, BIOLOGÍA Y GENÉTICA, EDUCACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA

Revista de Ciencia y Tecnología INGENIERÍA, TECNOLOGÍA E INFORMÁTICA, SALUD, BIOLOGÍA Y GENÉTICA, EDUCACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA

AÑO 22 / Nº 33 / 2020 ÍNDICE

6 Evaluación de la variabilidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz de Misiones, Argentina / Monica I. Heck, Raquel A. Defacio, Marcelo E. Ferrer, Alfredo G. Cirilo, Silvina I. Fariza, Adrián D. De Lucia, Jorge A. Blaszchik

14 Optimización de las condiciones de extracción de un colorante natural a partir de Morus nigra / Natalia E. Rolón Boytovich, María D. Rodríguez

20 Aislamiento e identificación de hongos asociados a Ilex paraguariensis St. Hil. / Ana C. López, Adriana E. Alvarenga, Pedro D. Zapata, María F. Luna, Laura L. Villalba

27 Nuevo enfoque para el análisis energético-económico en la selección de las conductoras de impulsión / José Luis Amador Vilariño, José Bienvenido Martínez Rodríguez, Oscar Brown Manrique

33 Análisis multivariante aplicado al estudio de las propiedades culinarias de arroz (Oryza sativa L.) en variedades largo fino / José D. Bouchard, Belén A. Acevedo, Sergio F. Díaz, Marcos G. Maiocchi

38 Simulación del proceso de producción del cumeno mediante el simulador ChemCAD® / Amaury Pérez Sánchez, Elizabeth Ranero González, Eddy. J. Pérez Sánchez, Norlem Liaño Abascal

47 Biorefinería para producir bioplástico y proteína a partir de suero de leche utilizando el simulador ASPEN / Flávia F. Wândega, Eduardo R. Braga, Sérgio Roberto G. S. Filho, Fernanda F. Wândega, Luiz Antônio M. Pontes, Regina F. Vianna

58 Optimización del diseño e instrumentación del concentrador doble efecto de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan. Argentina / Graciela Ingrid Suarez, Veronica Beatriz Navas Nale, Carla Valeria Lorenzo Doncel

63 Entre las curvas de la arquitectura contemporánea y la enseñanza de la geometría en arquitectura: un enfoque didáctico del diseño paramétrico / Janice de Freitas Pires

76 Glicósidos de esteviol y compuestos fenólicos en infusiones de Stevia rebaudiana dependiendo de la variedad / Pamela S. Cuenca, Laura A. Ramallo, Oscar A. Albani

85 Películas y materiales compuestos basados en almidón de mandioca acetilado de alto grado de sustitución / Pamela S. Cuenca, Laura A. Ramallo, Oscar A. Albani

94 Estudio preliminar para optimizar la extracción de compuestos fenólicos bioactivos de quinoa (Chenopodium quinoa Willd) / Julia Luisetti, Héctor Lucero, María C. Ciappini

100 Efectos de los microplásticos en el medio ambiente: Un macroproblema emergente / Lisandro D. Giraldez Alvarez, Fernanda Braz De Jesus, Ana P. Lacerda Costa, Letícia E. Ferraz Bastos, Daniel A. Moura De Souza, Douglas Gonçalves da Silva 108 Sistema electrónico experimental para la medición de variables de parámetros de marcha en ancianos / Jaime Menéndez Álvarez, Gianna Arencibia Castellanos, Fidel E. Hernández Montero, Juan R. Rodríguez Suárez, Ailén Pérez Molinet

116 Características oclusales estáticas y dinámicas de los estudiantes de la cátedra de oclusión dental / Lourdes V. Rojas Paredes, Claudia Elena González

124 Instrucciones a los autores

127 Instructions to authors

130 Instruções aos autores

133 Confirmación de Autoría y Derechos de Publicación. / Confirmation of Authorship and Publication Regulations. / Confirmação deAutoria e Direitos de Publicação UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, QUÍMICAS Y NATURALES

• SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO. FCEQyN-UNaM Secretario: Dr. Horacio D. Kuna.

• REVISTA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA

COMITÉ EDITORIAL Editor principal: Dra. Alicia E. Ares. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. UNaM. Misiones. Argentina. Editor adjunto: Dr. Miguel E. Schmalko. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. UNaM. Misiones. Argentina.

CONSEJO DE EDICIÓN Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. UNaM. Argentina Dr. Dardo A. Martí. Dra. Laura A. Ramallo. Dra. Marina Quiroga. Dra. Laura L. Villalba. Dr. Pedro D. Zapata. Dr. Alberto S. Fenocchio. Dra. Ana María Zoppi. Dra. María Isabel Fonseca (Invitada) Dra. Silvina Ramos (Invitada) Dra. María Marcela Brousse (Invitada) Dra. María de los Rosarios Mattivi (Invitada) Dra. Arq. Graciela de Kuna (Invitada) Dra. María Cristina Area (Invitada) Dra. Alejandra Román (Invitada) Dr. Fernando Botterón (Invitado) Dra. Margarita Laczeski (Invitada)

Instituciones de la Argentina Mgter. Nilda Josefa Corral. Facultad de Humanidades. UNNE. Resistencia. Chaco. Dra. Silvia Di Genaro. Universidad Nacional de San Luis. San Luis. Argentina. Dr. Roque Hours. Universidad Nacional de La Plata. Argentina. Dr. Rodolfo Mascheroni. Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos. La Plata. Argentina. Dr. Jorge E. Monzón. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura. UNNE. Corrientes. Argentina. Dra. Silvia Resnik. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Argentina. Dr. José G. Seijo. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. UNNE, Corrientes. Argentina.

Instituciones del Exterior Dra. María Sol Brassesco Annichini. Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto-USP, Brasil. Dr. Rafael A. Auras. Michigan State University, Michigan, Estados Unidos. Dra. Marusia Stefanova. Instituto de Investigaciones de Sanidad Vegetal (INISAV). Dr. Andre Luiz Ferraz. Departamento Biotecnologia, Escola de Engenharia de Lorena, Universidade

Revista de Ciencia y Tecnología on line: www.fceqyn.unam.edu.ar/recyt. Hecho el depósito de la Ley 11723. Impreso en Argentina. ISSN de la revista impresa: 0329–8922. ISSN de la revista electrónica: 1851-7587. Esta Revista es un servicio de la SECIP. Está prohibida su venta a terceros como también la reproducción total o parcial con fines comerciales. Los trabajos presentados han sido aceptados para su publicación por el Consejo de Dirección y el Consejo de Edición. La Revista no se hace responsable de las opiniones contenidas en los artículos, siendo de responsabilidad exclusiva de los autores de los mismos. La edición de la Revista cuenta con el apoyo económico de la Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales y de la Fundación Fac. Cs. Ex. Qcas. y Naturales. Toda correspondencia relacionada a la Revista debe ser dirigida a: Revista de Ciencia y Tecnología. Félix de Azara 1552, 3300, Posadas, Misiones, Rep. Argentina. Teléfono: 54-376-4422186, Fax: 54-376-4425414 , E–mail: [email protected]. Revista de periodicidad semestral. de São Paulo, Brasil. Mgter. Mirtha Lucía Abraham Nazif. Univ. Academia de Humanismo Cristiano. Providencia, Santiago de Chile. Dra. Pilar López Ruiz. Universidad de Alcalá de Henares. Madrid. España. Dr. José Ignacio Paláez Sánchez. Universidad de Málaga. España.

EQUIPO EDITORIAL Armado de interior y tapa: D.G. Javier B. Giménez. Revisión de texto: Lic. Julia E. Renaut. Revisión de texto en inglés: Mgter. Mariana Boari. Revisión de texto en portugués: Prof. Cristina S. Pastori. Colaboradores técnicos: Lic. Nancy B. Ganz, Marina Rojas, ASC. Víctor R. Narvaez.

COMITÉ DE REVISIÓN EXTERNO INGENIERÍA, TECNOLOGÍA E INFORMÁTICA, SALUD, BIOLOGÍA Y GENÉTICA, EDUCACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA

Dr. Yasmany Prieto Hernández. Universidad de Concepción. Chile. Dr. Dioen Biosca Rojas. COPALNET. Cuba. Dr. Manuel Peña Casadevalls. Centro de Estudios Hidrotécnicos. Facultad de Ingeniería de la Universidad de Ciego de Ávila. Cuba. Dra. Lorenzo Eddy Camejo Barreiro. Centro de Estudios Hidrotécnicos. Facultad de Ingeniería de la Universidad de Ciego de Ávila. Cuba. Dr. Leonardo Vanzetti. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Argentina. Dr. Rodolfo Martiarena. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Argentina. Dra. Mariana Ferrario. Universidad Nacional de Buenos Aires. Argentina. Dr. Marcos Maiocchi. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura. Universidad Nacional del Nordeste. Argentina. Dr. Eduardo Pio Piazza. Facultad de Odontología. Universidad Nacional de Córdoba. Argentina. Dra. Natalia Andrea Serrano. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura. Universidad Nacional del Nordeste. Argentina. Dr. Arq. Carlos Burgos. Universidad Nacional del Nordeste. Argentina. Dra. María Gabriela Santibañez. Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo. Universidad de Mendoza. Argentina. Dra. Paula González Seligra. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Argentina. Dra. Sonia Cecilia Sgroppo. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura. Universidad Nacional del Nordeste. Argentina. Dr. Pablo Luis Faccendini. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Universidad Nacional de Rosario. Argentina. Dr. Elie Abrial. Instituto Nacional de Limnología (INALI-CONICET). Argentina. Dr. Enrique Albornoz. Universidad Nacional del Litoral. Argentina. Mgter. Andres Moltoni. Instituto De Investigación Ingeniería Rural. Argentina. Dra. Natalia Soledad Fagali. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas. Argentina. Dra. Veronica Bollati. Facultad Regional Resistencia. Universidad Tecnológica Nacional. Argentina. Dr. Cesar Acuña. Facultad Regional Resistencia. Universidad Tecnológica Nacional. Argentina. Dr. Claudio Roberto Mauricio Marquetto. Facultad Regional Resistencia. Universidad Tecnológica Nacional. Argentina.

La Revista de Ciencia y Tecnología (RECyT) publica artículos originales que representan una contribución para el desarrollo científico–tecnológico. Incluye trabajos de investigación básica y aplicada y de desarrollo tecnológico, revisiones bibliográficas de alto impacto, notas técnicas y, eventualmente, estudios de casos que por su relevancia ameriten publicarse. Dr. Ing. Julián Corach. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Buenos Aires. Argentina. Dr. Diego Mercanti. Instituto de Lactología Industrial (UNL-CONICET). Dra. Marisol Vallejo. Facultad de Ciencias Naturales y Ciencias de la Salud - Sede Trelew, Universidad Nacional de la Patagonia “San Juan Bosco”. Argentina. Dr. Pilar Bulaciose. Universidad Nacional de Rosario. Argentina. Dr. Alejandro Edera. Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional de Cuyo (CONICET). Argentina. Dr. Maximiliano Cristiá. Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura. Universidad Nacional de Rosario. Argentina. Dr. Santiago Tosetti. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Argentina. Dra. Gabriela Lorenzo. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Universidad de Buenos Aires. Argentina. Dr. Jorge Bernardo Sztrajman. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Argentina.

COMITÉ DE REVISIÓN INTERNO INGENIERÍA, TECNOLOGÍA E INFORMÁTICA, SALUD, BIOLOGÍA Y GENÉTICA, EDUCACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA Dra. Marta Horianski. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dr. Santiago Alexis Holowatty. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dr. Juan Esteban Miño Valdés. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Mgter. Carlos R. Brazzola. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dr. Javier Ernesto Kolodziej. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dra. Ana Eugenia Thea. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dr. Hernán Traid. Instituto de Materiales de Misiones (IMAM-CONICET). Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Mgter. Patricia Rocha. Facultad de Ciencias Forestales. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dr. Eduardo Zamudio. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dr. Mario O. Oliveira. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dra. Adriana Elizabeth Alvarenga. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. Dr. Martin Giorgio. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Argentina. 6 Monica I. Heck et al.: Evaluación de la diversidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 6–13 Evaluación de la variabilidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz de Misiones, Argentina

Evaluation of the agromorphological variability of maize landraces in Misiones, Argentina

Monica I. Heck1,*, Raquel A. Defacio2, Marcelo E. Ferrer2, Alfredo G. Cirilo2, Silvina I. Fariza1, Adrián D. De Lucia1, Jorge A. Blaszchik1

1- Estación Experimental Agropecuaria Cerro Azul (CR Misiones) – INTA. Ruta Nacional 14, km 1085. Cerro Azul, Misiones. 2- Estación Experimental Agropecuaria Pergamino (CR Buenos Aires Norte) – INTA. Av. Pres. Arturo Frondizi Km 4,5. Pergamino, Buenos Aires. *E-mail: [email protected] Recibido el 9 de noviembre de 2018, Aprobado el 20 de mayo de 2019. Resumen

Las variedades locales de maíz presentan una gran relevancia socioeconómica en los sistemas agrícolas familiares de la provincia de Misiones. La pérdida de costumbres y tradiciones asociadas a su uso ponen en riesgo su conservación. Con el fin de aportar al conocimiento de la variabilidad genética local, contribuir a la conservación, revalorización y utilización de estos recursos, se estudiaron 16 poblaciones nativas de diferente origen y fecha de colecta mediante descriptores agromorfológicos. Los resultados permiten concluir que 1) las poblaciones nativas evaluadas albergan niveles considerables de variabilidad genética; 2) Se mantiene la identidad de razas dentro de cada origen; y 3) existe una tendencia al aumento de productividad en las colectas actuales. Esto pone de manifiesto, por un lado, la existencia de barreras geográficas y culturales que preservan el ideotipo, y por otro, la naturaleza dinámica de la conservación sometida a procesos de selección, sustitución y/o introgresión genética.

Palabras clave: Maíz; Recursos genéticos; Poblaciones nativas; Variabilidad genética; Conservación.

Abstract

Maize landraces present a great socio-economic relevance within the family farming systems in the province of Misiones. The losses of customs and traditions related to their use, endanger their conservation. In order to provide knowledge about the local genetic variability, conservation, valorization and utilization of these resources, 16 native populations, which belong to different origins and collection dates were studied by agromorphological descriptors. These findings allow us to conclude that (1) the evaluated native populations, hold significant levels of genetic variability, (2) the identity of races within each origin is maintained, and (3) there is a tendency to increase productivity in the current collections. On the one hand, these results highlight the existence of geographical and cultural barriers that preserve the ideotype and, on the other hand, the dynamic nature of conservation that has to undergo processes of selection, substitution and/or genetic introgression.

Keywords: Maize; Genetic resources; Native populations; Genetic variability; Conservation.

Introducción des y plagas, calidad nutritiva y adaptación a condiciones ambientales cambiantes [8, 9]. Representan una fuente El maíz (Zea mays, L.) presenta una gran diversidad ge- de características importantes para la adaptación local, la nética, contenida en sus numerosas razas locales. La provin- estabilidad económica y la sostenibilidad del agricultor [10]. cia de Misiones es el segundo centro de variabilidad genética Actualmente, el corrimiento de la frontera agrícola, los del norte argentino con al menos 14 razas nativas de maíz cambios en los sistemas productivos, la sustitución por cul- identificadas [1, 2, 3, 4, 5]. Las mismas han sido mantenidas tivares comerciales y la pérdida de costumbres y tradiciones y mejoradas mediante prácticas agrícolas tradicionales por asociadas a su uso, representan una seria amenaza para la comunidades de la etnia Guaraní y pequeños agricultores conservación de las variedades nativas de la región [11, 12, de subsistencia. Presentan una gran adaptación al ambiente 13, 3, 4]. Esto genera graves consecuencias sobre la produc- natural y antropológico en el que se desarrollaron [6, 7], su ción agropecuaria y la seguridad alimentaria [14, 15, 13, 16]. valor potencial reside en genes de resistencia a enfermeda- Estudios previos realizados en razas locales de maíz proce-

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Monica I. Heck et al.: Evaluación de la diversidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz 7 dentes de comunidades aborígenes de la etnia Guaraní del Ambientes de evaluación y diseño experimental norte de la provincia de Misiones [17, 3, 4] y poblaciones nativas del noroeste argentino [2] reportan la presencia de Los materiales se evaluaron en cuatro ambientes de la altos niveles de diversidad genética en el germoplasma provincia (Tabla 2). Los mismos correspondieron a tres lo- local. Teniendo en cuenta la importancia que revisten estos calidades (Aristóbulo del Valle, Santa Rita y Cerro Azul) y materiales en los sistemas productivos locales y al panora- dos campañas agrícolas (2009/10 y 2010/11). El ambiente ma global de erosión genética, la descripción de variedades I correspondió a un suelo con valores característicos de nativas en las condiciones ambientales de la provincia es suelos toscosos, con buena calidad química, contenidos fundamental ya que permitirá detectar caracteres diferen- adecuados de Materia Orgánica (MO), Nitrógeno (N), ciales que le otorguen valor agregado, beneficiando a los Fósforo (P) y pH, y altos de Potasio (K), Calcio (Ca) y agricultores que las utilizan y conservan. En este contexto, Magnesio (Mg) (Tabla 2). El ambiente II fue un suelo rojo el presente trabajo tiene como objetivo aportar al conoci- típico, de baja fertilidad, con valores limitantes para la miento del estado y evolución de la variabilidad genética mayoría de sus componentes (MO, N, P, Ca, Mg), pH bajo de poblaciones nativas de maíz de la provincia de Misiones y alto tenor de aluminio (Al) (Tabla 2). Los ambientes III generando herramientas y capacidades de manejo para la y IV correspondieron a suelos rojos-toscosos, con altos conservación y aprovechamiento del germoplasma nativo. contenidos de bases (Ca, K y Mg) y valores limitantes de MO, P y N. El ambiente IV correspondió a un suelo muy Materiales y Métodos desgastado por la actividad agrícola, con contenidos altamente limitantes de MO y N y trazas de Al en el perfil del Material vegetal suelo (Tabla 2). Los ambientes I y II se sembraron el 3 y el Se evaluaron 16 poblaciones nativas de la provincia 4 de noviembre de la campaña 2009/10, los ambientes III de Misiones. La elección del material vegetal se realizó y IV se sembraron el 1 y el 2 de noviembre de la campaña considerando diferentes orígenes, fechas de colecta y 2010/11. tipos raciales (Tabla 1). Los orígenes consistieron en dos sistemas culturales/productivos distintos: “Comunidades Tabla 2: Características químicas del suelo en los cuatro ambientes de evaluación. Mbya guaraní” y “Pequeños productores”. Las colectas Ambiente fueron realizadas en dos fechas distintas: año 1977 (Co- I II III IV Característica lecta antigua) y año 2008 (Colecta actual). Como testigos Aristóbulo Santa Rita Cerro Azul Cerro Azul del Valle 2009/10 2010/11 2010/11 se utilizaron tres cultivares comerciales: Leales 25 plus, 2009/10 SH5090 y Centralmex. El último material corresponde a MO (%) 3,70 2,22 2,43 1,49 una variedad mejorada antigua de gran difusión pero que N (%) 0,35 0,13 0,16 0,13 no se usa en la actualidad. P2O5 (ppm) 8,38 4,87 1,22 5,69

Tabla 1: Poblaciones nativas de maíz de la provincia de Misiones y K (meq/100g) 1,46 0,48 0,51 0,14 testigos evaluados. Sitio de Fecha Ca (meq/100g) 15,68 3,08 13,64 14,53 Nº Población Forma racial Origen colecta colecta Mg (meq/100g) 3,79 1,09 3,18 5,38 P1 MNES01 Catete oscuro Mbya guaraní El Soberbio 2008 *

P2 MNES02 Avatí morotí ti Mbya guaraní El Soberbio 2008 * pH Agua 6,45 5,02 5,84 5,21 P3 MNES03 Avatí morotí mitá Mbya guaraní El Soberbio 2008 * Relación C/N 8,18 12,83 11,47 8,74 D. amarillo P5 MNES05 Productores L.N.Alem 2008 * marlo fino Picada Al (meq/100g) nd 0,82 nd 0,38 P6 MNES06 Dentado amarillo Productores 2008 * Propaganda P7 MNES07 Cravo Productores Montecarlo 2008 * P8 MNES08 Semidentado Productores Puerto Rico 2008 * Para los experimentos se utilizó un diseño de bloques P9 MNES09 Dentado amarillo Productores L.N.Alem 2008 * completos al azar (DBCA) con tres repeticiones. El P10 MNES010 Dentado blanco Productores L.N.Alem 2008 * tamaño de la parcela experimental fue de tres surcos de P11 ARZM05-002 Dentado amarillo Productores L. N. Alem 1977 ** cinco metros de largo, distanciados 0,70 m entre sí. La P12 ARZM05-016 Avatí morotí Productores Almafuerte 1977 ** densidad final fue de 57.200 plantas/hectárea (4 plantas/ P13 ARZM05-022 Dentado blanco Productores Picada Yapeyú 1977 ** metro lineal). La siembra y manejo del cultivo se hicieron P14 ARZM05-026 Cravo Productores Alberdi 1977 ** conforme el manejo convencional de los productores de la P15 ARZM05-030 Tusón Productores San Ignacio 1977 ** región, es decir, labranza convencional, siembra manual Campo Las P16 ARZM05-067 Avatí Morotí Ti Mbya guaraní 1977 ** Monjas KM 300 y sin aplicación de fertilizantes. Se aplicaron herbicidas Campo Las P17 ARZM05-070 Avatí Morotí Mitá Mbya guaraní 1977 ** Monjas KM 301 de preemergencia en la totalidad de los ensayos (3 l/ha de T18 Leales 25 plus Cristalino Testigo Comercial actual atrazina 50%), volviéndose a aplicar 2 l/ha de atrazina 50% T19 Centralmex Semidentado Testigo Comercial antiguo en estado vegetativo previo a V6 (sexta hoja totalmente T20 SH5090 Cristalino Testigo Comercial actual desplegada). Además, se emplearon métodos manuales * Colecta realizada por el Grupo de Cultivos Anuales (INTA EEA Cerro Azul) ** Materiales del Banco Activo de Germoplasma “BAG” (INTA EEA Pergamino). de remoción de malezas cuando se consideró necesario.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 8 Monica I. Heck et al.: Evaluación de la diversidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz

Para el control de insectos del suelo y nematodos se utilizó a 1. Los Componentes Principales (CP) se calcularon a Cipermetrina a razón de 200 cm3/ha en preemergencia. partir de la matriz de correlaciones entre los caracteres. Las variables con mayor carga (> 0,65) en cada CP se utilizaron Variables fenotípicas analizadas para discriminar entre poblaciones [22]. La interpretación visual de los resultados se obtuvo mediante la construcción En cada parcela experimental se registró la floración de un gráfico bidimensional, utilizando los dos primeros masculina (GDUM) y femenina (GDUF) en grados día, CP. Un Árbol de Mínima Distancia (MST) originado de cuando el 50% de las plantas de la parcela experimental la matriz de distancias Euclídeas fue superpuesto sobre presentaron emisión de polen y estigmas visibles res- el gráfico del ACP para facilitar la interpretación de los pectivamente. Los días transcurridos se transformaron a resultados. Para detectar el agrupamiento natural del tiempo térmico (Unidades de grados días, GDU) según la germoplasma evaluado se utilizó el Análisis de Clúster, fórmula de Andrade [18], asumiendo un valor de 8º C para basado en la matriz de distancias Euclídeas estandarizadas la temperatura base [19]. Los datos termopluviométricos y el método de encadenamiento UPGMA. La bondad de fueron suministrados por la Estación Meteorológica de ajuste del dendrograma obtenido se determinó a través INTA Cerro Azul. Se calculó la sincronía entre ambas del coeficiente de correlación cofenética (CCC) [22]. Se floraciones (ASI, en grados días) y el largo total del ciclo realizó un análisis de varianza y un Test de DGC (nivel de (GDMF, en grados días). En el estadio R3 o grano lechoso significancia de p<0,05) para probar diferencias significa- [20] se marcaron 10 plantas con competencia completa, tivas entre los grupos obtenidos. Todos los análisis fueron sobre las cuales se midió la altura de planta (ALTPL, en llevados a cabo usando el software estadístico Infostat cm) y mazorca (ALTMZ, en cm), la relación entre ambas Versión 2012 [23]. alturas (INS), el diámetro del tallo (DT, en mm), número total de hojas (NH), área de la hoja bandera (AHB, en cm2) Resultados y de la espiga (AHE, en cm2). La cosecha se realizó luego de alcanzada la madurez fisiológica, con una humedad Variabilidad a nivel de caracteres entre el 20 y 25%. Al momento de la misma se determinó la prolificidad (PROL) y el número de plantas quebradas Todos los caracteres presentaron un amplio rango de (PORQ, en %) y volcadas (PORV, en %). Sobre el surco variación, en particular, asincronía floral, porcentaje de central de cada unidad experimental, se registró el peso quebrado y volcado (Tabla 3). Caracteres como altura de seco de la muestra ajustado al 15% de humedad y se inserción de mazorca, área de hoja bandera y de la espiga, calculó el rendimiento de grano por hectárea (REND, en peso de mil granos, proporción de marlo, prolificidad y kg ha-1) y el peso de mil granos (P1000, en g). Sobre 10 rendimiento, presentaron valores máximos de 3 a 6 veces mazorcas de cada parcela se midió la longitud (LMZ, en superiores a los mínimos. Esto pone en relieve la existencia cm) y el diámetro (DMZ, en mm), el número de hileras de niveles considerables de variabilidad genética en el (NHIL) y de granos por hilera (GHIL) y la proporción de germoplasma nativo. marlo (PMAR, en %). De cada mazorca se extrajeron de la parte central 10 granos sobre los cuales se determinó Tabla 3: Valores medios, coeficientes de variación y rangos obtenidos para poblaciones nativas de maíz de la provincia de Misiones. el ancho (AGR, en mm), la longitud (LGR, en mm) y el Variable Media CV Rango Max/Min grosor (GGR, en mm). Cada variable se midió de acuerdo Grados día a floración 1192,0 13,12 768,5-1468,8 1,91 a los protocolos propuestos en la lista de descriptores del femenina (GDUF)

IPGRI [21]. Grados día a floración 1096,0 10,63 768,5-1326,1 1,73 masculina (GDUM)

Análisis estadístico Asincronía floral (ASI) 95,09 60,31 0-280 280,0

Grados día a madurez 1507,0 8,98 1158-1705 1,47 Para representar la variabilidad existente en la colec- fisiológica (GDMF) ción de trabajo se calcularon los estadísticos de medida Altura de planta (ALTPL) 206,25 18,56 118,3-303,5 2,57 Altura de inserción de central y de dispersión más relevantes: media, valores 121,2 26,95 54,2-194 3,58 mazorca (ALTMZ) mínimos, valores máximos y coeficiente de variación. La Altura de planta/ 1,76 11,36 1,4-2,4 1,71 asociación entre caracteres agromorfológicos se realizó Altura mazorca (INS) mediante un análisis de correlaciones de Pearson (r). Se Diámetro del tallo (DT) 19,93 16,34 12,8-27,6 2,16 utilizó un Análisis de Componentes Principales (ACP) y un Número total de hojas (NH) 15,69 15,37 9,3-20,8 2,24 análisis de clúster para clasificar las poblaciones y revelar la forma en que las variables individuales contribuyeron a Área de hoja bandera (AHB) 135,01 30,04 55,4-285,4 5,15 Área de hoja de la 546,5 20,77 252,6-772,9 3,06 la agrupación obtenida. Para ello se utilizaron las medias espiga (AHE) poblacionales de las 24 variables estudiadas y se estanda- Longitud de mazorca (LMZ) 14,44 11,19 9,8-18,6 1,90 rizó la matriz de datos con media igual a 0 y varianza igual

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Monica I. Heck et al.: Evaluación de la diversidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz 9

Diámetro de mazorca (DMZ) 41,24 13,19 28,3-52,6 1,86 Clasificación de las poblaciones

Número de hileras (NHIL) 13,63 16,15 9,0-22,0 2,44

Número de granos El análisis de clúster (Figura 1) permitió identificar sie- 31,34 14,68 21,3-47 2,21 por hilera (GHIL) te grupos en el germoplasma nativo (valor de corte 5,21), Ancho de grano (AGR) 8,55 6,88 6,8-9,95 1,46 mostrando un buen ajuste con el modelo (CCC=0,773). En Longitud de grano (LGR) 10,92 11,99 7,6-14,5 1,91 el gráfico obtenido a partir del ACP (Figura 2), se pudo ob-

Grosor de grano (GGR) 4,13 9,16 3,2-5,2 1,63 servar que los genotipos evaluados mantuvieron el patrón de agrupamiento obtenido con el análisis de conglomera- Peso de mil granos (P1000) 185,5 19,76 107,1-329,7 3,08 dos. De la variabilidad total observada, las dos primeras Rendimiento (REND) 3236,5 36,62 1205-7902 6,56 CP explicaron el 68,3%. Las variables que más influyeron Proporción de marlo (PMAR) 23,48 23,12 14,5-62,9 4,34 en la separación de las poblaciones fueron las relacionadas Porcentaje de 4,55 219,58 0-100 100,0 con el crecimiento vegetativo, las fenológicas y los compo- quebrado (PORQ) nentes de rendimiento. Las poblaciones ubicadas en el lado Porcentaje de volcado (PORV) 14,5 154,7 0-100 100,0 positivo del CP1 tendieron a presentar ciclos más largos, Prolificidad (PROL) 0,95 23,19 0,36-1,9 5,28 mayor altura de planta y área foliar, mayores rendimientos CV=coeficiente de variación. Max/Min= relación valor máximo y mínimo. y peso de mil granos. En tanto que los valores más altos Las unidades de medidas se detallan en Materiales y Métodos. del CP2 se asociaron con poblaciones de mazorcas largas, menor número de hileras y granos anchos (Figura 2). Asociación de caracteres

Las mayores correlaciones se dieron entre los caracteres fenológicos y morfológicos de planta (Tabla 4). En general, las poblaciones de ciclo largo presentaron mayor número de hojas, altura de planta y de inserción de mazorca y mayores períodos de tiempo para acumular biomasa. A nivel de caracteres de la mazorca se destacó la correlación entre el diámetro de la mazorca y el número de hileras. El rendimiento se asoció positivamente con el peso de mil granos, el diámetro de la mazorca, el número de hileras y de granos por hilera, y todos estos caracteres, se correlacionaron estrecha y positivamente con la biomasa total producida durante el ciclo.

Figura 1: Análisis de clúster para variables agromorfológicas en poblaciones nativas de maíz de la provincia de Misiones, utilizando Tabla 4: Coeficientes de correlación para variables agromorfológicas distancias Euclídeas y método de encadenamiento UPGMA. en poblaciones nativas de maiz de la provincia de Misiones.

GDUF GDUM A SI GDMF A LTPL A LTMZ INS DT NH LMZ DMZ NHIL GHIL A GR LGR GGR A HB A HE P1000 REND PMA R PORQ PORV GDUM .99 - A SI .93 .86 - GDMF .90 .91 .78 - ALTPL .88 .87 .82 .78 - A LTMZ .91 .90 .82 .85 .98 - INS -.90 -.92 -.78 -.93 -.83 -.91 - DT .83 .82 .76 .79 .70 .76 -.81 - NH .97 .97 .86 .90 .90 .93 -.92 .85 - LMZ - DMZ .51 .54 .70 .46 .53 -.62 .52 .55 -.47 - NHIL .43 -.61 .80 - GHIL .56 .55 .54 .56 .55 .56 -.52 .49 .51 .40 - A GR .49 -.54 - LGR .63 .65 .51 .80 .66 .72 -.73 .63 .67 -.42 .89 .64 .47 - GGR -.59 -.59 -.53 -.59 -.62 -.64 .61 -.52 -.56 -.56 -.66 -.81 - A HB .70 .69 .63 .73 .56 .64 -.74 .67 .66 .54 .67 .62 -.63 - A HE .92 .91 .86 .84 .83 .86 -.87 .83 .93 .44 .51 .53 -.45 .78 - P1000 .41 .46 .61 .55 .57 -.54 .46 .53 .60 .62 .66 .47 - REND .53 .56 .41 .76 .50 .58 -.65 .57 .57 .85 .54 .59 .85 -.58 .65 .50 .72 - PMA R -.42 -.51 .47 -.44 -.47 -.63 .67 -.54 - PORQ -.50 -.56 -.62 -.40 -.47 -.61 -.42 -.60 .56 -.62 .71 - PORV .20 .48 -.40 .56 .42 - PROL -.46 -.47 -.55 -.58 -.58 .48 -.40 -.53 -.71 -.49 -.78 .59 -.44 -.58 -.62

Nomenclatura de las variables como en Tabla 3.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 10 Monica I. Heck et al.: Evaluación de la diversidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz

Los grupos reflejaron diferencias de rendimiento y sus Tabla 5: Media de los caracteres agromorfológicos para los siete grupos resultantes del Análisis de Clúster. componentes, longitud y sincronía del ciclo y desarrollo Variable Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Grupo 5 Grupo 6 Grupo 7 vegetativo (Figura 2, Tabla 5). El Grupo 1 estuvo cons- tituido por una sola población harinosa procedente de GDUF 907,5a 1137,7c 1037,2b 1213,0c 1326,2d 1290,2d 1286,8d comunidades Mbya (P17) colectada en 1977, con el ciclo GDUM 867,4a 1061,6b 1000,1b 1113,8c 1172,2c 1154,3c 1166,4c más precoz y sincrónico, el menor porte y área foliar, los ASI 40,1a 76,1b 37,1a 99,2b 154,1c 135,8c 120,4c rendimientos más bajos, con mazorcas largas y finas, de GDMF 1290,4a 1427,2b 1457,3b 1529,9b 1584,1b 1557,0b 1586,8b bajo número de hileras y granos pequeños. El Grupo 2 comprendió cuatro poblaciones harinosas de la etnia gua- ALTPL 163,6a 193,0b 164,4a 207,8b 208,4b 233,3c 234,8c raní (P1, P2, P3 y P16) de ciclo y porte intermedio, bajos ALTMZ 77,4a 106,8b 87,3a 124,8b 124,8b 142,5c 146,5c rendimientos y sus componentes. El Grupo 3 comprendió INS 2,20c 1,86b 1,93b 1,71a 1,68a 1,70a 1,64a los dos testigos cristalinos actuales (T18 y T20), de ciclo a b b c c c c intermedio-corto y sincrónico, porte bajo, y valores inter- NH 13,55 16,27 15,25 17,75 18,10 18,40 18,47 medios-altos de rendimiento y sus componentes. El Grupo AHB 90,97a 112,70a 107,90a 140,88b 142,65b 155,27b 159,31b

4 formado en su mayoría por poblaciones de pequeños pro- AHE 381,4a 488,1a 417,0a 566,0b 679,0b 583,6b 614,8b ductores de subsistencia procedentes de la colecta antigua LMZ 15,58b 14,41b 14,66b 13,91b 15,80b 12,63a 14,91b (P10, P11, P13, P14 y P15), con valores intermedios-altos de rendimiento y sus componentes, desarrollo vegetativo DMZ 30,60a 34,84b 43,98d 44,11d 37,38c 48,50e 43,75d y ciclo. El Grupo 5 formado por una población de granos NHIL 10,75a 11,67a 14,64c 14,69c 13,28b 19,38d 13,17b harinosos (P12) con valores intermedios-altos para la GHIL 29,35a 29,97a 29,84a 30,50a 30,90a 31,43a 34,50b mayoría de los caracteres, diferenciado del grupo anterior AGR 8,38b 8,54b 8,80b 8,40b 8,78b 7,28a 8,91b por sus mazorcas largas y finas, de bajo número de hileras y granos anchos y profundos. El Grupo 6 formado por una LGR 8,53a 9,54b 10,51c 11,48d 9,58b 12,50e 12,00e población dentada perteneciente a la colecta actual (P7), GGR 4,73d 4,30c 4,48c 4,02b 4,60d 3,73a 3,86a de gran porte y área foliar, ciclo muy largo y asincrónico, P1000 159,9a 163,1a 184,1a 189,4a 171,2a 162,8a 212,2b altos rendimientos, mazorcas cortas de gran diámetro y a a b b b b b número de hileras, con granos largos y finos. El Grupo REND 2125,0 2331,7 3577,2 3326,6 2994,0 3652,5 3919,0 7, estuvo formado por el testigo antiguo (T19) y cuatro PMAR 29,15b 23,98a 22,79a 23,07a 26,1a 23,2a 22,24a poblaciones dentadas y semidentadas pertenecientes a pe- PORQ 14,15b 6,21a 2,35a 3,95a 5,83a 2,43a 3,00a queños productores derivadas de la colecta actual (P5, P6, P8, P9). Este grupo comprendió poblaciones de gran porte, con altos rendimientos y peso de mil granos y ciclo muy Para cada grupo, letras diferentes indican diferencias largo y asincrónico, con mazorcas largas de gran diámetro estadísticas significativas (p<0,05) con el Test de DGC. con granos anchos y profundos. Nomenclatura de las variables como en Tabla 3. La distribución de las poblaciones en cada cuadrante del ACP mostró una clara separación de los materiales por tipo de endosperma, origen (Mbya Guaraní vs Pequeños productores de subsistencia) y fecha de colecta (1977 vs 2008) (Figura 1). En el lado positivo de la CP1 se ubicaron variedades dentadas y semidentadas (Grupo 4, 6 y 7) y harinosas (Grupo 5) procedentes de pequeños productores de subsistencia. En los cuadrantes superior e inferior izquierdo se localizaron poblaciones harinosas originarias de comunidades Mbya guaraní (Grupos 1 y 2) y testigos comerciales de tipo cristalino (Grupo3), respectivamente. Pudo observarse además, una relación entre la magnitud de Figura 2: Dispersión de las poblaciones nativas en las primeras dos componentes principales. Se muestran los grupos identificados en los caracteres evaluados y la fecha de colecta: las poblacio- el dendrograma y un Árbol de Mínima Distancia (MST). Referencias: nes procedentes de pequeños agricultores de subsistencia Colecta antigua (*), Colecta actual (°), Mbya Guaraní (círculo azul), Tes- tigos (círculo verde) y Pequeños productores (círculo rojo). Nomencla- colectadas por el BAG en 1977 (P11, P12, P13, P14, P15) tura de las variables como en Tabla 3. mostraron valores medios para las variables evaluadas, en tanto que, la mayoría de las colectadas actualmente (P5, P6, P7, P8, P9, P19), resultaron más altas, con ciclos más largos y asincrónicos y rendimientos superiores.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Monica I. Heck et al.: Evaluación de la diversidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz 11

Discusión de poblaciones [29, 25]. La cercanía geográfica con áreas de producción de Brasil y los estrechos vínculos de tipo La variabilidad genética observada a nivel de caracteres familiar y social existente entre ambos países han llevado agromorfológicos en el germoplasma nativo es de gran a una continua introducción de numerosos híbridos o va- utilidad para el mejoramiento genético y la conservación riedades mejoradas provenientes de las zonas productivas de los recursos genéticos. La generación y conservación limítrofes. Esta tendencia, sumada al manejo tradicional de la variabilidad en poblaciones nativas está asociada a practicado en chacras de escasas superficies (25 ha. prome- la multiplicidad de ambientes y técnicas de producción, el dio), conduce a la siembra en áreas contiguas de materiales aislamiento geográfico, la recombinación entre poblaciones comerciales y poblaciones locales, sin barreras físicas ni aledañas, el flujo de semillas entre localidades y la selección temporales que permitan el aislamiento reproductivo. De realizada por los agricultores para caracteres asociados al esta manera, la “contaminación genética” causada por la rendimiento o usos especifícos [24, 25, 26, 27]. dispersión de polen procedente de materiales comerciales El empleo de técnicas multivariadas permitió la iden- ha ocurrido y seguirá ocurriendo. Una situación similar tificación de poblaciones o grupos de poblaciones con puede observarse en el contexto productivo de los pueblos características diferenciales para los caracteres evaluados, originarios, donde, la continua expansión y transformación sentando las bases para futuros programas de mejoramiento de la frontera agrícola comercial ha ocasionado importan- locales. Los siete grupos obtenidos reflejan diferencias de tes cambios estructurales y funcionales en los sistemas rendimiento y sus componentes, crecimiento vegetativo, productivos. Los que antes disponían de vastas superficies, longitud del ciclo y sincronía floral. La disposición de los ricas en diversidad, aisladas cultural y productivamente, mismos en el gráfico biplot refleja una progresión gradual hoy se ven expuestos a superficies cada vez más reducidas, en el nivel de expresión de estos atributos a nivel de gru- menos diversas y más susceptibles a la influencia de las pos, desde el más precoz, con plantas pequeñas, de bajos costumbres y cultivos foráneos. La adopción de nuevas rendimientos (Grupo 1), hasta los más tardíos, con plantas prácticas, como la cría de aves, conduce a la incorporación de mayor porte y rendimiento (Grupos 6 y 7), pasando al sistema de nuevas variedades/ híbridos de otros tipos por los de expresión intermedia (Grupos 2, 3, 4 y 5). Este raciales, más adecuados para la alimentación animal. patrón de distribución de la diversidad es un reflejo de Esto, sumado a la cercanía de sus lotes de producción a la biología reproductiva de la especie y el largo proceso los de otros agricultores locales, sin barreras de aislamiento co-evolutivo de agricultores y sus cultivos [28], sometido espacial o temporal adecuadas, aumentaría el flujo génico a procesos de migración y deriva, selección natural y artifi- entre ellas, provocando cierto grado de contaminación cial, extinción local y recolonización [24, 25, 4]. Cada año genética de las razas nativas, contribuyendo a explicar los agricultores toman decisiones que afectan la diversidad la gran diferenciación fenotípica observada al comparar genética de sus cultivos y con el paso del tiempo provocan algunas poblaciones de la colecta antigua y la actual (ej. cambios en la estructura genética de sus poblaciones, al P17 vs P3). seleccionar plantas con características deseables, al definir En contraparte, la diferenciación agromorfológica el tamaño de la población a sembrar, la cantidad de semilla observada entre poblaciones nativas de maíz procedentes introducida y conservada y/o al escoger una práctica de de “comunidades de la etnia guaraní” y aquellas pertene- manejo específica [24, 25]. cientes a “pequeños productores de subsistencia” sugiere La diferenciación fenotípica observada en las pobla- que los agricultores mantienen en cierto grado el ideotipo ciones procedentes de la colecta actual (Grupo 6 y 7) con de mazorca de sus variedades y cualquier característica respecto a las colectas más antiguas (Grupo 4), la tendencia genéticamente vinculada, a través de factores de tipo racial a mayores rendimientos, crecimiento vegetativo y longitud y uso específicos, al tiempo que permiten que otras caracte- del ciclo en las colectas actuales y la asociación del tes- rísticas evolucionen genéticamente. De esta manera al se- tigo antiguo (T19) con las poblaciones de tipo dentado y leccionar plantas fuera de tipo mantienen el polimorfismo semidentado de la colecta actual, sugieren cierto grado de fenotípico entre variedades plantadas en áreas adyacentes, erosión genética de estos materiales, asociada a procesos explicando la coexistencia de múltiples variedades a pesar de selección, sustitución y/o “contaminación” con polen de de los numerosos factores que favorecen el intercambio variedades/ híbridos modernos. En general, las poblacio- genético entre ellas. Esto se corresponde con lo descripto nes nativas de maíz pasan de un agricultor a otro durante por Louette y Smale [26] y Pressoir y Berthaud, [24] en generaciones, sometidas a procesos de selección fenotípica sistemas productivos de México. directa o indirecta basada en caracteres fácilmente discer- Estos resultados tienen profundas implicancias sobre la nibles (fenológicos, vegetativos y de mazorca) [26]. La conservación de los recursos genéticos locales. Por un lado, avidez del agricultor por probar nuevos materiales ha lleva- realzan la importancia de la complementación de métodos do, en muchos casos, al reemplazo de poblaciones nativas de conservación de recursos genéticos en el agroecosistema por variedades mejoradas más productivas, y en otros, a la donde se desarrollaron (in situ) con la realizada en bancos recombinación consciente y/ o inconsciente de ambos tipos de germoplasma (ex situ). En la primera, la influencia de

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 12 Monica I. Heck et al.: Evaluación de la diversidad agromorfológica de poblaciones nativas de maíz factores genéticos, ambientales y antrópicos genera “nueva Genetic diversity of maize landraces from lowland and variabilidad”, manteniéndose intacto el contexto técnico, highland agro-ecosystems of Southern South America: social, cultural y ambiental en el que estas poblaciones implications for the conservation of native resources. se desarrollaron [27], en tanto que en la segunda se res- Annals of Applied Biology, 160:308-321. 2012. guarda las variedades originales y variantes útiles para 4. Bracco, M.; Lía, V.V.; Poggio, L.; Cámara Hernández, J.A.; Gott- mejoradores y/o agricultores [30]. La complementación lieb, A.M. Caracterización genética de razas de maíz de ambas estrategias de conservación permitirá restaurar autóctonas de Misiones, Argentina. Revista Ciencia y el patrimonio genético original en sistemas agrícolas daña- Tecnología, 20:52-60. 2013. dos, atenuar los riesgos provocados por la erosión genética 5. Cámara Hernández, J.; Miante Alzogaray, A.M; Bellón, R.; Galmari- y resguardar nuevas variantes útiles [31]. ni, A.J. Razas de maíz nativas de la Argentina. Ed. Fac. Agronomía, UBA, vol 1, 174 pp. 2012. Conclusiones 6. Esquinas Alcazar, J. Recursos genéticos vegetales: Bases para la seguridad alimentaria. Ceres, 118 (20):39–45. Las poblaciones nativas de maíz de Misiones albergan 1987. niveles considerables de variabilidad genética para los 7. Maxted, N.; Ford-Lloyd, B.; Hawkes, J.G. Complementary con- caracteres agromorfológicos evaluados. servation strategies. In: Maxted N., Ford-Lloyd B., La diferenciación fenotípica observada entre poblacio- Hawkes J.C. (Eds.). Plant Genetic Conservation: The nes está fuertemente asociada con el tipo de endosperma, in situ Approach. Chapman & Hall. 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RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 14 Natalia E. Rolón Boytovich, Rodríguez María D.: Extracción de un colorante a partir de Morus nigra

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 14–19 Optimización de las condiciones de extracción de un colorante natural a partir de Morus nigra

Optimization of the extraction conditions of a natural dye from Morus nigra

Natalia E. Rolón Boytovich1, 2, 3, *, María D. Rodríguez 2 1- Facultad de Ciencias y Tecnología (FaCyT). Universidad Nacional de Itapúa (UNI). Abog. Lorenzo Zacarías N° 255 c/ Ruta N° 1. Encarnación, Itapúa, Paraguay. 2- Laboratorio de Biotecnología Molecular. Instituto de Biotecnología de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales (FCEQyN). Universidad Nacional de Misiones (UNaM). Ruta Nacional N° 12, Km 7,5. Posadas, Misiones, Argentina. 3- Laboratorio de Análisis de Agua y Alimentos de la Fundación de Desarrollo e Investigación Científica y Tecnológica (DINCYT). Av. Mitre N° 2283. Posadas, Misiones, Argentina. * E-mail: [email protected] Recibido el 29 de abril de 2018, Aprobado el 8 de noviembre de 2019. Resumen

El objetivo del presente trabajo fue optimizar el proceso de extracción de un producto concentrado a partir de Morus nigra para utilizarlo como colorante natural en alimentos. Los frutos de esta planta poseen antocianinas las cuales son de interés para la industria alimentaria. Se utilizó un diseño experimental para optimizar la extracción del colorante y los factores a evaluar fueron la concentración de etanol, la temperatura y el tiempo. Como resultado del diseño, los factores de relevancia resultaron ser la concentración de etanol y la temperatura, no así el tiempo de extracción. Así, se obtuvo una combinación de variables que maximizó su recuperación: concentración de etanol de 6,46% v/v, temperatura de 75° C y un tiempo de 30 min. Con estas condiciones óptimas, se podrán realizar extracciones de antocianinas, que generen mayores rendimientos, y, por lo tanto, puedan aplicarse como colorante alimenticio.

Palabras clave: Colorante alimenticio; Antocianinas; Morus nigra; Diseño factorial; Optimización.

Abstract

The aim of this research was to optimize the extraction process of a concentrated product from Morus Nigra to be later used as a natural food coloring. The fruits of this plant contain anthocyanins, which are of special interest within Food Industry. To improve dye extraction, an experimental design was used and the factors under evaluation were ethanol concentration, temperature and time. Consequently, ethanol concentration and temperature turned out to be the relevant factors, but not timing. This design resulted in a combination of variables that maximized dye recovery by obtaining 6.46% of ethanol concentration at 75 degrees centigrade within thirty-minute-time. These anthocyanin extractions generate optimal conditions and, therefore, can be applied as food coloring.

Keywords: Food coloring; Anthocyanins; Morus nigra; Factorial design; Optimization.

Introducción golosinas, algunos postres, los snacks y las bebidas, entre otros; se colorean artificialmente para hacerlos más atrac- El color en los alimentos es muy importante debido tivos al consumidor. a que es el primer contacto que el consumidor tiene con Desde la aparición de los colorantes sintéticos en la ellos, por lo que es determinante para la aceptación o industria, los colorantes naturales fueron relegados, ya rechazo de los mismos [1], [2], y con frecuencia se lo que los primeros presentan mayor estabilidad y menor utiliza como un índice de calidad, frescura y buen estado. costo. Sin embargo, desde hace unos años la calidad y Desafortunadamente, el color puede cambiar o perderse variedad de los colores provenientes de fuentes naturales durante los procesos tecnológicos o el almacenamiento. ha mejorado notablemente, lo que ha permitido que su uso Por esta razón, controlar, cambiar y estabilizar el color es aumente progresivamente, sobre todo en la industria de uno de los principales objetivos de los científicos y los los alimentos, ya que, en este campo, se buscan opciones tecnólogos en la rama de los alimentos. cada vez más saludables y libres de compuestos químicos Los alimentos que no tienen color propio, como las con potenciales efectos adversos sobre la salud. Se han

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Natalia E. Rolón Boytovich, Rodríguez María D.: Extracción de un colorante a partir de Morus nigra 15 desarrollado investigaciones en el campo de los colorantes obtenida se secó en estufa a 60° C por 10 h para poder al- enfocándose principalmente en lo relacionado con toxici- macenarlas sin que se deterioren. En esta etapa se eliminó dad, efectos secundarios, obtención de colorantes naturales aproximadamente el 85% de humedad. y sustitución de los colorantes sintéticos [3]. Dentro de los pigmentos de origen natural, se hallan las antocianinas, que pueden obtenerse a partir de plantas y vegetales que constituyen una fuente importante de colorantes de la gama de los rojos y azules. El fruto de la planta Morus nigra es bien conocido como una buena fuente de antocianinas con diversas actividades biológicas [4]. Este fruto constituye una buena fuente de pigmentos rojos naturales, hidrosolubles, con potenciales usos en la industria de alimentos, donde existe una demanda considerable de colores naturales alternativos a los sintéticos, como el rojo N° 40 [5]. El interés por estos pigmentos antociánicos se da por Figura N°1: Diagrama de flujo del experimento para la obtención de sus posibles efectos terapéuticos y benéficos, dentro de datos. los cuales se encuentran: prevención de enfermedades coronarias, efectos anticancerígenos, antitumorales, anti- Determinación del contenido de humedad: Se pesa- inflamatorios y antidiabéticos; además del mejoramiento ron 5 g de muestra seca y se colocaron en un humedímetro de la agudeza visual y del comportamiento cognitivo. Las (KERN - MLS) a fin de determinar el porcentaje de h- propiedades bioactivas de las antocianinas abren una nueva medad presente. Esto se realizó por duplicado. perspectiva para la obtención de productos coloreados con Molienda: Una vez seca la materia prima se procedió valor agregado para el consumo humano [5]. con la molienda del material, utilizando un mortero de Por lo tanto, la extracción de estos pigmentos a partir porcelana. Esto se realizó para permitir aún mayor área de la mora es una alternativa comercial válida debido a que de contacto entre el solvente (etanol en agua destilada a los pigmentos antociánicos, pueden ser un sustituto eficaz distintas concentraciones) y el material vegetal. de los sintéticos, brindando a las personas mayor seguridad Barrido Espectral: Se ensayaron la concentración de en los productos que consumen [6]. solvente, temperatura y tiempo de extracción según los El objetivo de este trabajo fue extraer un colorante puntos centrales del diseño de experimentos; éstos fueron, a partir de los frutos de Morus nigra, optimizando los etanol 40% a 53° C durante 45 min. Se pesaron 0,5 g de parámetros que influyen en el proceso. frutos secos y molidos tal como se describe anteriormente y se colocaron en distintos tubos tipo Falcon de 15 mL, Materiales y Métodos se añadieron 10 mL de la concentración etanólica en cada tubo y se incubaron a las condiciones predichas. Una vez Obtención de la Muestra: Para la obtención de la transcurrido el tiempo se procedió al centrifugado. Con muestra se siguió el plan de muestreo sugerido por la el extracto obtenido se realizó un barrido espectral entre Norma Venezolana [7], correspondiente a la toma de 200 – 700 nm a fin de determinar la longitud de onda de muestra de frutas y hortalizas. Estuvieron conformadas mayor absorbancia de las antocianinas; teniendo en cuenta por los frutos de la planta de Mora (Morus nigra), perte- dos bandas de absorción en la región UV (260 – 280 nm) neciente a la familia de las moráceas. Fueron recolectadas y la región visible (490 – 550 nm) para este tipo de com- manualmente de distintos árboles de la zona centro de puestos [9]. En base al barrido espectral se seleccionaron Encarnación, Paraguay. las longitudes de onda de mayor absorbancia para medir el Se seleccionaron los frutos que se encontraban en buen contenido de antocianinas. estado, con la finalidad de obtener una muestra homogénea, Diseño experimental: Para evaluar el efecto de la descartando para ello los frutos en inmadurez fisiológica, concentración de etanol, la temperatura y el tiempo en la no enteros, malformados, con presencia de daños por extracción del colorante, a partir de un peso fijo de frutos insectos – plagas, con deformaciones, roturas, rajaduras, de mora secos y molidos (0,5395 g), se ensayó cada va- raspaduras, manchados, podridos y con presencia de hon- riable independiente a 5 niveles (tabla 1). Las variables de gos [8]. En la figura 1 se esquematiza los pasos seguidos a respuesta fueron las absorbancias a las longitudes de onda lo largo de todo el experimento. de 285 y 525 nm y el contenido de fenoles totales. Trituración y secado: Los frutos se pesaron y tritu- Los ensayos se realizaron siguiendo un diseño de com- raron con una procesadora de alimentos (Moulinex - slim puesto central 32 + estrellas, definido mediante software force - 700W) hasta obtener una pasta, con el fin de generar estadístico Statgraphics Centurión XVI, con 17 corridas mayor área superficial y así facilitar el secado. La pasta en total y 7 grados de libertad para el error.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 16 Natalia E. Rolón Boytovich, Rodríguez María D.: Extracción de un colorante a partir de Morus nigra

Determinación de fenoles: El contenido fenólico total agua dependiendo de la concentración de solvente en las se determinó utilizando el método espectrofotométrico de extracciones. Se procedió al barrido espectral entre los Folin-Ciocalteu [10] con modificaciones. Se realizó una 200 y 700 nm a fin de determinar las longitudes de onda curva de calibrado con patrones de concentración conocida de mayor absorbancia de las antocianinas. Las longitudes a partir de una disolución madre de 900 ppm (0,045 g de de onda seleccionadas fueron de 285 y 525 nm, lo cual ácido gálico disuelto en 50 mL de agua destilada) y a concuerda satisfactoriamente con datos teóricos confirmados partir de ella se prepararon las diferentes diluciones por en otros estudios, en donde se describe un pico máximo de duplicado. absorción de 285 nm para piranoantocianinas [11] y 525 nm Una vez preparadas las diluciones de la curva de cali- para antocianinas [12], tal como se muestra en la figura 2. brado, se añadió a todos los tubos 3 mL de agua destilada, Diseño Experimental: Para establecer la influencia de 40 μL del líquido correspondiente ya sea agua, patrón o las variables utilizadas sobre el proceso de extracción del muestra y 200 μL del reactivo de Folin-Ciocalteu (Sigma colorante se realizaron una serie de ensayos siguiendo el - Aldrich) a todos los tubos, se homogenizó el contenido, diseño de experimentos, basado en un diseño compuesto se dejó reposar por 5 min y se añadió 600 μL de Na2CO3 central 32 + estrellas, definido mediante el software (Merck) al 20%, cerrando y agitando nuevamente. Se estadístico Statgraphics Centurión XVI. Los resultados llevaron los tubos a 40° C durante 30 min y, una vez fríos, experimentales obtenidos al realizar las mediciones de las se midió la absorbancia a 765 nm. El contenido total de fe- absorbancias de los extractos utilizando dicho diseño se noles se expresó como equivalente de ácido gálico GAE/g. presentan en la tabla 1; la cual contiene los promedios de Extracción: Se pesaron 35 g de mora seca y molida, las absorbancias y el contenido fenólico. se agregaron a una solución de 700 mL de etanol – agua al 6,43% v/v, y se llevó a 75 ºC en baño termostático durante Tabla 1: Diseño compuesto central 32 + estrellas para evaluar la concentración de etanol, la temperatura y el tiempo de extracción de 30 min. Seguidamente se filtró y lo obtenido se guardó en antocianinas de Morus nigra. un frasco color caramelo para evitar así su exposición a la Abs Abs Fenoles Corrida % Etanol Temperatura Tiempo luz y al oxígeno. 285nm 525nm (GAE/g) Concentración: Se realizó en un evaporador rotatorio al 1 16 70 54 0,653 0,433 1,170 2 0 53 45 0,599 0,453 1,106 vacío marca SENCO operando a 60° C y 0,8 atm durante 2 3 40 53 30 0,579 0,41 1,406 h aproximadamente, obteniéndose 50 mL de concentrado. 4 16 70 36 0,739 0,556 1,518 Validación: Se hicieron extracciones, por triplicado, 5 64 36 36 0,517 0,351 1,160 bajo las condiciones predichas como óptimas, según las 6 64 70 36 0,585 0,336 1,379 7 64 36 54 0,485 0,316 1,068 gráficas de superficie de respuesta, siendo éstas para 285 8 16 36 36 0,603 0,48 1,213 nm: 6,46% de concentración de etanol a 75,09° C y un 9 64 70 54 0,662 0,459 1,483 tiempo de 30 min; para 525 nm: la misma cantidad de 10 40 25 45 0,371 0,294 1,267 tiempo, pero a 55,6° C y 0% de etanol; y para los fenoles 11 40 80 45 0,619 0,429 1,313 totales una concentración de etanol de 44,5%, a la tem- 12 16 36 54 0,562 0,451 1,384 13 40 53 60 0,622 0,461 1,541 peratura de 80° C y un tiempo de extracción 30 min. Se 14 80 53 45 0,300 0,259 0,985 procedió a determinar las absorbancias y el contenido de 15 40 53 45 0,625 0,395 1,259 fenoles totales. 16 40 53 45 0,585 0,483 1,342 17 40 53 45 0,584 0,433 1,554 Análisis de varianza para las distintas variables de respuesta Resultados y Discusión

Se realizó el análisis de varianza para la concentración de etanol, la temperatura y el tiempo de extracción sobre las antocianinas observadas a 285 nm. La concentración de etanol y la temperatura tuvieron un valor-p menor que 0,05; indicando esto que son estadísticamente significativos con un nivel de confianza del 95,0%. Para las antocianinas detectadas a 525 nm, la concentra- ción de etanol tuvo un valor-p menor que 0,05; indicando que es estadísticamente significativo sobre la variable respuesta, con un nivel de confianza del 95%, resultando Figura 2: Barrido espectral para detectar picos de máxima absorción no significativas la temperatura y el tiempo. de antocianinas en Morus nigra. El análisis de varianza para fenoles totales indicó que la Barrido Espectral: Las muestras presentaron una hume- concentración de etanol en su expresión cuadrática tuvo un dad de 7,92 ± 0,01. El contenido de agua de las muestras valor-p menor que 0,05; indicando que es estadísticamente fue tomado en cuenta para los cálculos de la cantidad de significativa, con un nivel de confianza del 95%, resultando

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Natalia E. Rolón Boytovich, Rodríguez María D.: Extracción de un colorante a partir de Morus nigra 17 no significativas la temperatura y el tiempo. de qué manera se comportaría cada una de las respuestas En el diagrama de Pareto, figura 3, se muestran los manipulando dichas variables. gráficos de Pareto para el diseño estadístico. Abs285 = 0,592 – 0,059*OH + 0,065*T – 0,0007*t – 0,032*OH2 + 0,002*OH*T + 0,021*OH*t – 0,016*T2 + A 0,008*T*t + 0,02*t2 (1) Abs525 = 0,434 – 0,057*OH + 0,030*T + 0,001*t – 0,019*OH2 + 0,009*OH*T + 0,03*OH*t – 0,017*T2 + 0,008*T*t + 0,009*t2 (2) Fenoles (g/L) = 1,382 – 0,029*OH + 0,059*T + 0,005*t – 0,112*OH2 + 0,068*OH*T + 0,024*OH*t – 0,026*T2 – 0,040*T*t + 0,039*t2 (3) Donde: T: Temperatura (° C) B t: Tiempo (min) OH: Concentración de etanol (%)

A partir de las ecuaciones (1), (2), y (3); se analizó la influencia de las variables de proceso estudiadas. Para ello, se elaboraron diferentes gráficos de superficie de respuesta (figura 4). Dado que se trabajó con tres factores (concen- tración de etanol, temperatura, y tiempo de extracción) y tres variables de respuestas (absorbancias a 285 nm, absorbancias a 525 nm y fenoles totales), los gráficos se C obtuvieron manteniendo uno de los factores constantes en el punto central y variando los otros dos. Se puede observar que, para la interacción entre la concentración de etanol y la temperatura de extracción, el máximo en la variable respuesta se obtuvo en un rango cercano para ambas absorbancias, sin embargo, se observa también un desplazamiento a niveles mayores en la superficie correspondiente a fenoles totales. Resultados similares se observaron en la interacción entre el tiempo y la temperatura de extracción, donde las gráficas para ambas Figura 3: Diagrama de Pareto estandarizado para las respuestas A) absorbancias son similares y la zona con mayor valor de la para las antocianinas detectadas a 285 nm, B) para las antocianinas variable respuesta corresponde a los niveles altos de ambas detectadas a 525 nm y C) para los fenoles totales, extraídas de Morus nigra. variables. Para fenoles totales, sin embargo, los valores máximos corresponden a niveles altos de temperatura y Como se puede corroborar en la (figura 3 A), la bajos de tiempo de extracción. En la tabla 5 se observan temperatura y la concentración de etanol influyen tanto los valores óptimos de cada variable estudiada según las positiva como negativamente en la absorbancia a 285 nm gráficas de superficie de respuesta. del colorante, respectivamente. En cambio, en la absorbancia a 525 nm sólo la concentración de etanol tuvo un Tabla 2: Valores óptimos para maximizar la obtención de antocianinas en extractos obtenidos a partir de Morus nigra. efecto negativo estadísticamente significativo, (figura 3 B). Factores Niveles Valores óptimos Respecto a los fenoles totales (figura 3 C), la concentración Bajo Alto 285 nm 525 nm Fenoles totales de etanol en su expresión cuadrática tuvo efecto negativo Etanol (%) 0 80 6,46 0 44,8 estadísticamente significativo. Un factor cuadrático nega- Temp. (°C) 25 80 75,09 55,6 80 tivo y estadísticamente significativo, indica que la variable Tiempo (min) 30 60 30 30 30 respuesta disminuyó cuadráticamente, a medida que el nivel del factor se incrementaba [13]. Validación: Para validar el modelo y el resultado En base a las corridas del diseño experimental y los máximo obtenido, se realizó una nueva prueba con 3 repe- datos obtenidos de las variables respuesta, se ajustó un ticiones usando los valores obtenidos en la tabla 2, siendo modelo para cada una de las variables (ecuaciones 1, 2 éstas para 285 nm; 6,46% de concentración de etanol a y 3). Estas ecuaciones permiten calcular cada variable de 75,09° C y un tiempo de 30 min; para 525 nm, la misma respuesta en función de las variables independientes (con- cantidad de tiempo pero a 55,6° C y 0% de etanol; y para centración de etanol, la temperatura y el tiempo), e indican los fenoles totales una concentración de etanol de 44,8%,

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Figura 4: Superficie de respuesta estimada para la absorbancia a 285nm, a 525 nm y fenoles totales de extractos obtenidos a partir de Morus nigra. a la temperatura de 80° C y un tiempo de extracción 30 Por su parte, en la optimización de las condiciones min. La validación dió como resultado los valores que se de extracción de antocianinas de batata morada, autores muestran en la tabla 6 y que se comparan con los óptimos lograron la mejor extracción a 80° C [15]; mientras que teóricos proyectados según las gráficas de superficie de otros autores, al estudiar la extracción de anocianinas a respuesta para todas las condiciones. partir de maíz morado, obtuvieron que la mejor temperatura de extracción fue 75° C [16]; coinicidiendo dichas Tabla 6: Comparación de valores óptimos teóricos y experimentales temperaturas con este trabajo para las antocianinas medidas de las antocianinas detectadas y los fenoles totales para extractos de Morus nigra. a 285 nm y los fenoles totales. Condiciones Valor teórico Valor experimental El tiempo de 30 min, coincide con lo predicho por

285nm 0,759 0,642 ± 0,083 Markakis que recomienda utilizar altas temperaturas y 525nm 0,582 0,157 ± 0,301 cortos tiempos de procesamiento para una mejor retención Fenoles totales (GAE/g) 1,629 1,581 ± 0,034 del pigmento [17]. Mediante este diseño se pudo determinar que para la Con respecto a la concentración de etanol, las condicio- extracción del colorante los factores de relevancia resulta- nes óptimas fueron de 6,46 y 0% para ambas longitudes de ron ser la concentración de etanol y la temperatura, no así onda estudiadas y coinciden con el trabajo realizado por el tiempo de extracción. Vicente Castillo [14], en donde realizaron extracciones de antocianinas con distintos solventes, siendo el etanol el extractante menos apropiado.

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Conclusión 7. COVENIN N° 1769. Norma Venezolana. Frutas. Toma de Muestra, 1981. [En línea]. Disponible en: http://www. Mediante el empleo de diseños experimentales se pudo sencamer.gob.ve/sencamer/normas/1769-81.pdf. [Ac- estudiar diferentes variables, analizar sus interacciones, y cedido: 24-ago-2017]. establecer cuál es la que influye significativamente sobre la 8. A. D. García Méndez. Evaluación de un Tratamiento post- extracción de antocianinas de Morus nigra. Se observó que cosecha de la Tecnología IV Gama en Frutos de Moras los factores de relevancia resultaron ser la concentración de (Rubus glaucus Benth), Rev. Iber. Tecnol. Postcosecha, etanol y la temperatura, no así el tiempo de extracción. Con vol. 9, n.o 1, pp. 44-54, 2008. estas condiciones óptimas, se podrán realizar extracciones 9. G. A. López Valdez. Extracción y Caracterización del Co- de antocianinas, que generen mayores rendimientos, y, por lorante del Fruto Almendra de la India (Terminalia lo tanto, puedan aplicarse como colorante alimenticio. catappa), Universidad Autónoma Agraria, 2012. 10. E. García Martínez, I. Fernández Segovia, y A. Fuentes López. Agradecimientos Determinación de polifenoles totales por el método de Folin-Ciocalteu, Valencia - España, 2015. Al Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología (CONA- 11. A. Castañeda Ovando, J. A. Rodríguez, C. A. Galán Vidal, y S. CYT) del Paraguay, por la beca otorgada para la realización Sánchez Herrera. Estudio de efectos que afectan la es- de esta investigación y la financiación del mismo, también tabilidad de antocianinas y piranoantocianinas en a la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad solución acuosa mediante herramientas estadisticas, Nacional de Itapúa y al Instituto de Biotecnología de pp. 177-182, 2008. Misiones – Argentina por las instalaciones y los equipos 12. M. Aguilera Ortíz et al. Propiedades funcionales de las otorgados. antocianinas, vol. 13, n.o 2, pp. 16-22, 2011. 13. M. D. Rodríguez et al. Obtención de azúcares fermentables Referencias a partir de aserrín de pino pretratado secuencialmente con ácido-base, Rev. Int. Contam. Ambient., vol. 33, 1. S. Badui Dergal. Química de los alimentos. 2006. n.o 2, pp. 317-324, 2017. 2. J. M. Espinosa. La ciencia sensorial: su incidencia en la 14. A. Vicente Castillo. Análisis de polifenoles en smoothies, calidad del servicio de alimentos y bebidas y la satis- zumos y néctares de frutas rojas. Universidad Politéc- facción del cliente, pp. 1-2, 2014. nica de Cartagena, 2013. 3. M. Restrepo Gallego. Sustitución de colorantes en alimen- 15. G. Fan, Y. Han, Z. Gu, y D. Chen. Optimizing conditions for tos, Lasallista Investig., vol. 4, n.o 1, pp. 35-39, 2007. anthocyanins extraction from purple sweet potato 4. P. Aramwit, N. Bang, y T. Srichana. The properties and stabi- using response surface methodology (RSM). LWT - lity of anthocyanins in mulberry fruits, Food Res. Int., Food Sci. Technol., vol. 41, n.o 1, pp. 155-160, 2008. vol. 43, n.o 4, pp. 1093-1097, 2010. 16. A. Gorriti et al. Extracción de antocianinas de las coron- 5. G. A. Garzón. Anthocyanins as natural colorants and bio- tas de las corontas de Zea mays L. “Maíz morado”, active compounds: A review. Acta Biológica Colom- Cienc. Invest., vol. 12, n.o 2, pp. 64-74, 2009. biana, vol. 13, n.o 3, pp. 27-36, 2008. 17. P. Markakis. Anthocyanins as Food Additives. en Antho- 6. M. S. Butt, A. Nazir, M. T. Sultan, y K. Schroën. Morus alba L. cyanins As Food Colors, Elsevier Science, 1982, pp. nature’s functional tonic, vol. 19, 2008. 245-253.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 20 Ana C. López et al.: Identificación de hongos aislados de yerba mate

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 20–26 Aislamiento e identificación de hongos asociados aIlex paraguariensis St. Hil.

Isolation and identification of fungi associated with Ilex paraguariensis St. Hil.

Ana C. López1,*, Adriana E. Alvarenga1, Pedro D. Zapata1, María F. Luna2, Laura L. Villalba1

1- Laboratorio de Biotecnología Molecular, Instituto de Biotecnología Misiones, Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales, UNaM, CP3300, Posadas, Misiones, Argentina. 2- Centro de Investigación y Desarrollo en Fermentaciones Industriales (CINDEFI), CCT-La Plata CONICET, CIC-PBA, Departamento de Química, Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Nacional de La Plata, La Plata, Argentina. *E-mail: [email protected] Recibido el 19 de marzo de 2019, Aprobado el 05 de marzo de 2020. Resumen

El cultivo de Ilex paraguariensis es importante en el norte de Argentina, principalmente en la provincia de Misiones. En los últimos años se ha observado la presencia de diferentes síntomas de enfermedades causadas por hongos de los cuales no se conoce agente causal, epidemiología y daño económico. En este estudio, se aislaron hongos de hojas de yerba mate que presentaban síntomas visibles de lesiones foliares. Cinco aislados (Alternaria, Colletotrichum, Phoma y Pilidium) fueron seleccionados por sus características micro y macromorfológicas. Estos hongos fueron identificados utilizando un microscopio óptico y claves morfológicas. Se realizaron ensayos de patogenicidad en hojas y en plantas de un año de yerba mate. Los resultados mostraron que Colletotrichum sp. LBM 183 y Phoma sp. LBM 207 son patógenos de hoja de yerba mate capaces de desarrollarse en el tejido. Mientras que Alternaria sp. LBM 186 y Pilidium sp. LBM 208 fueron capaces de enfermar la planta ingresando por la raíz de yerba mate.

Palabras clave: Yerba mate; Fitopatógenos; Identificación; Claves morfológicas; Ensayos de patogenicidad.

Abstract

The cultivation of Ilex paraguariensis is important in northern Argentina, mainly in Misiones province. The presence of different symptoms of diseases caused by fungi has recently been observed. Neither the causative agents nor the epidemiological or economic damages have been identified yet. In this study, fungi were isolated from yerba mate leaves that showed visible symptoms of foliar lesions. Five isolated samples: Alternaria, Colletotrichum, Phoma and Pilidium; which were selected because of both, their micro and macro morphological characteristics. These fungi were identified by using an optical microscope together with morphological keys. Pathogenicity tests were carried out on yerba mate leaves and on one-year-old plants. The results showed that Colletotrichum sp. LBM 183 and Phoma sp. LBM 207 are pathogens typical of the yerba mate leaves capable of developing within the plant tissue, while Alternaria sp. LBM 186 and Pilidium sp. LBM 208 were able to sicken the plant by entering into the yerba mate root.

Keywords: Yerba mate; Phytopathogens; Identification; Morphological keys; Pathogenic assay.

Introducción cultivo genera una serie de problemas fitosanitarios por el aumento de la disponibilidad de hospederos, manejo y La yerba mate (Ilex paraguariensis St. Hil.) es una cultivo de las plantas, prácticas inadecuadas, aumento del especie que se encuentra en bosques lluviosos en el su- estrés fisiológico por los bajos niveles de sombramiento y roeste de Paraguay, sur de Brasil y norte de Argentina (1). abundancia del cultivo en áreas inadecuadas. Este árbol es un cultivo regional muy valioso ya que sus Si bien la República Argentina es la primera productora hojas se transforman en una bebida tradicional llamada mundial de yerba mate, los estudios de patologías afectan- mate (2). Actualmente, en nuestro país existen 169.633 do al cultivo son escasos (4). En la última década, se ha hectáreas cultivadas de yerba mate (3) de las cuales un observado la presencia de distintos síntomas de enferme- 87% se encuentran en la provincia de Misiones, Argentina. dades en las plantaciones de yerba mate de esta región, En las últimas décadas, un creciente aumento del área de de las que no se conoce el agente causal, epidemiología y

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Ana C. López et al.: Identificación de hongos aislados de yerba mate 21 potencial de daño económico (5). La información obtenida de la literatura sobre hongos de yerba mate, revelan más de 120 especies registradas en trabajos científicos publicados en un período entre 1908 y 2002, pero mucho de estos trabajos tienen como objetivo la descripción taxonómica, sin profundizar en estudios de patogenicidad (Colombo 2002). Figura 1: Muestras recolectadas de hojas con síntomas. Uno de los problemas que afecta la productividad de los cultivos, es la infección foliar por hongos fitopatógenos. Entre los numerosos hongos que se asocian de distintas formas al follaje de yerba mate solo unos pocos causan ver- daderos daños y preocupación a los productores yerbateros. Se destacan los causantes de Antracnosis (Colletotrichum spp.), del Hollín de la yerba mate (Asterina sphaerelloi- des); de la Mancha Negra (Cylindrocladium spathulatum), de Mancha gris o cercosporiosis (Pseudocercospora mate), además de algunas virosis (3). En el proceso de “domesticación” de la yerba, se van sumando los efectos de las técnicas culturales (densidad, distanciamiento, labores, fertilización) y la erosión ge- nética de las características de resistencia que las plantas poseían creciendo en su ambiente natural. La tendencia a la homogeneidad en ambos aspectos favorece el desarrollo de enfermedades. En el ambiente selvático, la acción de las enfermedades es contrarrestada por el ecosistema natural. En un ambiente agrícola, como el hospedante es abundante y homogéneo y la biodiversidad pequeña, los enemigos naturales son pocos para equilibrar las poblaciones de hongos y bacterias patógenas. Esto hace pensar que los problemas por enfermedades se agudizarán en el futuro (Burtnik 2006). Por lo expuesto, es importante profundizar en el conocimiento a los productores principalmente de las posibles Figura 2: Santo Pipó, Misiones, Argentina. Localización geográfica: 27°08’24’’S 55°24’31’’O (7). amenazas patógenas que afectan estos cultivos, ya que existen pocos reportes sobre este tema. Por lo tanto, el objetivo del presente trabajo fue aislar e identificar hongos Aislamiento de endófitos de yerba mate causantes de síntomas visibles en hojas de yerba mate. La identificación realizada se llevó a cabo utilizando técnicas Las hojas se cortaron en pequeños trozos de 1 cm por 1 macro y microscópicas. Una vez identificados los aislados, cm representando tanto las partes de la hoja con síntomas el siguiente objetivo del trabajo fue realizar pruebas de de infección como partes del tejido sano. Luego, se realizó patogenicidad in vitro en hojas de yerba mate sanas en un protocolo de desinfección, el cual consistió en un lavado cámara húmeda e in vivo en plantas juveniles de yerba con hipoclorito de sodio al 2% v/v durante 3 minutos y 3 mate. En base a los resultados obtenidos y la bibliografía lavados con agua destilada estéril durante 2 minutos. Las disponible se determinó si estos aislados podrían ser muestras se colocaron en placas de Petri con medio agar- potenciales patógenos de yerba mate o no. agua al 2% p/v (AA 2%) y se incubaron a 28±1° C con luz constante, hasta la visualización de colonias fúngicas. Materiales y Métodos Identificación de los endófitos aislados Recolección de material vegetal Los aislados se desarrollaron a 28±1° C en presencia Se seleccionaron muestras de hojas de plantas de yerba de luz constante en papa-dextrosa agar (PDA) para inducir mate con síntomas visibles de enfermedad (Figura 1 A y la formación de estructuras reproductivas. Luego de 5 días B). La recolección se llevó a cabo en el vivero propiedad de incubación, se registraron características macroscópicas de la Fundación Alberto Roth, Santo Pipó, Misiones, Ar- como color de anverso y reverso de la colonia. A su vez, las gentina, localización geográfica: 27°08′24″S 55°24′31″O placas fueron observadas a simple vista bajo lupa. (Figura 2). Se realizaron montajes de micelio crecido de las colo-

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 22 Ana C. López et al.: Identificación de hongos aislados de yerba mate nias en portaobjetos y se realizó una tinción con azul de N° de plantas enfermas lactofenol para la observación en el microscopio óptico. Incidencia (I): x 100 Total (sanas+enfermas)de plantas observadas (1) Se realizó la observación de diferentes estructuras en el microscopio junto con la utilización de diferentes claves taxonómicas como las de Barnett & Hunter (8) y Pitt & Los síntomas fueron evaluados según la siguiente tabla: Hockings (9). Tabla 1: Escala de severidad

Escala Síntoma Ensayos de patogenicidad in vitro 0 0 a 5% de manchas en parte aérea Para evaluar la patogenicidad de los hongos aislados 1 5 a 25% de manchas en la parte aérea de hojas de yerba mate, se recolectaron hojas sanas de 2 25 a 50% de manchas en la parte aérea plantas de yerba mate de doce meses de vida. Las hojas se 3 >50% de manchas en la parte aérea desinfectaron realizando lavados con hipoclorito de sodio al 2% durante 2 minutos y 3 lavados sucesivos con agua des- Análisis estadísticos tilada estéril. Luego, se dejaron secar y se colocaron con la cara abaxial hacia arriba en bandejas plásticas previamente Los datos de peso seco obtenidos en el ensayo de desinfectadas con alcohol 70%. Se les realizó un pequeño patogenicidad en plantas se probaron para la distribución corte con bisturí estéril a ambos lados del nervo de la hoja normal con la prueba de Shapiro-Wilk y la homogeneidad y sobre cada corte se colocó 1 taco de 6 mm con micelio en de varianza, dependiendo los resultados, fueron analizados desarrollo de los aislados seleccionados. El control consistió con ANOVA o Kruskal-Wallis. Se realizó un posterior en hojas desinfectadas con cortes sin agregado de tacos. Las análisis con la prueba de Fisher con un 5% de confianza hojas se cubrieron con gasa estéril humedecida con agua utilizando el programa Statgraphics Centurion XV versión destilada estéril y las bandejas se sellaron con parafilm. Se 15.2.06. incubaron a 28±1° C durante 7 días en presencia de luz. Para este ensayo, se utilizó un diseño aleatorizado con seis tra- Resultados y Discusión tamientos y tres repeticiones, donde la unidad experimental fue la hoja y la variable de estudio fue daño ocasionado por Aislamiento e identificación de endófitos de yerba mate el microorganismo en la hoja. El daño se determinó utilizando una escala arbitraria en comparación a lo observado en el Se realizaron 15 aislamientos de hongos con diferentes control. Para corroborar que el daño ocasionado en el tejido características macroscópicas y microscópicas. Mediante vegetal fue producido por el microorganismo inoculado, se técnicas macro y microscópicas se lograron identificar 6 realizó el reaislamiento de los hongos. aislados, los cuales fueron nombrados según las siglas de la colección de cultivos del Instituto de Biotecnología Ensayos de patogenicidad en plantas de yerba mate Misiones: Colletotrichum sp. LBM 183, Alternaria sp. LBM 186, Phoma sp. LBM 189, Phoma sp. LBM 207 y Se realizó un segundo ensayo de patogenicidad en la Pilidium sp. LBM 208. raíz de la planta de yerba para observar si estos aislados son capaces de afectar también este tejido vegetal. Para este Género Colletotrichum ensayo, se realizó un diseño experimental completamente aleatorizado con seis tratamientos (cinco aislamientos y un La cepa LBM 183 se pudo identificar comoColletotri - control), y seis repeticiones donde la unidad experimental chum sp. La colonia crecida en PDA a los 7 días presentó fue la planta, de doce meses de vida. La duración del micelio de color gris oscuro en el anverso (Figura 3 A) y ensayo fue de 4 meses. Cada planta se inoculó con 5 ml de color negro en el reverso de la colonia (Figura 3 B). En la una suspensión en Tween 80 al 0,1% de 105 propágulos/ lupa se pudieron observar hifas finas y gruesas y a su vez, ml de los aislados. El control consistió en el agregado de un aglomerado de estructuras (Figura 3 C). En el micros- agua destilada a las plantas. Las plantas se mantuvieron en copio utilizando aumento de 40X se observó aglomerado cámara de incubación a una temperatura de 24° C durante de hifas hialinas septadas, conidios de gran tamaño hialinos el período de luz con una duración de 12 horas y con una de forma cilíndrica con extremo redondeado y setas color intensidad de alrededor de 2000 Lumex, y una temperatura marrón, que son característicos del género (Figura 3 D). de 20° C durante el período de oscuridad con una duración de 12 horas. Al finalizar el ensayo, se realizó peso seco total, de la raíz y parte aérea de las plantas. También se determinó incidencia y severidad de las plantas ensayadas. La incidencia se determinó utilizando la siguiente fórmula:

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que el reverso se observó de color marrón con la formación de anillos concéntricos alrededor del centro de la colonia (Figura 6 D). Las colonias de ambas cepas observadas bajo la lupa presentaron estructuras globosas (Figura 6 E) que mediante observación microscópica se determinó que esas estructuras corresponden a picnidios característicos del género Phoma (Figura 6 F). También se observó la presencia de conidios unicelulares e hifas hialinas estériles característicos de este género.

Figura 3: Género Colletotrichum. A. Anverso y B. Reverso de la colonia de LBM 183 crecida en PDA durante 7 días C. Placa crecida en PDA observada en la lupa D. Observación en microscopio con aumento 40X, flecha amarilla señala los conidios y flecha roja hace referencia a la seta observada.

Género Alternaria

La cepa LBM 186 fue identificada como Alternaria sp. El anverso de la colonia crecida en PDA se observó color marrón claro y de aspecto algodonoso (Figura 5 A), mientras que el reverso se observó marrón oscuro en el centro de la colonia y marrón más claro hacia el borde de la placa (Figura 5 B). En la lupa se observaron cadenas y agrupaciones de conidios (Figura 5 C) que luego se observaron al microscopio óptico, donde se pudo determinar la disposición de 3 a 5 conidios en cadena. Los conidios Figura 6: Género Phoma. A. Anverso y B. Reverso de la colonia de LBM presentaron forma ovoide con 6 o más septos en su interior 189 crecida en PDA durante 7 días C. Anverso y D. Reverso de la e hifas hialinas septadas (Figura 5 D). colonia de LBM 207 crecida en PDA durante 7 días E. Placa crecida en PDA durante 7 días observada en la lupa F. Foto de microscopía con aumento 10X, las flechas indican la presencia de picnidios

Género Pilidium

La cepa LBM 208 fue identificada como Pilidium sp. La colonia presentó color blanco del lado anverso (Figura 7 A) y color amarillento del reverso (Figura 7 B) luego de 7 días de incubación en PDA. Esta cepa se caracterizó por ser de crecimiento lento, ya que a los 12 días de desarrollada la colonia en PDA se observó, tanto del lado anverso como reverso, una pigmentación color marrón con formación de círculos concéntricos y formación de picnidios (Figura 7 C). En el microscopio, se observaron Figura 5: Género Alternaria. A. Anverso y B. Reverso de la colonia de LBM186 crecida en PDA durante 7 días C. Placa crecida en PDA duran- hifas hialinas estériles luego de 7 días de incubación en te 7 días observada en la lupa D. Foto de microscopía con aumento PDA; en cambio, luego de 12 días de incubación en PDA, 40X. se pudieron observar pequeñas conidias fusiformes con

Género Phoma extremos puntiagudos aglomeradas en masa (Figura 7 D).

Las cepas LBM 187 y LBM 207 fueron identificadas como Phoma sp. La colonia de lado anverso de LBM 187 presentó color marrón claro en el centro y blanco hacia los bordes con aspecto algodonoso (Figura 6 A), mientras que el reverso se caracterizó por presentar un color verde oscuro casi negro (Figura 6 B). El anverso de la colonia de LBM 207 presentó un color rosado (Figura 6 C), mientras

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 24 Ana C. López et al.: Identificación de hongos aislados de yerba mate

En las hojas inoculadas con los diferentes aislados, se pudo observar la presencia de estructuras reproductivas de LBM 183, LBM 186, LBM 207 y LBM 208 mediante observación al microscopio óptico (Figura 9). Esto nos da un indicio de que el hongo fue capaz de reproducirse en el tejido vegetal en las condiciones ensayadas.

Figura 7: Género Pilidium. A. Anverso y B. Reverso de la colonia de LBM 208 crecida en PDA durante 7 días C. Reverso de la colonia de LBM208 crecida en PDA durante 12 días D. Foto de microscopía con aumento 40X de la colonia crecida durante 12 días en PDA

Ensayos de patogenicidad in vitro en cámara húmeda

En el ensayo realizado en cámara húmeda se pudo ob- Figura 9: Fotografías tomadas de hojas inoculadas observadas en servar que el aislamiento que mayor severidad produjo en el microscopio óptico. A. Flecha roja y flecha verde indica setas y conidios, respectivamente, de Colletotrichum sp. LBM 183 en 10X B. el tejido de la hoja en comparación con el control (Figura Conidio de Alternaria sp. LBM 186 cerca de la hoja en 40X C. Flechas 8 A) fue Phoma sp. LBM 207 (Figura 8 F). Se pudo obser- rojas indican picnidios de Phoma sp. LBM 207 formado en la hoja en var que este aislado produjo una mancha necrótica en el 40X D. Flechas roja y verde indican picnidio y conidias, respectivamente, de Pilidium sp LBM 208 en 40X. tejido de la hoja. Colletotrichum sp LBM 183 y Alternaria sp. LBM 186 fueron capaces de dañar la hoja en menor En el trabajo publicado por Rybak (5) se reporta a proporción que LBM 207 (Figura 8 B y D), mientras que Phoma sp. como un patógeno de hojas de yerba mate en LBM 189 Phoma sp. y LBM 208 Pilidium sp. (Figura 8 donde se muestran estructuras reproductivas similares a las E y G) fueron los que menor daño causaron a la hoja en observadas en la Figura 9 C, por lo que podemos decir, que comparación con el control. Phoma sp. LBM 207 es capaz de reproducirse y desarrollarse en la hoja, ocasionándole un daño visible al tejido. Por otro lado, Gomes (16) en su trabajo ha logrado asociar la antracnosis de la yerba mate a organismos de la especie Colletotrichum acutatum, donde existe una prevalencia de la infección en hojas jóvenes. Por lo expuesto, podemos afirmar que Colletotrichum sp. LBM 183 y Phoma sp. LBM 207 son patógenos de hoja de yerba mate. Para poder obtener un mejor diagnóstico sobre estos posibles patógenos, se debería realizar un ensayo bajo las mismas condiciones, pero con mayor duración de tiempo, para que el hongo tenga tiempo para poder desarrollarse y sea capaz de infectar el tejido.

Ensayos de patogenicidad en plantas de yerba mate

Todas las cepas inoculadas mostraron una incidencia del 50% o mayor en plantas de yerba mate. Se observó un índice de síntomas de 1, es decir, 5 a 25% de manchas en las hojas, en las plantas tratadas con Alternaria sp. LBM Figura 8: Ensayo de patogenicidad. Fotografías de hojas de yerba mate 186 y Phoma sp. LBM 189. Las plantas tratadas con las luego de 7 días de incubación a 28° C. A. Hoja sin inóculo: control. otras cepas mostraron un índice de síntomas de 2, por lo Hojas inoculadas con: B. Colletotrichum sp. LBM 183. C. Alternaria sp. LBM 186 D. Phoma sp. LBM 189 E. Phoma sp. LBM 207. F. Pilidium sp. cual se observaron de un 25% a un 50% de manchas en las LBM 208. hojas de las plantas (Tabla 2).

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Tabla 2: Incidencia y síntomas de las plantas de yerba en presencia de son han sido reportadas como agente causal de manchas los diferentes hongos inoculados. foliares en plantas de frutilla (14), así como también se Cepa Género Repeticiones Incidencia (%) Severidad ha detectado casos de pudrición de la fruta en cultivares LBM183 Colletotrichum sp. 6 66,7 ± 0,52 2 de pera (15) y en otros frutos. Pero no se han encontrado LBM186 Alternaria sp. 6 50 ± 0,55 1 trabajos que asocien este hongo a enfermedades en cultivos LBM189 Phoma sp. 6 66,7 ± 0,52 1

LBM207 Phoma sp. 6 66,7 ± 0,52 2 de Ilex paraguariensis.

LBM208 Pilidium sp. 6 66,7 ± 0,52 2 Por lo expuesto, Alternaria sp. LBM 186 y Pilidium sp. LBM 208 son potenciales patógenos de yerba mate capaces Los resultados de los pesos secos de las plantas de ingresar por la raíz de la planta y afectando sistemá- mostraron que Alternaria sp. LBM 186 fue la única cepa ticamente dicho cultivo produciendo daños con síntomas capaz de disminuir el peso total, de raíz y parte aérea de la visibles. Para corroborar la patogenicidad de estos géneros, planta con diferencias significativas en comparación con se debería realizar pruebas de patogenicidad en plantas de el control (peso total p = 0,0003; peso seco raíz p= 0,0043; yerba mate con inoculaciones del hongo en estudio en el peso seco parte aérea p = 0,013). Phoma sp. LBM 207 órgano vegetal del que fueron aislados. mostró diferencias significativas con el control de menor peso seco total y de raíz. Las demás cepas utilizadas no Conclusiones disminuyeron el peso seco de las plantas en comparación con el control (Figura 10). Phoma sp. LBM 207 y Colletotrichum sp. LBM 183 fueron capaces de producir signos en las hojas de yerba mate, por lo que son potenciales patógenos de hoja de yerba mate. Alternaria sp. LBM 186 y Pilidium sp. LBM 208 son reportados por primera vez como potenciales patógenos de yerba mate. Este trabajo es de gran importancia regional ya que se centra en un problema de gran relevancia que afecta a la producción yerbatera. La infección de yerbales por fitopa- tógenos produce grandes pérdidas en la productividad, por lo que conocer el agente causal y las condiciones en las cuales se produce nos lleva a poder desarrollar herramientas que permitan el manejo y control de estos patógenos. Figura 10: Promedio de peso seco del ensayo de patogenicidad en plantas. Las letras iguales arriba de las barras indican grupos homogé- neos. Referencias: Colletotrichum sp. LBM 183, Alternaria sp. LBM 186, Agradecimientos Phoma sp. LBM 189, Phoma sp. LBM 207 y Pillidium sp. LBM 208. Los autores de este trabajo agradecemos a quienes Estos resultados demostraron la capacidad de Alternaria financiaron esta investigación a través de un proyecto de sp. y Pilidium sp. de afectar el tejido vegetal de las plantas innovación “Universidades Agregando Valor 2017” brin- de yerba inoculadas. No se observaron mayores daños dado por Secretaría de Políticas Universitarias Resolución cuando se inocularon en la hoja de yerba mate, por lo que N°4285-APN-SECPU#ME/17 y el proyecto PICT-START podemos suponer que dichos hongos probablemente sean UP 2017-0007 otorgado por la Agencia Nacional de Pro- endófitos de hojas de yerba mate viviendo saprófitamente. moción Científica y Tecnológica. También agradecemos a Por el momento, no se han encontrado trabajos que la Fundación Alberto Roth por proveer los ejemplares para indiquen a Alternaria sp. y Pillidium sp. como posibles la realización de los ensayos. patógenos de yerba mate, pero sí, se han encontrado investigaciones que reportan a estos géneros como patógenos de Referencias una amplia variedad de cultivos tanto en hoja como en raíz. Especies del género Alternaria han sido reportadas como 1. Gunther, D; Correa, M; Lysiak, E. Estudios socioeconómicos patógenos de una vasta cantidad de cultivos destinados a de la sustentabilidad de los sistemas de producción la alimentación humana, como patógenos de tomate (10), y recursos naturales, Ediciones INTA, Buenos Aires. trigo y sorgo (11), entre otros. Se registró la presencia de pp.117. 2008. ISSN 1851-6955. hongos del género Alternaria en suelos donde se realizan 2. Bergottini, V.M; Otegui, M.B; Sosa, D.A; Zapata, P.D; Mulot, M; Re- monocultivos de yerba mate (12). Se ha reportado la apari- bord, M, Zopfi, J; Wiss, F; Benrey, B.; Junier, P.Bio-inoculation ción de este género como endófitos en un cultivo que se de- of yerba mate seedlings (Ilex paraguariensis St. Hil.) sarrolla bajo las mismas condiciones y con características with native plant growth-promoting rhizobacteria: a fisiológicas muy similares a las de yerba mate, como es el sustainable alternative to improve crop yield, Biology té Camellia sinensis (13). Las especies del género Pilidium and Fertility of Soils. 53 (6): p.749–755. 2015. http://

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RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 José Luis Amador Vilariño et al.: Enfoque energético-económico en la selección de tuberías conductoras 27

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 27–32 Nuevo enfoque para el análisis energético-económico en la selección de las conductoras de impulsión

New focus for the energy-economic analysis in the selection of the pressurized pipes

José Luis Amador Vilariño1, José Bienvenido Martínez Rodríguez2, Oscar Brown Manrique3, *

1- Departamento de Mantenimiento. Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos. Provincia de Camagüey. 2- Centro de Investigaciones Hidráulicas (CIH). Facultad de Ingeniería Civil. Universidad Tecnológica de la Habana “José Antonio Echeverría”. Cujae. 3- Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH). Facultad de Ciencias Técnicas. Universidad de Ciego de Ávila “Máximo Gómez Báez”. *E-mail: [email protected] Recibido el 10 de julio de 2018, Aprobado el 11 de octubre de 2019. Resumen

La investigación se realizó en tres obras hidráulicas: la estación de bombeo de la presa Máximo, la Potabilizadora de Camagüey y la estación de bombeo de la presa Pontezuela. Los resultados obtenidos demostraron que el método propuesto para el diseño de conductoras provocó una disminución de la potencia de las bombas y del costo de operación en 30,2% y 29,2 respectivamente y un tiempo de amortización promedio de 6,51 años. Los valores de velocidades más económicas estuvieron entre 0,52 m s-1 a 0,79 m s-1 con un promedio de 0,655 m s-1. Los diseños hidráulicos de conductoras con reducción del diámetro para alcanzar la presión requerida en la descarga de la bomba; generan pérdidas superiores en casi dos veces la potencia necesaria en los motores de las electrobombas debido a que constituye un caso de estrangulación de la corriente; por lo que en caso de ser necesario esta variante se debe utilizar una válvula para que las pérdidas sean relativamente más bajas.

Palabras clave: Velocidad de diseño; Diámetro económico; Pérdidas de carga; Energía.

Abstract

The research was carried out in three hydraulic projects: the pumping station of Maximum dam, Camagüey Water treatment and the Pontezuela dam. The obtained results demonstrated that the proposed method for pipes design resulted on a power pumps decrease, cost operation reduction to 30,2% and 29,2% respectively and time amortization average within 6,51 year- time. The cheapest speed values were among 0,52 m s-1 to 0,79 m s-1 with an average of 0,66 m s-1. The hydraulic conductor designs with the necessary diameter reduction to reach the required pressure in pump discharge, generate higher losses in almost twice the times the needed power in the electric pump motors because it constitutes a case of strangling of the current. So, if this variant is necessary, a valve should be used in order to relatively reduce the losses.

Keywords: Speed design; Economic diameter; Charge losses; Energy.

Introducción La determinación del diámetro económico ha sido tratada por diferentes autores como [5,6,7,8,9]; pues En el diseño ingenieril, los ingenieros hidráulicos requie- generalmente se utiliza la ecuación de Bresse que no ren frecuentemente realizar cálculos relacionados con la deter- considera los costos de operación, por lo que los diámetros minación del diámetro de las conductoras, donde el diámetro son relativamente elevados y las velocidades del flujo óptimo representa un aspecto que influye significativamente inferiores a 1,0 m s-1; sin embargo, el diámetro económico desde el punto de vista económicos y energéticos. En este tipo debe basarse en los costos de la energía de bombeo y en los de problemas, es recomendable la utilización de software para de amortización de la inversión [10]; de lo contrario, los lograr mayor rapidez y exactitud [1]. Además del diámetro, sistemas hidráulicos dejan de ser eficientes cuando utilizan la selección de los materiales apropiados, la correcta insta- excesivos recursos humanos, materiales y económicos lación y el mantenimiento son elementos esenciales para el [11]. En esto influye también, el envejecimiento de las funcionamiento correcto [2,3]. Todos estos esfuerzos permiten tuberías, las cuales pueden mejorar su funcionamiento con disminuir la intensidad energética a partir del análisis de los la aplicación de nuevos métodos de rediseño acorde con el aspectos relacionados con el agua y energía [4]. desarrollo tecnológico actual [12].

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En Cuba los criterios económicos siguen quedando en norteamericano, USD) para la energía, los precios de un segundo plano en comparación con los técnicos, a la las tuberías, el equipamiento y las materias primas que hora de tomar decisiones relacionadas con las variantes de el país tiene que adquirir en el mercado internacional. proyecto y con la recuperación de las inversiones que se Las variantes consideradas en el análisis general de las realizan [13] y en el diseño de tuberías se establece como conductoras con un caudal de 300 l s-1, longitud de 30 km, requisito que la velocidad de circulación en las tuberías de tiempo de vida útil de 20 años y tiempo de bombeo de 24 h la ruta crítica no sobrepase los 1,5 m s-1 sin que este esté al día durante todos los días del año fueron las siguientes: basado ningún análisis económico realizado en el país [14]. • A: 1x500 mm: Una conductora de 500 mm de diáme- En el diseño de conductoras es necesario realizar la eva- tro, proyectada por el método tradicional. luación del riesgo y formular programas de mejoramiento • B: 1x800 mm: Una conductora de 800 mm de diáme- que formen parte de las estrategias de gestión del riesgo tro, diseñada por el método propuesto. [15]. Todo lo expuesto anteriormente permite considerar • C: 1x900 mm: Una conductora de 900 mm de diáme- como objetivo del trabajo proponer un nuevo enfoque tro, diseñada por el método propuesto. para el análisis energético-económico en la selección de Las variantes para el análisis de las conductoras de la las conductoras de impulsión utilizadas en los sistemas estación de bombeo de la presa Máximo para un caudal hidráulicos. de 550 l s-1, tiempo de vida útil de 20 años y tiempo de bombeo de 24 h al día durante todos los días del año fueron Materiales y Métodos las siguientes: • D: 1x800 mm (P-I): Una conductora de 800 mm La investigación se basó en el diagnóstico hidráulico de diámetro proyectada por el método tradicional y y energético realizado en las tres obras hidráulicas si- construida; tiene una longitud de 17,8 km desde la presa guientes: (a) los proyectos de la estación de bombeo de la Máximo hasta una inyección hecha en una tubería vieja presa Máximo para el abastecimiento de agua a la ciudad de 1000 mm de hormigón pre-tensado. de Camagüey; (b) la operación de la Potabilizadora de • E: 2x800 mm (P-Pot): Dos conductoras de PEAD Camagüey, donde se abren y cierran diariamente válvulas en paralelo de 800 mm de diámetro, diseñada por el de 1000 mm para que las bombas de 250 kW trabajen método propuesto; tiene una longitud de 35,9 km desde en los parámetros de funcionamiento establecidos y (c) la presa Máximo hasta la Potabilizadora pasando por el proyecto de la de la estación de bombeo de la presa la inyección. Pontezuela a partir del uso de electro-bombas con presión • F: 2x900 mm (P-Pot): Dos conductoras de PEAD de trabajo de 90 m. en paralelo de 900 mm de diámetro, diseñada por el Los cálculos hidráulicos se realizaron mediante un método propuesto; tiene una longitud de 35,9 km desde programa desarrollado en esta investigación denominado la presa Máximo hasta la Potabilizadora pasando por “SISTELEC” basado en la metodología propuesta por [16]. la inyección. En el análisis económico se tuvieron en cuenta los • G: 2x1000 mm (P-Pot): Dos conductoras de PEAD aspectos siguientes: en paralelo de 1000 mm de diámetro, diseñada por el • Los precios de piezas, válvulas, bombas, grupos método propuesto; tiene una longitud de 35,9 km desde electrógenos, arrancadores, cables y transformadores la presa Máximo hasta la Potabilizadora pasando por la se obtuvieron de los siguientes documentos: facturas inyección en la conductora de hormigón. de Cuba Hidráulica Provincial y Nacional; catálogos y • H: 2x800 mm (P-I) + 2x900 (P-Pot): Dos conducto- listados de precios del Departamento de Presupuestos; ras en paralelo de 800 mm de diámetro, diseñada para precios de la Organización Básica Eléctrica y los ser construida y resolver el problema existente; tiene ofrecidos por [17] y [18] para el combustible fósil y las una longitud de 17,8 km desde la Presa Máximo hasta fuentes renovables de energías. la inyección en la conductora de hormigón, acoplada • En el costo de la materia prima del PEAD (actualizado a dos conductoras en paralelo de 900 mm de diámetro por Cuba Hidráulica Nacional) se consideró el costo de interior y longitud de 35,9 km desde la presa Máximo electricidad, que es de 698 kW.h t-1 con un 4,5% por el hasta la Potabilizadora pasando por la inyección. en la seguro de flete. conductora de hormigón. • Todos los costos de inversión adquiridos en el exterior, • I: 2x800 mm (P-I) + 1x1000H (I-Pot): Dos conduc- se incrementaron por el interés por créditos; usándose el toras en paralelo de 800 mm de diámetro, diseñada para 8% a pagar en 5 años. ser construida y resolver el problema existente; tiene • El costo de la energía eléctrica en kW.h en las líneas una longitud de 17,8 km desde la presa Máximo hasta de 13,8 y 34,5 kV se tomaron de la Unión Nacional la inyección en la conductora de hormigón, acoplada, Eléctrica con un valor de 0,15 USD. además a la conductora de 1000 mm de diámetro inte- • Los cálculos de costo-beneficio de las estaciones de rior de hormigón existente con una distancia de 18,1 km bombeo se realizaron en una sola moneda (Dólares hasta la Potabilizadora.

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Las variantes evaluadas en el análisis de las conductoras 900 mm por tener las mayores diferencias positivas del de la estación de bombeo de la presa Pontezuela para un costo de la energía de bombeo. En este caso la diferencia caudal de 745 l s-1, longitud de 22 km, tiempo de vida útil de potencias de los motores eléctricos fue de 693 kW. de 20 años y 92 días de bombeo al año fueron las siguientes: En la tabla 2 se presentan los resultados de la selección • J: 1x800 mm: Una conductora de 800 mm de diáme- de variantes económicas para el diseño de la conductora de tro, diseñada por el método propuesto para la estación la estación de bombeo Máximo en función de las variables de bombeo de la presa Pontezuela. explicadas en la tabla1, con la incorporación del tiempo de

• K: 1x1000 mm: Una conductora de 1000 mm de amortización con respecto a la conductora construida (TA) y diámetro, diseñada para ser construida y resolver el la ganancia con respecto a la conductora construida en un

problema existente en la conductora de la estación de período de 20 años (G20años). Se puede observar que, en la bombeo de la presa Pontezuela. variante D, la carga total de la tubería actual instalada con La selección de la variante más económica a partir del diámetro de 800 mm es de 102,2 m; sin embargo, con la análisis por anualidades se realizó por la ecuación propues- adición por parte del proyectista de 44 m adicionales para ta por [19], la cual se escribe como: lograr la supuesta presión necesaria en la tubería de la estación de bombeo cubano-búlgara se llegó al valor de 146 m. Esta

CT = I + CA.n (1) solución no es favorable; porque requiere del estrangulamien- to de las válvulas en la descarga de las bombas para reducir la

GO = CB = CA.n (2) presión de 146 m hasta 102,2 m; lo que implica un gasto de energía innecesaria por no haberse hecho un análisis correcto. Donde: En la propia tabla 2 se comprueba que existen grandes

CT es el costo total; I la inversión; CA el costo anual; diferencias de potencias entre la variante D y el resto de n el periodo de viva útil; GO el gasto de operación; CB el las variantes analizadas. En esta variante la potencia es de costo de bombeo. 1215 kW, lo que representa un consumo de energía supe- El cálculo de las anualidades se realizó con el software rior en el rango de 1,7 a 2,2 veces. La variante E resultó CALCO desarrollado también en esta investigación en ser la más económica dentro de las conductoras diseñadas el cual se incluyen el costo total equivalente y el costo con la metodología propuesta. Esto responde al hecho de anualizado total que se calculan según [19] mediante las que se obtuvo la mayor ganancia y el menor tiempo de ecuaciones siguientes: amortización respecto a la conductora construida. La variante más económica de forma absoluta se en- r(1+r)20n -1 CAT= I + C (3) contró en la variante I consistente en una propuesta para la (1+r)n -1 A reconstrucción adecuada del proyecto ya ejecutado. El uso de dos tuberías de 800 mm en lugar de una permite reducir Donde CAT es el costo anualizado total; r la tasa de significativamente la fricción. Con esta variante se alcanza interés bancaria; n el período de vida útil; I la inversión una diferencia de potencia y de carga total de 549,00 kW y 58,20 m respectivamente. inicial; CA el costo anual.

Resultados y Discusión Tabla 1: Análisis general de conductoras con diferentes diámetros. P ΔCE ΔCE v H PH Variantes ent año 20añso t t (kW) (USD) (USD) (m s-1) (m) (%) En la tabla 1 se presentan los resultados de la selección Diseñada por el método tradicional de variantes económicas, en función de la potencia que en- A: 1x500 mm 847,30 - - 1,86 212,02 706,00 tra por los cables del motor (Pent); la diferencia del costo de Diseñada por el método propuesto la energía del bombeo con respecto a la energía de bombeo B: 1x800 mm 180,18 867342,00 18871270,00 0,68 45,09 150,00 C: 1x900 mm 153,34 902847,00 18984730,00 0,52 37,95 126,50 del método tradicional para el periodo de un año (ΔCEaño); Diferencia 693,96 la diferencia del costo de la energía total con respecto a la calculada por el método tradicional para el periodo de 20 Tabla 2: Diseño de la conductora de la estación de bombeo Máximo. años (ΔCE ); la velocidad del flujo (v); la carga total 20años Pent ΔCEaño TA G20ños v Ht PHt Variantes -1 (kW) (USD) (años) (USD) (m s ) (m) (%) (Ht) y el porcentaje de carga total con respecto a la carga Proyectada por el método tradicional y construida estática de 30 m (PHt). D: 1x800 1215,00 - - - 1,20 146,00 208,00 En la variante A, donde se aplicó el método tradicional mm (P-I) Diseñada por el método propuesto se obtuvo un diámetro real de 455 mm y velocidad de E: 2x800mm 662,30 590362,00 4,49 7381675,00 0,68 86,15 123,00 1,86 m s-1, que está comprendida dentro de las “normales” (P-Pot) F: 2x900mm 606,90 650429,00 13,90 4454024,00 0,60 79,18 113,00 especificada en la norma cubana NC-53-121/84 donde esta (P-Pot) variable puede variar desde 1,2 m s-1 hasta 1,8 m s-1. G: 1x1000mm 698,00 541938,00 6,70 7204393,00 0,85 90,49 129,00 Los mejores resultados se lograron en la variante C (P-Pot) donde se aplicó el método propuesto con un diámetro de Diferencia 552,70

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 30 José Luis Amador Vilariño et al.: Enfoque energético-económico en la selección de tuberías conductoras

P ΔCE T G v H PH Tabla 3: Parámetros del diseño de la conductora de la estación de Variantes ent año A 20ños t t -1 bombeo de la presa Pontezuela. (kW) (USD) (años) (USD) (m s ) (m) (%) Diseñada para ser construida y resolver el problema existente P ΔCE T G v H TB Variantes ent año A 20ños t a (kW) (USD) (años) (USD) (m s-1) (m) (días año-1) H: 2x800mm (P-I) + 2x900mm (I-Pot) Proyectada por el método tradicional y construida 0,64- 636,00 625710,00 3.87 10091762,00 82,40 117,00 J: 1x800 0,51 930,00 - - - 1,80 90,00 92,00 mm I: 2x800 mm (P-I) + 1x1000H (I-Pot Diseñada para ser construida y resolver el problema existente 0,64- 666,00 570003,00 1,15 10755408,00 87,80 K: 1x1000 0,79 511,00 139120,00 1,28 2603000,00 1,07 48,00 92,00 mm Diferencia 549,00 58,20 Diferencia 419,00 42,00

En la figura 1 se muestra la curva de potencia en kW El análisis de este diseño indica que, para el caudal contra caudal en l s-1 de las bombas centrifugas instaladas transportado y la cantidad de días de funcionamiento, el en la estación de bombeo de la presa Máximo, en la que se diámetro económico de la tubería debió ser de 1000 mm y observa que la potencia que se entrega para 115 l s-1 y 146 no de 800 mm, como realmente fue proyectada (variante J), m de carga es de 215 kW en cada una de las cinco bombas lo que incrementa innecesariamente el gasto de operación. de 110 l s-1; sin embargo, en la variante I (2x800 mm + La variante K es la más económica al lograr una diferencia 1x1000H) la potencia de la bomba no es superior a 130 favorable de 419 kW de potencia y 42 m de carga total. kW en cada una de ellas. En la figura 2 se muestran los resultados del cálculo económico para diferentes variantes de diseño a partir del software CALCO, lo que le permite al proyectista seleccionar el mejor resultado teniendo en cuenta los costos de inversión, operación y totales que ofrece este programa con mucha rapidez y confiabilidad. En la figura 3 se presentan los resultados del análisis por anualidades a partir del cual se comprobó que el caso de análisis general de las conductoras, los resultados más económicos se encontraron en la variante C con caudal de 300 l s-1 y diámetro de 900 mm de PEAD. En este cálculo se empleó una tasa baja de interés Figura 1: Curva de potencia - caudal. bancario de 3%, la cual es utilizadas por [19]; debido a que no existe un mecanismo explícito de recuperación de Si se hace una comparación entre las cinco bombas la inversión a través del cobro del agua que entrega la obra que debieron haberse seleccionado con carga de 102 m y y también a que las inversiones que se realizan actualmente caudal de 110 l s-1 respecto a las que se instalaron con carga por el Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos, se ha- de 146 m y caudal de 115 l s-1, se observa que es necesario cen adquiriendo el dinero en el exterior o en una entidad el estrangulamiento para garantizar la protección de los donadora. motores. Esta operación equivale para las cinco bombas estranguladas, utilizar un motor con una potencia superior Conclusiones a 315 kW, acoplado a un reductor que trabaja las 24 horas del día. Como consecuencia de este diseño insatisfactorio, Se demostró que el método propuesto para el diseño de la Empresa de Acueductos de la provincia de Camagüey conductoras logró disminuir la potencia instalada en kW en determinó en marzo del 2009, utilizar la estación de bom- un 30,2% y los costos de operación en un 29,2% para todas beo de Máximo sólo para emergencias. las variantes más económicas, con respecto al diseño con En la tabla 3 se presentan los resultados de la selección el método tradicional; mientras que se logró que el tiempo de variantes económicas para el diseño de la conductora de de amortización promedio fuera de 6,51 años. la estación de bombeo de la presa Pontezuela en función de Se obtuvieron valores de velocidades más económicas las mismas variables consideradas en la tabla 2; pero con la entre 0,52 m s-1 a 0,79 m s-1 con un promedio de 0,655 m s-1. inclusión del tiempo de bombeo anual (TBa) expresado en Los diseños hidráulicos de conductoras al revés consti- días por año. Este caso representa el diseño de estaciones tuye un caso de estrangulación; por lo que de ser necesario de bombeo con sus conductoras donde se hacen adaptacio- su realización, debe hacerse con una válvula para que el nes de tuberías a las bombas, cuando en realidad debe ser valor de las pérdidas sea relativamente bajo. siempre al revés.

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Figura 2: Cálculo económico con el programa CALCO.

Figura 3: Análisis por anualidades con el programa CALCO.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 32 José Luis Amador Vilariño et al.: Enfoque energético-económico en la selección de tuberías conductoras

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RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 José D. Bouchard et al.: Análisis multivariante en propiedades culinarias de arroz lago fino 33

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 33–37 Análisis multivariante aplicado al estudio de las propiedades culinarias de arroz (Oryza sativa L.) en variedades largo fino

Multivariate analysis applied to the study of the culinary properties of rice (Oryza sativa L.) in fine long varieties

José D. Bouchard1, Belén A. Acevedo1, Sergio F. Díaz1, Marcos G. Maiocchi1, *

1- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura. Universidad Nacional del Nordeste. Av. Libertad 5450. *E-mail: [email protected] Recibido el 14 de noviembre de 2018, Aprobado el 15 de octubre de 2019. Resumen

El arroz (Oryza sativa L.) es uno de los cultivos alimenticios más importantes del mundo, la producción en Argentina se concentra en la región Litoral, liderada por la provincia de Corrientes. No existe un único atributo que permita definir universalmente el concepto de calidad culinaria ya que el mismo se identifica con el comportamiento esperado del arroz luego de su cocción. Esta definición general debe ser acotada para cada hábito cultural. En el presente trabajo se compararon cinco atributos de calidad culinaria: tiempo de gelatinización, absorción aparente de agua, relación de expansión, peso de mil granos y temperatura de gelatinización, en nueve variedades de arroz pulido largo fino más comercializadas en la región del Nordeste Argentino (NEA). Mediante el análisis de conglomerados y de componentes principales, se encontró que los atributos escogidos permiten distinguir entre variedades. Se hallaron diferencias estadísticamente significativas para todas las variedades estudiadas contra un valor p<0,05.

Palabras clave: Arroz pulido; Calidad; Cocción; Análisis intervarietal.

Abstract

Rice (Oryza sativa L.) is one of the most important food crops in the world. Its production in Argentina is concentrated in the coastal region, mainly in the province of Corrientes, which takes the lead. Lack of attributes, not only lessens this food product expected behavior after cooking it, but also the wide-world concept around its culinary quality; though this general definition must be limited to each cultural habit. In the present research, five culinary quality attributes, in different variables, such as: gelatinization time, water absorption, expansion ratio, grains weight and gelatinization temperature, were examined. The samples consisted on nine rice varieties, distributed within the most North-Eastern Argentinian commercializing areas. Thanks to the analysis of conglomerates and main components, it was found that the chosen attributes allowed the distinction among several varieties. Statistically significant differences were found under the studied varieties studied against the <0.05 p-value

Keywords: Polished rice; Quality; Cooking; Intervarietal analysis.

Introducción arroz largo fino cuando la relación largo: ancho de los granos es mayor o igual a 3:1 y longitud media mayor El arroz (Oryza sativa L.) es considerado un recurso o igual a 6,5 mm (similares a la variedad Blue Bonnet). básico para más de la mitad de la población mundial [1]. Estas variedades constituyen el 90% de la producción Se cultivan anualmente alrededor de 154 millones de nacional de arroz entre las cuales se distinguen por sus hectáreas ocupando aproximadamente el 11% de las tierras rendimientos: Gurí, IRGA 417, IRGA 424, Puitá, PAC102, cultivables del mundo [2]. En Argentina la producción se PAC 101, PAC 103, Rocío 1 y Tranquilo [5]. concentra en la región Litoral, siendo Corrientes la pro- La calidad del grano de arroz puede evaluarse desde los vincia que más superficie destina a la producción de arroz atributos de calidad de molinería (o industrial) y culinaria (con el 43,5%), seguida por Entre Ríos (31,8%), Santa Fe [6] [7]. La calidad industrial se evalúa usando como pa- (18,7%), Formosa (3,5%) y Chaco (2,5%). En la campaña rámetro el porcentaje de granos enteros respecto al arroz 2016-2017 la producción en Corrientes fue de 590.000 Tn cáscara (paddy). La calidad culinaria se identifica con el en 91.000 has cosechadas [3]. comportamiento esperado del arroz luego de su cocción. El Código Alimentario Argentino [4] clasifica como En efecto, esta definición general debe ser acotada para

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 34 José D. Bouchard et al.: Análisis multivariante en propiedades culinarias de arroz lago fino cada hábito cultural ya que para consumidores orientales cocción): se utilizó el método de Ranghino 14864:2004 deben tener una serie de atributos que en otras latitudes son [18] ISO. En un vaso de precipitados de 250 mL se co- absolutamente indeseables [8]. locaron 100 mL de agua destilada y se llevó a ebullición Entre las propiedades fisicoquímicas relacionadas a (Velp Científica, Are 2, Argentina). Al comenzar el hervor la calidad del grano [9] se incluyen tamaño, forma, peso, se agregaron 5 g de muestra. Transcurridos 12 min se pigmentación, dureza, temperatura de gelatinización, con- retiraron 10 granos de arroz con la ayuda de una cuchara tenido de amilosa, etc. Estos parámetros constituyen una perforada para que escurra el exceso de agua, luego se evaluación indirecta de la calidad culinaria del arroz, ya que presionaron entre dos placas de vidrio, procedimiento que las determinaciones se llevan a cabo sin que las muestras de se repitió a intervalos de 1 min, hasta observar que el 90% arroz se cocinen de la forma usual de consumo [10]. de los granos analizados presentaban el centro traslúcido. El tiempo de gelatinización se define como el tiempo Absorción de agua: se colocaron tubos de ensayo requerido para gelatinizar el 90% de los granos [11]. Esta conteniendo 20 mL de agua destilada en un baño a 100 °C prueba se realiza como estimación de parámetros cinéticos (Tecnodalvo, TDA/I/6, Argentina). Una vez equilibrada la implicados en la cocción, sobre todo la velocidad de difu- temperatura, se agregó a los tubos 2,00 g de arroz, remo- sión de agua y la reactividad de algunos componentes del viendo con ayuda de una varilla de vidrio atemperada y se grano, presentando además correlación con otros índices dejó cocinar sin agitación durante 20 min. El arroz cocido de calidad [12]. resultante fue transferido a un papel de filtro Whatman nº 5 La absorción de agua y pérdida de sólidos junto con el y extendido utilizando una varilla de vidrio, el exceso de volumen de expansión, están ligadas al grado de madurez agua se retiró presionando sobre la muestra suavemente del grano y a las condiciones de secado y de almacena- con otro papel de filtro. Posteriormente los granos se miento [13]. Por otra parte, el volumen de expansión es colocaron en una cápsula de Petri previamente tarada. La una medida de la disminución en la cohesividad (o pega- absorción de agua aparente se calculó por diferencia entre josidad) del arroz [14]. pesadas [5]. Un componente importante del rendimiento en la pro- Volumen de expansión: se llevó a cabo según la ducción de arroz es el peso de mil granos, determinado por metodología propuesta por Desikachar [19]. Se colocaron la longitud, el ancho y el espesor del grano [15]. 20,00 g de arroz elaborado en probetas de 100 mL. Luego La temperatura de gelatinización (TG) se define como se agregó a cada una 50 mL de agua destilada, se tapó con la temperatura a la cual el almidón del endospermo pierde algodón y una cubierta de papel de aluminio. Las probetas de manera irreversible su estructura cristalina, con reduc- así dispuestas se autoclavaron a 100 °C durante 45 min ción de la resistencia mecánica del grano, que constituye (Arcano, LS-B75L, China). Transcurrido este tiempo las una medida de su dureza [16]. Las propiedades físicas del probetas se retiraron del autoclave y se midió el volumen arroz como dureza, absorción de agua, cohesividad, entre alcanzado por el lecho de arroz cocido en cada una. Los otras, asociadas a la cocción, están más estrechamente re- resultados se expresaron como la relación entre el volumen lacionadas con la TG que con el contenido de amilosa [17] final e inicial. El objetivo del presente trabajo ha sido aplicar el análi- Peso de mil granos: se registró el peso de mil granos sis multivariante para diferenciar variedades de arroz largo enteros de arroz [20]. fino cultivadas en el Nordeste Argentino (NEA), a partir Temperatura de gelatinización: se estimó indirec- de los atributos de calidad: tiempo de gelatinización (gel tamente a partir del grado de dispersión alcalina (ASV) time), absorción aparente de agua, volumen de expansión, en base al “alkali test”, método desarrollado por Little y temperatura de gelatinización y peso de mil granos. col. [21], para el cual 10 granos enteros de arroz pulido se distribuyeron uniformemente en una cápsula de Petri Materiales y Métodos agregando luego 10 mL de una solución de KOH (Biopack) 1,7% y se incubó a 30 °C durante 23 h [22]. El grado de Muestras: se trabajó con nueve variedades de arroz dispersión se obtiene comparando cada uno de los granos elaborado (pulido) según la siguiente denominación: Gurí, con una escala de imágenes patrón y calculando el prome- IRGA 417, IRGA 424, Puitá, PAC102, PAC 101, PAC 103, dio ponderado. La correspondencia entre el ASV y la TG Rocío 1 y Tranquilo. Muestras de 5 Kg de cada variedad se evaluó según la tabla1 [7]: fueron proporcionadas por el Laboratorio de Calidad de Semillas y Granos del Instituto Nacional de Tecnología Tabla 1: Correspondencia entre ASV y categorías de TG Agropecuaria (INTA), Estación Experimental Corrientes, Dispersión alcalina (ASV) Temperatura de gelatinización (TG) (°C) de la campaña 2016-2017. Los granos se secaron a 50 °C 1- 3 Alta 74 - 80 (Metalúrgica Reynaldo Ventura, 24/10, Argentina), hasta 4 -5 Intermedia 69 - 73 una humedad de 12% y se almacenaron en recipientes plás- 6 – 7 Baja 63 - 68 ticos herméticos a temperatura ambiente hasta su estudio. Tiempo de gelatinización (cooking time/tiempo de

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 José D. Bouchard et al.: Análisis multivariante en propiedades culinarias de arroz lago fino 35

Análisis estadístico: los ensayos se llevaron a cabo por triplicado. Para el análisis de los datos se realizó una prueba para la normalidad, el análisis de la varianza multivariante (MANOVA), la técnica de conglomerados jerárquicos y por último el análisis de componentes principales; en todos los casos utilizando el Software R (GUI RStudio 1.1.456).

Resultados y Discusión

En la tabla 2 se muestran los resultados de las determinaciones de tiempo de cocción, absorción aparente, Figura 1: Dendrograma conglomerados jerárquicos de las nueve variedades de arroz largo fino estudiadas relación de expansión y dispersión alcalina (temperatura de gelatinización). Continuando con las comparaciones intervarietales se Tabla 2: Tiempo de cocción, absorción aparente, relación de expan- realizó un análisis de componentes principales. Este análi- sión, peso de mil granos, dispersión alcalina y temperatura de gelatini- zación de las variedades de arroz lago fino estudiadas. sis muestra dos componentes que explican el 82.6% de la Tempe- variación, considerada como una proporción significativa Tiempo Absorción Relación de Peso de ratura Dispersión de aparente expansión mil granos de del total, tal como se indica en el Tabla 3. Se seleccionaron Muestra alcalina cocción (g agua/ (V final / enteros gelatini- (ASV) los primeros dos componentes principales debido a que el (min) g arroz) V inicial) (g) zación TG valor propio fue mayor a uno; es de notar sin embargo, que Gurí 17,0 ± 0,5 2,91 ± 0,04 2,82 ± 0,02 17,78 ± 0,16 5,9 ± 0,2 Baja habría que considerar hasta el componente 5 para alcanzar

IRGA 417 16,8 ± 0,5 2,58 ± 0,05 3,05 ± 0,07 17,93 ± 0,20 5,9 ± 0,1 Baja el 100% de la variación.

IRGA 424 17,5 ± 0,6 2,42 ± 0,08 2,93 ± 0,01 17,99 ± 0,09 6,0 ± 0,2 Baja Tabla 3: Valores propios y proporción de la varianza explicada calcula- PAC 101 17,5 ± 0,6 2,34 ± 0,13 2,65 ± 0,10 18,83 ± 0,07 5,8 ±0,2 Baja da a partir de la matriz de correlación para el análisis de componentes principales Inter- PAC 102 18,0 ± 0,0 2,46 ± 0,14 2,91 ± 0,02 19,44 ± 0,01 5,5 ± 0,2 media/ Importancia de los componentes: baja PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PAC 103 18,8 ± 0,5 2,54 ± 0,04 2,81 ± 0,05 19,41 ± 0,15 6,0 ± 0,2 Baja Desviación estandar 1,7123 1,0952 0,7299 0,48195 0,32195

Puitá 16,3 ± 0,5 2,55 ± 0,10 3,09 ± 0,06 16,78 ± 0,08 5,9 ± 0,2 Baja Proporción de 0,5864 0,2399 0,1065 0,04646 0,02073 la varianza Rocío 17,5 ± 0,6 2,70 ± 0,09 2,85 ± 0,07 17,93 ± 0,18 6,0 ± 0,2 Baja Proporción Inter- 0,5864 0,8263 0,9328 0,97927 1,00000 Tranquilo 17,8 ± 0,5 2,20 ± 0,08 2,55 ± 0,04 18,31 ± 0,05 4,6 ± 0,1 acumulada media La prueba para estudiar la normalidad multivariada, En función a lo descrito anteriormente, el primer mediante el Test de Shapiro-Wilk, arrojó un resultado que componente es aquel que posee la mayor varianza y en permite asegurar que esta distribución se aproxima a una consecuencia la mayor capacidad explicadora de los datos distribución normal (W=0,91599; p= 0,1454). en el estudio, la cual es de 58,6% del total. La aplicación del procedimiento MANOVA permite Al revisar la matriz de correlación de las variables origi- asegurar que existen diferencias estadísticamente signifi- nales (Tabla 4) se observa que cuatro variables (tiempo de cativas entre las variedades (Pillai = 2,4263; F = 6,3132; gelatinización, relación de expansión, absorción aparente y p= 2,36 10-13 ***). peso de 1000 granos) tienen un coeficiente de correlación Para iniciar con las comparaciones intervarietales, se alto con el primer componente. En éste, se centra lo que utilizó el dendrograma de conglomerados jerárquicos Figu- podríamos denominar tamaño del grano antes y después ra 1, que muestra la conformación de tres conglomerados. de la cocción, y su tiempo de cocción. Además opone a las Por un lado se presenta solamente la variedad Tranquilo, variedades que conforman el grupo formado por las tres con la mayor distancia euclidiana (4,2). Otro formado por variedades PAC, en el dendrograma de la Figura 1 contra las tres variedades PAC, que son los que presentan menores aquellas variedades del grupo formado por IRGA417, distancias entre ellos (≤ 2,0), por lo tanto es el grupo más IRGA 424, Puitá y Rocío. Con relación al segundo com- similar. Y un tercero agrupa a las dos variedades de IRGA ponente, este explica un 24,0% de la variabilidad total junto a Gurí, Puitá y Rocío. y está relacionado principalmente con la temperatura de gelatinización de las variedades de arroz estudiadas. Estos resultados pueden observarse en el biplot del plano de la Figura 2.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 36 José D. Bouchard et al.: Análisis multivariante en propiedades culinarias de arroz lago fino

Tabla 4: Correlaciones de los componentes principales con las varia- Conclusiones bles originales de las variedades de arroz estudiadas

Variables CP 1 CP 2 Considerando los cinco atributos analizados: tiempo Tiempo de Gelatinización 0,8148087 0,5278006 de gelatinización, absorción aparente de agua, relación de Relación de expansión 0,5278006 0,2482572 expansión, peso de mil granos y temperatura de gelatini- Absorción aparente -0,7609715 0,2924281

Temperatura de gelatinización -0,6540741 0,6815142 zación, como los más significativos en la percepción del

Peso de 1000 granos 0,7902824 0,5531031 consumidor, se ha encontrado que el análisis intervarietal

Correlación cofenética= 0,96 arrojó resultados que permiten la diferenciación de las variedades por sus características. Se observan múltiples coincidencias con datos publicados por otros autores y se ha aportado al conocimiento del comportamiento de variedades no estudiadas en estos aspectos hasta el momento.

Referencias

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nº 1, pp. 9-20, 2006. 19. H. R. S. Desikachar, S. N. Raghavendra Rao y T. K. Ananthachar. 13. I. Keawpeng y K. Venkatachalam. Effect of aging on chan- Effect of degree of milling on water absorption of rice ges in rice physical qualities. International Food Re- during cooking. Journal of Food Science and Techno- search Journal, vol. 22, nº 6, pp. 2180-2187, 2015. logy, vol. 2, pp. 110-112, 1965. 14. M. Altheide, R. Morawicki y H. T.J. Impact of milling and 20. M. Puig. Tesis de grado: Ambiente y Calidad de grano water-to-rice ratio on cooked rice and wastewater pro- en genotipos de arroz (Oryza sativa) tipo comercial perties. Food Science and Technology International, largo ancho. Facultad de Ciencias Agrarias y Foresta- vol. 18, nº 3, p. 291–298, 2012. les. Universidad Nacional de La Plata, La Plata, 2016. 15. T. Liu, M. Rao Kovi y Y. Xing. Mapping and validation of 21. R. Little, G. Hilder y E. Dawson. Differential effect of dilute quantitative trait loci for spikelets per panicle and alkali on 25 varieties of milled white rice. Cereal Che- 1,000-grain weight in rice (Oryza sativa L.). Theore- mistry, vol. 35, 1958. tical and Aplied Genetics, vol. 102, nº 5, pp. 933-942, 22. M. Mariotti, L. Fongaro y F. Catenacci. Alkali spreading value 2009. and image Analysis. Journal of Cereal Science, vol. 1, 16. F. Bhat y C. Riar. Physicochemical, cooking, and textural nº 52, pp. 227-235, 2010. characteristics of grains of different rice (Oryza sativa 23. R. González, A. Livore y B. Pons. Physico-Chemical and L.) cultivars of temperate region of India and their Cooking Characteristics of Some Rice Varieties. Bra- interrelationships. Journal of Texture Studies, vol. 48, zilian Archives of Biology and Technology, vol. 47, nº 2, pp. 160-167, 2017. nº 1, pp. 71-75, 2004. 17. R. Cuevas, V. Daygon, H. Corpuz, N. Leilani, R. Reinke, D. Wa- 24. C. Liberman. Diferenciación de la calidad de variedades ters y M. Fitzgerald. Melting the secrets of gelatinization de arroz. INTA, Concepción del Uruguay, Entre Ríos., temperature in rice. Functional Plant Biology, vol. 37, 2015. p. 439–447, 2010. 18. C. Simonelli, M. Cormegna, L. Galassi y P. Bianchi. Cooking time and gelatinization time of rice Italian varieties. Recibido: 14/11/2018. La Rivista di Scienza dell’Alimentazione, vol. 42, nº Aprobado: 15/10/2019. 2, pp. 37-43, 2013.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 38 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD®

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 38–46 Simulación del proceso de producción del cumeno mediante el simulador ChemCAD®

Simulation of the cumene production process by using ChemCAD® simulator

Amaury Pérez Sánchez1, *, Elizabeth Ranero González1, Eddy. J. Pérez Sánchez2, Norlem Liaño Abascal1

1- Facultad de Ciencias Aplicadas, Universidad de Camagüey “Ignacio Agramonte Loynaz”. Carretera Circunvalación Norte, Km. 5½, e/ Camino Viejo de Nuevitas y Ave. Ignacio Agramonte, Camagüey, Cuba. CP 74650. 2- Dirección Comercial, Empresa Servicios Automotores S.A., Calle C, e/ Abraham Delgado y Marcial Gómez, Ciego de Ávila, Cuba. *E-mail: [email protected] Recibidio el 10 de agosto de 2019, Aprobado el 6 de noviembre de 2019. Resumen

En el presente trabajo se realizó la simulación del proceso de producción del cumeno a partir de la alquilación del benceno con propileno mediante el simulador ChemCAD® versión 5.2.0. Se obtuvieron las curvas de calor de cada uno de los intercambiadores de calor de tubo y coraza utilizados, mientras que se calculó la composición y caudal de cada una de las corrientes involucradas en el proceso. También se efectuó un estudio de sensibilidad con el fin de conocer la influencia de la presión de operación del tanque flash sobre la cantidad de cumeno a obtener por la corriente del fondo de este equipo. Se obtienen 13 403,54 kg/h de cumeno por el tope de la segunda columna de destilación (columna de cumeno), con una pureza del 98,6%, siendo el benceno (1,2%) la principal impureza encontrada en esta corriente. El tanque flash deberá operar a una presión de 7 atm para obtener el mayor rendimiento de cumeno en este equipo.

Palabras clave: Análisis de sensibilidad; ChemCAD®; Cumeno; Rendimiento; Simulación..

Abstract

In the present work, the simulation of the cumene production process was carried out from the benzene alkylation with propylene by using the ChemCAD® simulator version 5.2.0. Heat curves of each shell and tube heat exchanger were obtained. At the same time, the composition and mass flowrate of each stream involved in the process were calculated. A sensitivity study was also carried out in order to know the influence of the flash vessel operating pressure on the amount of cumene to be obtained by the stream at the bottom of this equipment. 13 403.54 kg/h of cumene are obtained at the top stream of the second distillation column (cumene column), with a purity of 98.6%, being benzene (1.2%) the main impurity found in this stream. The flash vessel must operate at a pressure of 7 atm to obtain the best yield of cumene in this equipment.

Keywords: Sensitivity analysis; ChemCAD®; Cumene; Yield; Simulation.

Introducción catalizadores bifuncionales conteniendo un sistema binario de óxido de cobre-cromito de cobre como el componente El cumeno es un compuesto químico importante que hidrogenado, y zeolita BEA, MOR, FAU o MFI como el se utiliza fundamentalmente como intermediario en la componente de alquilación [5], así como también a partir fabricación de fenol, acetona y α-metilestireno [1]. En la de la lignina en un proceso de tres etapas en el cual se actualidad el cumeno es producido mediante la alquilación incluye la pirolisis catalítica de la lignina para obtener una del benceno con propileno utilizando un catalizador ácido mezcla de compuestos aromáticos, seguido de la desalqui- como el cloruro de aluminio, trifluoruro de boro, ácido lación de estos compuestos aromáticos para obtener una fosfórico, fluoruro de hidrógeno o zeolitas [2]. También se mezcla de compuestos aromáticos ricos en benceno, y la ha reportado la utilización de un catalizador de Ni/γ-Al2O3 posterior transformación de estos últimos compuestos en en un reactor de lecho fijo [3] y el empleo de bentonita con cumeno a través de reacciones en fase líquida utilizando pilares de aluminio intercambiada con cationes K+, La3+ catalizadores líquidos iónicos [6]. y Al3+ [4]. El cumeno se puede obtener además a partir El proceso de producción del cumeno a través de la de la hidroalquilación del benceno con acetona utilizando alquilación del benceno con propileno ha sido estudiado

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD® 39 por varios autores. En este sentido, Luyben [7] llevó a cabo del benceno con propileno utilizando el simulador Che- un diseño económicamente óptimo de una planta de pro- mCAD® versión 5.2.0 [20], con el objetivo de conocer la ducción de cumeno considerando costos capitales, costos composición másica de cada una de las corrientes involu- de la energía y costos de las materias primas, para desarro- cradas en el proceso productivo, los principales parámetros llar una estructura de control a escala de planta industrial de diseño de los equipos utilizados y el caudal requerido capaz de manejar, de forma efectiva, posibles alteraciones de los diferentes servicios auxiliares consumidos (vapor en la tasa de producción. En otro estudio, Norouzi y col. de agua, agua de enfriamiento, etc.) También se efectúa un [8] demostraron la validez de la aplicación del Método de estudio de sensibilidad para determinar la influencia de la Superficie de Respuesta para efectuar la optimización de presión de operación del tanque flash sobre la cantidad de las condiciones operacionales del proceso de producción cumeno a obtener por la corriente del fondo de este equipo. del cumeno a escala industrial, asi como también efectua- ron la introducción de un procedimiento por pasos para Materiales y Métodos encontrar las mejores condiciones de operación con mayor atracción desde el punto de vista económico. También Gera Propiedades físicas del cumeno y col. [9] aplicaron el procedimiento de diseño de control a escala de planta planteado por Skogestad [10] al proceso El cumeno [iso-propilbenceno; 2-fenilpropano; (1-me- de producción del cumeno, utilizando un análisis en estado tiletil)benceno] presenta las propiedades físico-químicas estacionario “fluctuante” para seleccionar las variables que se muestran en la Tabla 1 [21]: controladas primarias “auto-optimizadas” las cuales, al mantenerse constantes, conducen a pérdidas económicas Tabla 1: Propiedades físico-químicas más importantes del cumeno aceptables sin necesidad de re-optimizar el proceso cuando Propiedad Valor Fórmula molecular C H , C H CH(CH ) ocurran alteraciones. Por último, Mahapatra [2] simuló el 9 12 6 5 3 2 proceso de producción del cumeno mediante el simulador Peso molecular 120,191 Aspen Plus®, obteniendo los resultados de balance de masa Punto de fusión - 96,02° C y energía de cada una de las corriente que intervienen en Punto de ebullición 152,41° C el proceso. Densidad a 20° C 0,8618 g/cm3 La simulación de procesos asistida por computadora se Volumen molar a 20° C 139,5 ha convertido en una herramienta estándar para planificar, Entalpía de vaporización 37,53 kJ/mol optimizar, diseñar y evaluar procesos químicos. Involucra Entalpía de fusión 7,32 kJ/mol usualmente la preparación de un diagrama de flujo de Solubilidad en agua (15 – 80° C) 56 g/m3 proceso, la solución de los balances de masa y energía basados en la estimación de parámetros suministrados Descripción del proceso de producción por el usuario, la estimación del costo total y el análisis de sensibilidad ante cambios en las suposiciones iniciales La Figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso realizadas. La simulación de procesos proporciona un de producción del cumeN° El benceno es alimentado al enlace entre el descubrimiento de un compuesto químico proceso con un caudal másico de 10 545,39 kg/h, y a 25º C de novedoso y las etapas iniciales del desarrollo de procesos, temperatura y 1,3 atm de presión. A continuación es envia- guiando esfuerzos para optimizar el proceso de fabrica- do hacia un tanque de mezclado, en donde se mezcla con ción de forma expedita. Resulta particularmente efectivo una corriente de reciclo (39,6° C, 1,28 atm) proveniente cuando se emplea en las etapas tempranas del desarrollo del tope de la primera columna de destilación (columna del proceso [11]. de benceno), la cual contiene fundamentalmente benceno, Los simuladores de procesos ofrecen la oportunidad de con trazas de cumeno, propileno y propaN° El benceno reducir el tiempo requerido para el desarrollo del sistema reciclado incrementa la relación benceno/propileno en o proceso bajo estudio. Permiten comparar alternativas el reactor y consecuentemente minimiza la producción de proceso sobre una base consistente para que puedan de di-isopropilbenceno (DIPB). A continuación, a la sintetizarse y analizarse un gran número de ideas de forma mezcla obtenida a la salida del tanque de mezclado se interactiva en un corto período de tiempo [12]. Entre los le incrementa la presión hasta alcanzar las 31 atm, y es simuladores más utilizados en la actualidad se encuentra el mezclada con una corriente de propileno (6 749,08 kg/h), ChemCAD®, el cual ha sido empleado para simular dife- la cual se encuentra a 27° C y 31 atm, y contiene trazas rentes procesos productivos, entre los cuales se encuentran de propano (5,0% m/m). En este proceso se emplea una la fabricación de acetaldehído [13]; biodiesel [14]; ácido relación másica benceno/propileno de 2:1. La mezcla monocloroacético [15]; epiclorohidrina [16]; deshidrata- resultante obtenida es precalentada en un intercambiador ción del propanol [17]; estireno [18] y ácido acrílico [19]. de tubo y coraza, hasta alcanzar una temperatura de 232° En el presente trabajo se lleva a cabo la simulación del C, para luego ser enviada hacia un calentador quemador, proceso de producción de cumeno a partir de la alquilación en donde se le incrementa la temperatura hasta alcanzar

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 40 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD® los 350° C. La mezcla gaseosa calentada es enviada luego Donde la E está en kcal/mol; la concentración en mol/L, hacia el reactor, del tipo tubo y coraza y contiene ácido temperatura en Kelvin y la velocidad de reacción (r) en fosfórico como catalizador ácido soportado en diatomita. mol/(g cat.s) En este equipo ocurren las reacciones exotérmicas de trans- Según se puede observar en la Tabla 2, la energía de ac- formación de los reactantes en productos, requiriéndose tivación de la reacción del cumeno (ecuación 1) es menor el uso de un agente de transferencia de calor (Dowtherm) que la de formación del DIPB (ecuación 2). Por tanto, a para mantener la temperatura de reacción en el intervalo menor temperatura del reactor mayor será la selectividad deseado (350° C). Durante la reacción se obtiene una conde la reacción del cumeno sobre la reacción del DIPB. versión del propileno del 99% y una selectividad molar de Pero la menor temperatura de reacción traerá consigo cumeno/DIPB de 31:1. A la mezcla gaseosa reaccionante una menor conversión por parte de la reacción. Por tanto proveniente del reactor se le reduce la presión hasta los deberá existir un compromiso entre la conversión por pase 2,2 atm, y seguidamente es enfriada en un intercambiador y la selectividad, por lo que se selecciona una temperatura de tubo y coraza hasta los 65° C, obteniéndose una mezcla de reacción de 350° C [22]. bifásica vapor/líquido a la salida. El enfriador utiliza agua de enfriamiento como agente de intercambio de calor. Esta mezcla bifásica es enviada posteriormente hacia un tanque flash, donde se separan los gases de la porción líquida. Los gases separados en este recipiente, ricos en propileno y propano, son venteados a la atmósfera, aunque se recomienda utilizarlos como combustible para incrementar el valor añadido de los subproductos que se obtienen en el proceso de producción. La corriente líquida es enviada hacia la primera columna de destilación (columna de benceno), donde el benceno y otros componentes ligeros tales como el propileno y el propano remanentes son separados del cumeno y el DIPB. La corriente del tope (101,7° C), Figura 1: Diagrama de flujo del proceso de producción de cumeno a rica en benceno es enfriada hasta 40° C por medio de un partir de la alquilación del benceno con propileN° intercambiador de calor de tubo y coraza, y recirculada al proceso, mientras que la corriente del fondo (188,3° C) es Propiedades el catalizador enviada hacia la segunda columna de destilación (columna de cumeno), en la cual se lleva a cabo la purificación del Según se describió con anterioridad, el catalizador cumeno, esto es, su separación del DIPB. En esta columna empleado será ácido fosfórico soportado sobre diatomita, se obtiene cumeno por el tope (177,6° C) con una pureza el cual presenta las siguientes propiedades [22] (Tabla 3): del 99,9%, mientas que el DIPB es obtenido por el fondo (283,7° C) y puede ser comercializado como combustible. Tabla 3: Propiedades del catalizador empleado Debido a que las temperaturas de ebullición del propileno, Propiedad Valor Diámetro de partícula (d ) 3 mm benceno, cumeno y DIPB varían considerablemente entre p Densidad de partícula (ρ ) 1 600 kg/m3 sí, las separaciones de los componentes en las columnas de cat destilación se llevan a cabo fácil y eficientemente. Fracción hueca (ε) 0,50

Reacciones que ocurren en el reactor Características del simulador ChemCAD®

La Tabla 2 muestra las reacciones que ocurren en el El simulador ChemCAD® es una herramienta poderosa reactor, asi como también su cinética de reacción [8], y efectiva que presenta una interfaz gráfica de fácil manejo, las cuales tienen lugar sobre un lecho fijo de gránulos de mediante la cual se puede llevar a cabo la simulación de catalizador a una temperatura de 350° C y presiones que diferentes procesos e industrias tales como la farmacéutica, oscilan entre 25 – 32 atm en fase de vapor. petroquímica, producción de compuestos químicos y bio- combustibles, procesamiento de gases, entre otras. Posee Tabla 2: Cinética de reacción en el reactor una base datos de más de 2000 compuestos químicos entre sólidos, líquidos, gases y electrolitos, así como también varios modelos termodinámicos, tipos de equipamiento y unidades de ingeniería, lo cual permite la simulación tanto de sistemas en estado estacionario como dinámico. Puede ser empleada por los ingenieros para diseñar, controlar y optimizar nuevos procesos y/o plantas químicas, realizar

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD® 41 estudios de sensibilidad, ejecutar balances de masa y ener- sobre la cantidad a obtener de cumeno por la corriente del gía, efectuar cálculos económicos, asi como también llevar fondo de este equipo, haciendo uso de la opción “Sensiti- a cabo estudios de escalado, con el objetivo de resolver vity Study” contenida en el simulador ChemCAD®. Para problemas usualmente encontrados en las industrias, para ello se varió la conversión fraccional entre 1 - 10 atm, así incrementar su productividad y el rendimiento. manteniendo constante la temperatura de operación de este equipo en 65° C. Modelo termodinámico empleado Resultados y Discusión De acuerdo con los límites de temperaturas y presiones establecidas por el proceso, así como también debido a las Diagrama de flujo del proceso de producción simulado propiedades físico-químicas de las compuestos químicos en el ChemCAD® manejados, se escoge un modelo termodinámico del tipo La Figura 2 muestra el diagrama de flujo obtenido Peng-Soave-Redlich-Kwong (PSRK) con asociación en una vez simulado el proceso productivo en el simulador fase de vapor, el cual se encuentra contenido en la base de ChemCAD®. datos de modelos termodinámicos del simulador Chem- CAD®. Vale destacar que el propio simulador ChemCAD® Resultados de las corrientes de proceso propuso el empleo del modelo termodinámico PSRK considerando las características del proceso productivo, La Tabla 4 muestra los caudales másicos de cada una mediante el uso de la opción “K-Value Wizard”. de las corrientes de entrada, intermedias y finales involucradas en el proceso, así como también sus temperaturas, Estudio de sensibilidad presiones y fracción de vapor.

Se efectuó un estudio de sensibilidad para determinar la influencia de la presión de operación del tanque flash

Figura 2: Diagrama de flujo del proceso de producción de cumeno una vez simulado en el simulador ChemCAD®

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 42 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD®

Tabla 4: Resultados obtenidos para las principales corrientes de proceso

Variable Número de la corriente (referirse a la Fig. 2) 1 17 22 4 3

Temperatura (ºC) 25,00 35,11 40,00 25,00 33,55

Presión (atm) 1.3 1,28 1.9 1.3 31

Fracción de vapor 0 0 0 0 0

Compuesto Caudal [kg/h]

Propileno - 412,38 412,38 6411,63 412,38

Benceno 10545,39 30 296,60 19 751,21 - 30 296,60

Cumeno - 135,66 135,66 - 135,66

Propano - 434,39 434,39 337,45 434,39

DIPB - 8,10x10-7 8,10x10-7 - -

Total 10545,39 31279,03 20733,64 6749,08 31279,03

Número de la corriente (referirse a la Fig. 2) Variable 5 2 6 9 10

Temperatura (ºC) 74,25 67,65 232 350 350

Presión (atm) 31 31 30 29 28

Fracción de vapor 1 0 1 1 1

Compuesto

Propileno 6411,63 6 824,00 6 824,00 6 824,00 750,63

Benceno - 30 296,6 30 296,6 30 296,6 20 274,19

Cumeno - 135,66 135,66 135,66 13 584,27

Propano 337,45 771,85 771,85 771,85 771,58

DIPB - 8,10x10-7 8,10x10-7 8,10x10-7 2 631,40

Total 6749,08 38028,11 38028,11 38028,11 38012,07

Número de la corriente (referirse a la Fig. 2) Variable 16 13 14 15 18

Temperatura (ºC) 331,37 65 65 65 102,7

Presión (atm) 2,2 2 1,97 1,97 2

Fracción de vapor 1 0,046 1 0 1

Compuesto

Propileno 750,63 750,63 338,25 412,38 412,38

Benceno 20 274,19 20 274,19 323,46 19 950,72 19 751,21

Cumeno 13 584,27 13 584,27 18,43 13 565,83 135,66

Propano 771,58 771,58 337,19 434,39 434,39

DIPB 2 631,40 2 631,40 0,0267 2 631,37 8,10x10-7

Total 38012.07 38012.07 1017,36 36994,69 20733,64

Número de la corriente (referirse a la Fig. 2) Variable 19 20 21

Temperatura (ºC) 188,70 177,63 283,76

Presión (atm) 2,2 1,97 2,17

Fracción de vapor 0 0 1,53x10-6

Compuesto

Propileno - - -

Benceno 199,51 165,17 34,34

Cumeno 13 430,18 13 403,54 26,64

Propano - - -

DIPB 2631,37 26,53 2 604,84

Total 16261,06 13595,24 2665,82

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD® 43

Como bien se puede percibir en la Tabla 4, la corriente de salida del reactor (equipo N°10 en la Fig. 2) contiene mayormente benceno (53,3%) y cumeno (35,7%). La relación cumeno/DIPB en esta corriente es de 5:1 aproximadamente, mientras que el 89,0% del propileno que entró al reactor se convirtió en cumeN° A continuación, en el tanque flash (N° 8), la corriente del tope de este equipo contiene fundamentalmente propileno (33,2%), benceno (31,7%) y propano (33,1%); mientras que la corriente del fondo trae consigo fundamentalmente benceno (53,9%) y cumeno (36,7%), con pequeñas cantidades de DIPB b) (7,1%), propano (1,2%) y propileno (1,1%). En la columna de benceno (N° 10) se obtiene por el tope una corriente compuesta mayormente por benceno (95,3%), la cual es recirculada de vuelta al proceso. La corriente del fondo de este equipo, por su parte, contiene esencialmente cumeno (82,6%) y DIPB (16,2%). Por último, la corriente del tope de la columna de cumeno (N° 12) incluye mayormente cumeno (13 403,54 kg/h) con una pureza del 98,6%, con trazas de benceno (1,2%) y DIPB (0,2%), la cual puede considerarse de aceptable considerando que este es el producto final deseado por el proceso, mientras que la c) corriente del fondo de esta columna contiene principalmente DIPB con un 99,7% de pureza. De forma general, la cantidad total de cumeno que se pierde por las corrientes del tope del tanque flash y la del fondo de la columna de cumeno (sin incluir el reciclo) es baja, alcanzando un valor de 45,07 kg/h, incrementando de esta manera el rendimien- to global del proceso.

Equipamiento

Intercambiadores de calor d) Figura 3: Resultados obtenidos para los intercambiadores de calor. a) La Figura 3 muestra el calor intercambiado (Q), la Calor intercambiado. b) MLDT. c) Área de transferencia de calor requerida. d) Caudal de servicio auxiliar. Media Logarítmica de la Diferencia de Temperatura (MLDT) calculada, el área total de transferencia de calor De acuerdo con los resultados mostrados en la Figura 3, (A) y el caudal másico de servicio auxiliar demandado para el segundo intercambiador de calor (equipo N° 7 en la Fig. cada uno de los intercambiadores de calor utilizados en el 2) es el que más calor intercambia (61 810 MJ/h), lo cual se proceso. debe fundamentalmente a que en este equipo es donde se le reduce la temperatura de la mezcla gaseosa reaccionante de salida del reactor desde 331° C hasta 65° C, es decir, presenta un ΔT elevado (266° C), lo cual influye además en que sea el equipo que mayor MLDT posee (146,76° C), el de mayor área de transferencia de calor requerida (117 m2), y el que mayor caudal de servicio auxiliar necesita, con 155 947,9 kg/h de agua de enfriamiento.

Curvas de calor

La Figura 4 muestra las curvas de calor obtenidas para a) cada uno de los intercambiadores de calor de tubo y coraza empleados en el proceso.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 44 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD®

c) Figura 4: Curvas de calor de cada intercambiador de calor de tubo y coraza utilizado en el proceso

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD® 45

Según los resultados descritos en la Figura 4, la curva de Tabla 5: Parámetros de diseño calculados por el simulador ChemCAD para ambas columnas de destilación. calor obtenida para el intercambiador de calor N° 1 (equipo Parámetro Valor número 1 en la Figura 2) presenta un comportamiento lineal Columna de benceno creciente hasta un 36% aproximadamente de la posición del Carga de calor condensador (MJ/h) -10678,8 intercambiador de calor, en donde tiene lugar un punto de Carga de calor rehervidor (MJ/h) 24330,6 inflexión a una temperatura de 162° C, lo cual representa la Etapas mínimas 17 ocurrencia de un cambio de fase (vaporización) de la mezcla Etapa de alimentación 6 líquida. A partir de ese punto, la curva de calor muestra un Relación de reflujo, mínima 0,254 comportamiento lineal creciente también hasta alcanzar la Relación de reflujo 1,25 temperatura final deseada (232° C). Columna de cumeno Por su parte, la curva de calor obtenida para el inter- Carga de calor condensador (MJ/h) -9498,61 cambiador de calor N° 2 (equipo número 7) presenta una Carga de calor rehervidor (MJ/h) 9938,67 tendencia lineal decreciente hasta alcanzar el 40% de la longitud del intercambiador, en cuya posición manifiesta Etapas mínimas 15 un punto de inflexión que significa que existe un cambio Etapa de alimentación 5 de fase (condensación) de la mezcla gaseosa de salida del Relación de reflujo, mínima 0,139 reactor, a una temperatura de 140° C aproximadamente. Relación de reflujo 1,30 Por último, la curva de calor obtenida para el tercer intercambiador de calor (equipo N° 13) muestra una tendencia Tomando en cuenta los resultados mostrados en la lineal decreciente hasta llegar al 40% de la longitud del Tabla 5, la columna de benceno deberá poseer un número intercambiador (temperatura de 96° C), en donde acontece total de platos o etapas mínimas de 17, siendo la etapa de un punto de inflexión que significa la ocurrencia de un cam- alimentación la número seis. Por su parte, la columna de bio de fase (condensación) de la mezcla gaseosa de salida cumeno deberá poseer 15 etapas como mínimo, siendo la del tope de la columna de benceN° A partir de este punto cinco la etapa o plato de alimentación. la curva muestra una tendencia curvada decreciente hasta llegar a la temperatura de enfriamiento deseada (40° C). Resultados del estudio de sensibilidad

Columnas de destilación La Figura 5 describe los resultados del estudio de sensibilidad efectuado. La Tabla 5 expone los parámetros de diseño de ambas Según se puede observar en la Figura 5, la cantidad columnas de destilación calculados por el simulador de cumeno a obtener por la corriente de fondo del tanque ChemCAD®. flash se incrementa de forma constante hasta los 6,4 atm aproximadamente, para luego presentar un comportamiento estacionario a partir de este valor de presión. Debido a esto se aconseja operar el tanque flash a una presión de 7 atm para obtener el rendimiento máximo posible de cumeN°

Figura 5: Resultados del estudio de sensibilidad efectuado

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 46 Amaury Pérez Sánchez et al.: Simulación proceso producción cumeno simulador ChemCAD®

Conclusiones Aided Process Engineering – ESCAPE 21. 2011. 10. Skogestad, S. Control structure design for complete che- El empleo del simulador ChemCAD® permitió llevar a mical plants. Comp. Chem. Engg., 28: p. 219–234. cabo la simulación exitosa del proceso de producción de 2004. cumeno a partir de la alquilación del benceno con propileN° 11. Ernst, S.; Garro, O. A.; Winkler, S.; Venkataraman, G.; Langer, R.; Se obtiene cumeno por la corriente del tope de la Cooney, C. L. y Sasisekharan, R. Process Simulation for Re- columna de destilación N° 2 (columna de cumeno) con un combinant Protein Production: Cost Estimation and caudal de 13 403,54 kg/h y una pureza del 98,6%, lo cual Sensitivity Analysis for Heparinase I Expressed in puede considerarse de aceptable. Escherichia coli. Biotechnology and Bioengineering, Las curvas de calor obtenidas de cada intercambiador de 53(6): p. 575-582. 1997. calor permiten conocer y analizar el perfil de temperatura 12. Auli, N. A.; Sakinah, M.; Bakri, A. M. M. A.; Kamarudin, H. y Nora- seguido por cada corriente en dependencia de la longitud zian, M. N. Simulation Of Xylitol Production: A Review. del equipo. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 7(5): El intercambiador de calor N° 2 presenta la mayor p. 366-372. 2013. carga calórica (61 810 MJ/h), el mayor valor de MLDT 13. Eliasson, J. Design of an Plant for Manufacturing of (146,76° C), la mayor área de transferencia de calor requeri- Acetaldehyde. Lund, Sweden: Department of Chemical da (117 m2) y el mayor caudal de servicio auxiliar necesario Engineering, Lund University. P. 12-37. 2010. (155 947,9 kg/h de agua de enfriamiento), lo cual se debe a 14. Chilev, C. y Simeonov, E. Simulation of Biodiesel Produc- que es el intercambiador que mayor ΔT presenta (266° C). tion by Transesterification of Vegetable Oils. Journal of Se recomienda operar el tanque flash a una presión de Chemical Technology and Metallurgy, 49(5): p. 479- 7 atm para maximizar la cantidad de cumeno a obtener por 486. 2014. la corriente del fondo de este equipo. 15. Greeshma, N.; Shah, B. H. y Patel, N. M. Simulation Study of Reactive Distillation for Monochloroacetic Acid using Referencias CHEMCAD. International Journal of Futuristic Trends in Engineering and Technology, 1(2): p. 1-11. 2014. 1. Speight, J. Chemical and process design handbook. Mc- 16. Almena, A. y Martín, M. Technoeconomic Analysis of the Graw-Hill, New York, p. 2.183 – 2.184. 2002. Production of Epichlorohydrin from Glycerol. In- 2. Mahapatra, N. Design and simulation of cumene plant dustrial & Engineering Chemistry Research, 55: p. using Aspen Plus. (Bachelor of Technology in Che- 3226−3238. 2016. mical Engineering), National Institute of Technology 17. Wyczesany, A. Simulation of N-Propanol Dehydration Rourkela, India. 2010. Process via Heterogeneous Azeotropic Distillation 3. Panming, J.; Qiuying, W.; Chao, Z., y Yanhe, X. Alkylation of ben- Using the NRTL Equation. Chemical and Process En- zene with propene to produce cumene over a nickel/y- gineering, 38(1): p. 163-175. 2017. alumina catalyst. Applied Catalysis A: General, 91: p. 18. Pérez, A.; Pérez, E. J. y Segura, R. M. Simulation of the styre- 125-129. 1992. ne production process via catalytic dehydrogenation 4. Geatti, A.; Lenarda, M.; Storaro, L.; Ganzerla, R. y Perissinotto, M. of ethylbenzene using CHEMCAD® process simulator. Solid acid catalysts from clays: Cumene synthesis by Tecnura, 21(53): 15-31. 2017. benzene alkylation with propene catalyzed by cation 19. Pérez, A.; Pérez, E. J. y Segura, R. M. Simulation of the acrylic exchanged aluminum pillared clays. Journal of Mole- acid production process through catalytic oxidation of cular Catalysis A: Chemical, 121: p. 111–118. 1997. gaseous propylene using ChemCAD® simulator. Inge- 5. Shutkina, O. V.; Ponomareva, O. A. y Ivanova, I. I. Catalytic niare. Revista chilena de ingeniería, 27(1): p. 142-150. Synthesis of Cumene from Benzene and Acetone. Pe- 2019. troleum Chemistry, 53(1): p. 20–26. 2013. 20. Chemstations. (2002). ChemCAD® (Version 5.2.0). We- 6. Jin, F.; Fan, M.-h.; Jia, Q.-f. y Li, Q.-x. Synthesis of Cumene from sel, Germany. Lignin by Catalytic Transformation. Chinese Journal of 21. Mackay, D.; Shiu, W. Y.; Ma, K.-C. y Lee, S. C. Handbook of Chemical Physics, 30(3): p. 348-356. 2017. physical-chemical properties and environmental fate 7. Luyben, W. L. Design and Control of the Cumene Process. for organic chemicals (2nd ed. Vol. I. Introduction and Ind. Eng. Chem. Res., 49: p. 719–734. 2010. Hydrocarbons). CRC Press, Boca Raton. p 500–505. 2006. 8. Norouzi, H. R., y Fatemi, S. Economic Optimization of the 22. WVU. Design of a New, 100,000 Metric Ton Per Year, Cumene Production Process Using Response Surface Cumene Production Facility West Virginia University: Methodology. Chem. Eng. Comm., 199: p. 1375–1393. West Virginia, USA. 2012. 2012. 9. Gera, V.; Kaistha, N.; Panahi, M. y Skogestad, S. Plantwide Control of a Cumene Manufacture Process. Paper presented at the 21st European Symposium on Computer

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Flávia F. Wândega et al.: Biorrefinería para producir bioplástico y proteína 47

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 47–57 Biorefinería para producir bioplástico y proteína a partir de suero de leche utilizando el simulador ASPEN

Biorefinery to produce bioplastic and protein from whey using the ASPEN simulator Biorefinaria para produzir bioplástico e proteína dosoro do leite usando o simulador ASPEN

Flávia F. Wândega1, *, Eduardo R. Braga¹, Sérgio Roberto G. S. Filho², Fernanda F. Wândega ³, Luiz Antônio M. Pontes¹, Regina F. Vianna¹

1- Universidade Federal da Bahia (UFBA), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química (PPEQ). Bahia, Brazil. 2- Universidade Federal da Bahia (UFBA), Graduação em Engenharia Química. Bahia, Brazil. 3- Universidade Federal da Bahia (UFBA), Graduação em Engenharia Civil. Bahia, Brazil. * E-mail: [email protected] Recibido el 23 de diciembre de 2018, Aprobado el 9 de noviembre de 2019. Resumen

El objetivo del trabajo fue evaluar la viabilidad técnica y económica de instalar una biorefinería integrada a una industria láctea para usar los efluentes de suero de leche y producir bioplástico polihidroxibutirato (PHB) y proteína. Basado en la literatura científica, se establecieron las operaciones unitarias del proceso de producción de PHB y proteína con el Simulador Aspen Plus versión 8.8. Se usaron cepas recombinantes de Escherichia coli para la biosíntesis metabólica de PHB con solvente de carbonato de propileno y ultrafiltración para extraer la proteína. Desde el punto de vista técnico y económico, la instalación de una biorefinería integrada a una industria láctea que procesa como mínimo 250000 L de leche por día fue viable.

Palabras clave: Biorefinería; Bioplástico; Proteína; Suero de leche; Simulador Aspen.

Abstract

The aim of this work was to evaluate the technical and economic feasibility of installing a biorefinery, capable of being integrated into the dairy industry to use whey effluents and to produce bioplastic polyhydroxybutyrate (PHB) and protein. Based on scientific literature, the unit operations of the PHB and protein production processes were established through the Aspen Plus Simulator, 8.8 version. Escherichia coli recombinant strains were used for the metabolic biosynthesis of PHB with propylene carbonate solvent while ultrafiltration was used to extract the protein. The installation of a biorefinery, integrated to a dairy industry that processes at least 250000 L of milk per day was viable from both a technical and an economic viewpoint.

Keywords: Biorefinery; Bioplastic; Protein; Whey of milk; Aspen Simulator.

Resumo

O objetivo do trabalho foi avaliar a viabilidade técnica e econômica da instalação de uma biorrefinaria integrada à indústria de laticínios para o uso de efluentes de soro de leite e produção do bioplásticopolihidroxibutirato (PHB) e proteína. Com base na literatura científica, as operações unitárias do processo de produção de PHB e proteína foram estabelecidas com o Simulador Aspen Plus versão 8.8. Cepas recombinantes de Escherichia coli foram utilizadas para a biossíntese metabólica de PHB com o solvente carbonato de propileno e ultrafiltração para extrair a proteína. Do ponto de vista técnico e econômico, a instalação de uma biorrefinaria integrada a uma indústria de laticínios que processa pelo menos 250.000 L de leite por dia é viável.

Keywords: Biorrefinaria; Bioplástico; Proteína; Soro de Leite; Simulador Aspen.

Introdução mais renováveis, sustentáveis e que gerem menor impacto ao ambiente. Então, a partir dessa conscientização, vários Atualmente, sabe-se que é de extrema importância a países têm se atentado para o conceito de biorrefinaria, o substituição da atual matriz energética para alternativas qual é semelhante ao de uma refinaria de petróleo conven-

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 48 Flávia F. Wândega et al.: Biorrefinería para producir bioplástico y proteína cional, porém o principal insumo do refino é a biomassa leite, melaço, cana-de-açúcar,etc.), a qual ocorre no interior [1]. O Brasil possui uma grande biodiversidade, o que o de um micro-organismo e em um meio com limitação de torna um potencial país para a implantação de biorrefi- certos nutrientes, como oxigênio, nitrogênio, fósforo e narias. Entretanto, a biodiversidade e disponibilidade de magnésio, entre outros. Dentre esses micro-organismos, matéria-prima não são os únicos fatores que influenciam a pode ser visto, na literatura, que Cepas recombinantes da análise de um negócio, sendo, então, necessário um estudo bactéria Escherichia coli produziram,de forma efetiva, de viabilidade técnica e econômica para resultados mais o poliéster PHB e, assim, dados de alta concentração e conclusivos. O presente trabalho tem como propósito produtividade referentes a esse processo foram obtidos [9]. fazer os estudos mencionados anteriormente visando à A PHB Industrial S.A, localizada na Usina da Pedra, implantação de uma biorrefinaria no Brasil e, dessa forma, no município de Serrana, pertencente ao estado de São expondo a devida metodologia para o desenvolvimento do Paulo, é a única empresa produtora de PHB no Brasil. O projeto. PHB produzido recebe o nome comercial de Biocycle e é A biomassa lignocelulósica brasileira apresenta um obtido a partir da fermentação da cana-de-açúcar, realizada grande potencial para ser aplicada em biorrefinarias. por micro-organismos [10]. A produção em escala piloto Entretanto, esse tipo de biomassa está sujeita à influência desse polímero teve início no ano de 1995, sendo que a da sazonalidade na produção [2]. Desta forma, os resíduos capacidade de produção dessa planta era, inicialmente, provindos das fontes pecuárias merecem uma maior da ordem de 5 ton/ano. Entretanto, em 1997, foi feita atenção, principalmente o leite, já que o efluente de sua uma avaliação técnica e econômica com base nos dados produção pode ser utilizado para a produção de biopolíme- retirados da planta piloto e, assim, ocorreram alterações no ros. Da literatura, por exemplo, tem-se a informação que, processo e no dimensionamento dos equipamentos. Dessa para cada 1 kg de queijo produzido, gera-se 9 kg de soro forma, diante do exposto nas linhas anteriores, no ano de de leite [3]. Com relação à produção brasileira de queijo, 2000, a planta conseguiu aumentar sua produção para 50 esta atingiu cerca de 3,4 milhões de toneladas no ano de ton/ano. A empresa pretende transformar a escala piloto em 2016 [3]. Logo, a partir das informações mencionadas industrial para a produção de 30000 ton/ano de PHB [10]. anteriormente, estima-se que a produção brasileira de soro A avaliação econômica e a simulação empregada de leite foi de 30,6 milhões de toneladas no ano de 2016. neste trabalho foram feitas com o objetivo de se deter- Os biopolímeros são definidos como macromoléculas minar quantitativamente e qualitativamente o processo que podem ser sintetizadas por organismos vivos e, pelo de produção do PHB a partir do soro do leite. Para essa menos uma etapa de sua degradação, acontece através determinação, foi considerado, com base na literatura, do metabolismo de organismos, os quais estão presentes que o solvente e os microrganismos empregados foram o no meio ambiente [4]. É fato que estes possuem grandes carbonato de propileno e cepas recombinante da bactéria vantagens quando comparado aos polímeros de origem Escherichia coli. petrolífera, já que, por serem biodegradáveis, não se acu- Para a análise de viabilidade econômica, quantificou-se mulam no meio ambiente como os polímeros derivados as matérias-primas e as utilidades das etapas do processo, do petróleo [5]. incluindo a inoculação, a qual consiste no cultivo e cresci- O polihidroxibutirato, PHB, é um exemplo desses mento dos micro-organismos. Assim, foi possível também biopolímeros e pode ser sintetizado, de forma biológica, efetuar o cálculo dos custos, através da estimação de certos a partir do soro do leite. A produção industrial do PHB, insumos, dimensionamento e certas premissas relativas à no Brasil, começou no ano de 2000 pela PHB industrial, operação de alguns equipamentos. utilizando a cana-de-açúcar como matéria-prima. O PHB Há pouca informação na literatura sobre propostas de pode ser utilizado em embalagens, lonas e peças automo- processo de produção em escala industrial de PHB. Além tivas [6]. disso, não foram encontrados trabalhos que façam uma análise Em termos biotecnológicos, o processo da produção dos econômica do processo descrito, que vai desde o pré-tratamento bioplásticos em escala industrial foi descrito por Byrom do soro de leite, proveniente de indústrias de lacticínios, até a (1987) [7] e este é, basicamente, realizado em um reator purificação do PHB formado, incluindo o aproveitamento da batelada bioquímico. Entretanto, cabe ressaltar que o custo proteína presente no soro de leite (Whey Protein). do processo de transformação da fonte reserva de carbono O objetivo do trabalho foi avaliar a viabilidade técnica em plásticos biodegradáveis pode ser alto, mas isto é de- e econômica da instalação de uma biorrefinaria integrada a vido, principalmente, aos elevados custos na obtenção da uma indústria de laticínios para utilizar os efluentes do soro matéria-prima, já que representam 40% do total do custo de de leite e produzir bioplásticos PHB e proteínas. produção [8]. Dessa forma, tem-se o soro do leite efluente da produção das indústrias de lacticínios, como uma boa alternativa de baixo custo da produção desses bioplásticos. O processo produção da PHB, basicamente, consiste em uma reação bioquímica com uma fonte de carbono (soro do

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Materiais e Métodos a 6,67 g/L, fosfato diamônico [(NH4)2HPO4] a 4 g/L,

sulfato de magnésio a 0,8 g/L, ácido cítrico (C6H8O7) a Caracterização da Reação e Descrição do processo 0,8 g/L, ácido clorídrico (HCl) a 0,025 mol/L, sulfato de

ferro (FeSO4.7H2O) a 0,05 g/L, cloreto de cálcio (CaCl2)

O artigo base utilizado para a caracterização da reação a 0,01 g/L, sulfato de zinco (ZnSO4.7H2O) a 0,011 g/L, foi o de AHN; PARK e LEE, 2000 [9], que conduziu o sulfato de manganês (MnSO4.4H2O) a 0,0025 g/L, sulfato experimento com a mais elevada concentração de lactose: de cobre (CuSO4.5H2O) a 0,005 g/l, molibdato de amônio

280 g/L. Devido a essa concentração, a ampliação do [(NH4)6Mo7O24.4H2O] a 0,0005 g/L e tetraborato de sódio processo em escala industrial foi facilitada. O micro- (Na2B4O7.10H2O) a 0,0002 g/L [9]. organismo utilizado foi: Escherichia coli. As considerações para a descrição do processo e reso- A Tabela 1 mostra os principais dados retirados desse lução do balanço de massa foram determinadas através de artigo para a produção bioquímica de PHB a partir do soro dados obtidos na literatura cientifica. A partir desses dados do leite. experimentais de laboratório, desenvolveu-se o processo em escala industrial. Tabela 1: Dados para a produção bioquímica de PHB a partir do soro A Figura 1 mostra o fluxograma do processo proposto. do leite Inicialmente, o soro do leite, o qual contém a subs- Informação Descrição Valor tância reagente, a lactose (4,4% m/m) [11], passa por Tempo que leva a formação do um evaporador e um vaso separador de flash (EVAP-01 Tinoculação inóculo que, posteriormente, 96 horas será utilizado no biorreator E EVAFLASH), o qual remove grande parte da solução

Tempo que lava para os aquosa presente no substrato. Essa é uma etapa importante, Tfermentação microrganismos convertem a 37,5 horas pois a concentração de lactose no soro de leite deve ser lactose em PHB no biorreator de 280 g/L [9] para assim ser utilizado como substrato Rendimiento da conversão Y 0,52 g/g da reação. Depois, o soro de leite concentrado, passa x/s do substrato em célula por um resfriador (RESFR-01), visto que, o processo de Rendimiento da conversão Y 0,42 g/g p/s do substrato em produto evaporação aumentou a temperatura do mesmo e a reação

Porcentagem do volume total ocorre a 36º C [9]. % Vinóculo/Vbiorreactor do inóculo com relação ao 20% A corrente resultante do processo de resfriamento passa volume útil total do biorreator por um ultrafiltro (FILTRO1), já que, o objetivo, nessa etapa, Porcentagem de produto % PHB/CÉLULAS 80% é a extração das proteínas do soro do leite (Whey protein) no massa celular que, posteriormente, será comercializada para a produção de Fonte: Ahn; Park e Lee, 2000 [9] concentrado proteico. O método de extração utilizado para a remoção dessas proteínas é a ultrafiltração, pois, é o mais Como substrato principal na fermentação, utilizou-se efetivo, quando comparado à filtração comum. A eficiência uma solução de soro de leite com concentração de 280 do método é consequência da passagem da corrente do g/L de lactose mais sulfato de magnésio (MgSO4.7H2O) a processo por uma membrana semipermeável, resultando na uma concentração de 6 g/L. Já para a etapa de inoculação, concentração das proteínas [12]. o substrato principal é uma solução de soro de leite a 40 Ao sair do processo de ultrafiltração, da literatura, tem- g/L com adição de fosfato de monopotássio (KH2PO4) se a informação de que a corrente resultante de proteínas

Figura 1: Processo de produção do PHB e extração das proteínas a partir do soro do leite Fonte: Simulador Aspen Plus versão 8.8

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Figura 2. Fluxograma do processo de produção de PHB – Etapa antes do biorreator Fonte: Simulador Aspen Plus versão 8.8 (concentrado) contém um teor entre 50 e 75% em base O período de descarga do biorreator também foi defini- seca [12]. Então, devido ao teor de umidade contido no do como 37,5 h (igual ao tempo de carga), visto que, esse concentrado proteico, este passa por um secador (SECA- também é o tempo de fermentação da reação [9]. DOR1), o qual consegue remover grande parte da água, resultando, assim, na proteína com 90% de pureza (Whey protein isolada) [13]. Então, para a continuação do processo de produção de PHB, à corrente de permeado do ultrafiltro, é adicionado sulfato de magnésio, já que este também é parte do substrato reacional e, assim, uma corrente contendo esse sal se une à corrente resultante de soro (MISTURAD). Todo o processo descrito anteriormente pode ser visto na Figura

2, a qual é uma seção da Figura 1. Figura 4: Fluxograma do processo de produção de PHB – Etapa do O reator de inoculação (RINOCULO), Figura 3, opera biorreator em batelada e este consiste no cultivo e multiplicação dos Fonte: Simulador Aspen Plus versão 8.8 micro-organismos que serão utilizados na reação. Para isso, são adicionados a estes micro-organismos sais (cujo foram A corrente resultante do biorreator sai à tempera- citados anteriormente) que favorecem o crescimento dos tura ambiente e passa por um vaso de aquecimento mesmos em um tempo de inoculação de, aproximadamente, (AQUEC-01) para alcançar a temperatura de 95º C. Esse 96 horas [9]. Nesse reator, é adicionada como parte substrato processo é necessário, pois auxilia no enfraquecimento da principal, uma corrente de soro de leite diluído. Assim, a membrana celular e, assim, é possível extrair mais facil- “corrente resultante” da inoculação, após o período men- mente o PHB contido nas células de micro-organismos, cionado anteriormente, é adicionada ao biorreator também. pois se trata de um produto intracelular [14]. Depois do aquecimento, a corrente resultante passa por uma centrífuga (CENTRIF1), onde é possível eliminar boa parte da solução aquosa em que se encontra as bactérias com o produto resultante. Posteriormente, o permeado da centrifugação passa por um secador (SECADOR2) e, Figura 3: Fluxograma do processo de produção de PHB – Etapa do reator de inoculação assim, elimina-se também boa parte da solução aquosa Fonte: Simulador Aspen Plus versão 8.8 residual. A etapa seguinte é a extração (VMISTUR1), em que se adiciona o solvente, carbonato de propileno, a 150º De forma sucinta, o biorreator (BIORREAT), Figura 4, C e assim, o produto PHB é extraído das bactérias [14]. que opera no regime de batelada alimentada, é alimentado A corrente resultante da extração - com PHB, solvente e com um tempo de carga de, aproximadamente, 37,5 horas, células - passa por um filtro (FILTRO2) no qual a massa com as correntes de substrato contendo soro de leite conde células ficará retida e se separará do solvente e do PHB. centrado e o sulfato de magnésio, de micro-organismos Nesse filtro, ocorre a perda de carca de 15% da massa provenientes do reator de inoculação e de ar [9]. A corrente inicial de solvente devido a sua retenção pelas células, e de ar auxilia na fermentação, já que esse é um processo também ocorre a perda de 25% da massa total de PHB, aeróbio e necessita desse gás para ocorrer. Para eliminar pois devido a constante reutilização do solvente, a eficiên- possíveis gases reacionais e manter a pressão, o biorreator cia da extração é perdida e parte do PHB permanece nas possui uma válvula de alívio. células [15]. A corrente de permeado resultante passa por

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Figura 5: Fluxograma do processo de produção de PHB – Etapa depois do biorreator Fonte: Simulador Aspen Plus versão 8.8 um resfriador (RESFR-02), visto que, esta corrente teve Todos os dados mencionados anteriormente foram uti- sua temperatura elevada devido ao aquecimento prévio e lizados para o cálculo das vazões do processo com auxílio à extração com o solvente a alta temperatura. do software Excel. A corrente resultante do resfriador RESFR-02 passa por um vaso de decantação (DECANTAD) onde adiciona-se Simulação do processo e dimensionamento dos principais outro solvente, a água, o qual auxilia para que o PHB fique equipamentos em suspensão na solução carbonato de propileno + água. Assim, o material de saída desse vaso passa por outra etapa Para o dimensionamento dos equipamentos, utilizou-se de filtração (FILTRO3). O PHB é retido nesse filtro e sai as fórmulas, relações e metodologias descritas por Seider com um certo teor de umidade. et al., 2009 [16] com os preços de compra do mercado Por fim, tem-se a etapa de secagem (SECADOR3), a americano, definidos em dólar. qual consiste em diminuir o teor de umidade contido no Nas etapas de simulação do processo, o software produto final, o PHB. Do site da biocycle (nome comercial empregado foi o simulador Aspen Plus versão 8.8. Vale do PHB produzido pela PHB industrial), tem-se a infor- ressaltar que somente alguns equipamentos do processo mação que o produto sai com um teor de umidade de 0,3% foram simulados no software. Esses equipamentos foram (m/m) em base seca e, dessa forma, a corrente resultante a coluna de destilação, compressores, bombas e trocadores da secagem contém PHB a 99,7% (m/m) de pureza e 0,3% de calor. Para o dimensionamento e cálculo do custos dos (m/m) de umidade. outros equipamentos, como os vasos, biorreator, reator de A Figura 5 exemplifica e sumariza os processos descri- inoculação, filtros e centrífugas, foram utilizados os dados tos anteriormente. da literatura e as vazões mássicas foram encontradas a A corrente de permeado resultante do terceiro filtro partir do balanço de massa. (FILTRO3), que contêm carbonato de propileno e água, segue para a coluna de destilação (COLUNA). O objetivo Cálculo do investimento total nessa etapa é recuperar o carbonato de propileno utilizado na etapa de extração do PHB. Na destilação, 5% (m/m) do Para o cálculo do investimento total, foram conside- carbonato de propileno, contido na corrente de entrada, rados os investimentos fixos mais o capital de giro. O sai na corrente de topo junto com a água, ou seja, 95% investimento fixo é a soma dos investimentos indiretos e (m/m) do solvente que entra no equipamento é recuperado diretos, mais a comissão do contratante e a contingência. na corrente de fundo [15]. Os critérios utilizados para o cálculo desses investimentos Há também os processos de “make-up” da água e do seguiram a metodologia descrita em Peters e Timmerhaus carbonato de propileno (VAS01 e VAS02). Esse processo (1991) [17]. Dessa forma, o cálculo é baseado em fatores consiste na reposição dessas substâncias, visto que 20% de razão aplicados ao custo dos equipamentos principais (m/m) do carbonato de propileno é perdido durante todo o do processo. Os fatores utilizados foram para uma planta processo [15]. Para a água, considerou essa porcentagem de processamento sólido/líquido. Esses fatores e critérios de perda é de 10% (m/m) [15]. podem ser vistos na Tabela 2.

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Tabela 2: Critérios utilizados para o cálculo dos investimentos É importante mencionar que tanto o vapor, quanto a Item Porcentagem água desmineralizada são produzidos na própria planta.

Equipamentos principais (C.E.P) 100 Consumo de utilidades Instalação dos equipamentos 39

Instrumentação e controle 13 O consumo total de água de resfriamento (AGR) e Instalação das tubulações 31 vapor é dado pela soma do consumo individual dessas Custos diretos Instalação elétrica 10 utilidades em cada trocador de calor. Esse consumo foi

Construção 29 determinado através do simulador Aspen Plus v.8.8. Como o vapor é produzido na própria planta, foi necessário o Melhorias na planta 10 cálculo do consumo de gás natural para sua produção. Instalação de serviço 55 O consumo desse gás foi obtido também através da si- Terreno 6 mulação, visto que já se tinha o valor da vazão total do Engenharia e supervisão 32 consumo de vapor em t/ano. Custos indiretos Despesa de construção 34 O consumo do solvente utilizado na extração do PHB e dos sais usados como substratofoi obtido através das Comissão do contratante 5 respectivas vazões encontradas no balanço de massa. Contingência 10

Capital de giro 15 Consumo de energia Custos diretos Investimento fixo + indiretos + contingência O consumo de energia das bombas, compressor e Investimento turbinas foi calculado através dos dados de potência, em Investimento total (I.T) fixo + capital de giro kW/h, também obtidos no Aspen Plus v.8.8. O custo total de cada utilidade e energia foi obtido através da multiplicação do valor do consumo anual pelo Cálculo dos custos fixos preço unitário.

Os custos fixos são aqueles que independem da ca- Cálculo do custo total e da receita pacidade de produção da planta. Estes foram calculados utilizando também os critérios mostrados em Peters e O custo total foi determinado através da soma dos Timmerhaus (1991) [17] e podem ser vistos na Tabela 3. valores de custo fixo e custo variáveis. Já para a determi- O custo de mão de obra de operação (MOO) foi calculado nação da receita, esta foi obtida através da multiplicação considerando-se a operação da planta durante 12 meses no da produção anual de PHB pelo preço de venda, somado ano, com 20 funcionários, também baseado na metodologia a multiplicação da produção anual de whey protein pelo utilizada pelos autores citados anteriormente. preço de venda.

Tabela 3: Critérios utilizados para o cálculo dos custos fixos Critérios de Projeto e Fluxo de caixa Itens Critério

Mão de obra de operação 2000 USD/mês trabalhador Para se determinar a viabilidade econômica do projeto, Supervisão direta/administrativo 17,5% MOO observou-se os seguintes critérios:

Manutenção e reparos 6% IT/ano VPL>0 TIR≥TMA Suprimentos operacionais 0,75% IT/ano

Taxa de laboratório 15% MOO O VPL (Valor Presente Líquido) é a soma, a partir da Seguro 0,7% IT/ano data inicial de operação, dos saldos dos fluxos de caixa, MOO: Mão de obra de operação descontando a taxa de juros.O VPL é dado pela Equação 1: IT: Investimento total

(1) Cálculo dos custos das utilidades e energia (custos variáveis)

Custos variáveis são os custos que dependem da ca- Cj é o fluxo de caixa resultante, I o valor do investi- pacidade de produção da planta. Vale ressaltar que, como mento total e i é a taxa de juros bancário utilizada para o projeto de produção de PHB é integrado à indústria de o financiamento e manutenção do projeto. Este valor foi lacticínios, o custo do soro do leite foi considerado nulo, considerado sendo 9% a.a. visto que este é um efluente de produção. A TIR (Taxa Interna de Retorno) é definida como a taxa

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Flávia F. Wândega et al.: Biorrefinería para producir bioplástico y proteína 53 de juros que, em algum momento, igualará o valor presente Caracterização do soro de leite das entradas aos da saída. Vale ressaltar que, em outras palavras, a TIR nada mais é que a taxa de retorno em relação A composição do soro de leite utilizado no processo aos valores de investimento em um negócio. Assim, a TIR descrito está explicita na Tabela 5 a seguir: pode ser determinada quando o VPL se iguala a zero. A TIR também representa a taxa de rentabilidade do projeto. Tabela 5:Composição aproximada do soro do leite A Taxa Mínima de Atratividade, TMA, é a taxa em que Componente Composição mássica um investimento é rentável e, assim, de baixo risco. Esta, Solução aquosa 94,60% atualmente, é consideradano Brasil como 15% a.a. Para Proteína 4,40% um investimento apresentar uma rentabilidade positiva, Lactose 1,00% Fonte: Berwig, Baldassoe Dettmer, 2016 ou seja, ter uma taxa de retorno maior do que a de um investimento de baixo risco, a TIR deve ser maior ou igual que a TMA. Vale ressaltar que, em solução aquosa, têm-se os Com relação ao preço de venda do produto, este foi componentes sólidos que estão empouca quantidade estimado de forma que os dois critérios mencionados como gorduras, cinzas e nitrogênio, os quais não foram fossem satisfeitos, VPL > 0 e TIR ≥ TMA. considerados separadamente por motivos de facilidade nos Com relação à depreciaçãodos equipamentos e bens dos cálculos e na simulação. ativos e imobilizados, esta foi considerada linear durante o tempo de operação da planta de 15 anos, visto que estes, Resultados e Discussão com o passar do tempo, perdem seu valor por consequência do desgaste e obsolescência normal. A depreciação é dada Determinação da Capacidade de Produção pela Equação 2: A base de cálculo definida foi de uma produção de 1000 (2) ton/ano de PHB. Essa produção foi escolhida como análise inicial desse processo, pois esta representa a produção de

Sendo que I é o investimento e VRo valor residual. O uma biorrefinaria integrada a indústria de lacticínio de valor residual da planta foi considerado de 1% em relação médio porte. Como para 1 kg de queijo produzido, tem-se ao investimento total. Esse valor corresponde ao capital a obtenção de 9 kg de soro de leite [3] e, do balanço de que pode ser adquirido após a inatividade da planta, como massa efetuado, tem-se a informação que, para a produção por exemplo, venda de alguns equipamentos para o apro- de 1000 ton/ano de PHB, são necessárias 73.358,17 ton/ veitamento do metal de construção.O valor residual é dado ano de soro de leite, desta forma, diante dos dados mencio- pela Equação 3: nados, é estimável que o processo tem que estar integrado a uma indústria de lacticínios com um processamento diário

VR=0,01 .I (3) equivalente a 250000 L leite / dia, ou seja, uma fábrica de laticínios de médio porte [19]. Os impostos foram considerados como sendo 34% em relação ao Lucro bruto [18]. Validação do modelo usado na simulação O fluxo de caixa foi determinado como descrito na Tabela 4: O modelo utilizado para o equilíbrio líquido-vapor do carbonato de propileno e da água foi o UNIQUAC Tabela 4: Equações utilizadas no fluxo de caixa (UNIversal QUAsi Chemical). Esse modelo foi escolhido, Fluxo de caixa Equação pois se adequa e é bem aplicável a uma série de misturas Receita (R) Preço x Produção líquidas. O UNIQUAC foi desenvolvido por Abrams e Custo variável (C ) - v Prausnitz (1975) [20] e, basicamente, em seu cálculo, para Custos fixos (C ) + Depreciação (D ) - F p estimar o tamanho e área das superfícies externas das mo- Lucro bruto (L ) L = R – (C + C + D ) b b V F p léculas, são utilizados parâmetros dos componentes puros Impostos (Imp) 0,34 L b da mistura. Além disso, deve-se ressaltar que, com relação Lucro líquido (L ) L = L - Imp l l b aos parâmetros ajustáveis, este modelo utiliza apenas dois Depreciação (D ) - p por binário. Geração de caixa (G ) G = L + D c c l p A escolha do modelo pode ser justificada também, pois, Investimento total (IT) - segundo Prausnitz, Lichtenthaler e De Azevedo (1999) Valor residual (V ) 0,01 IT r [21], este é aplicável em misturas não-eletrolíticas, po- Fluxo de caixa (C ) C = G + V - Inv j j c r dendo ter fluidos polares ou apolares. Cabe frisar também que o UNIQUAC consegue reproduzir bem sistemas de baixa ou moderada pressão. Portanto, diante do exposto

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 54 Flávia F. Wândega et al.: Biorrefinería para producir bioplástico y proteína e considerando que, a coluna opera à pressão atmosférica Tabela 7: Preço das principais matérias-primas e insumos usados no processo e o binário é composto pelo carbonato de propileno, um Matéria-prima Valor (USD/ton) Fonte solvente orgânico polar e água, outro solvente, porém [23] KH2PO4 800 Alibaba, 2018

[23] inorgânico polar, pressupôs-se que o modelo UNIQUAC (NH4)2HPO4 746 Alibaba, 2018

[23] se adequaria bem ao sistema descrito. MgSO4. 7H2O 100 Alibaba, 2018 Do simulador, utilizando o modelo UNIQUAC, retirou- Ácido cítrico 600 Alibaba, 2018 [23] [23] se dados de pressão para diversas composições do binário HCl 200 Alibaba, 2018 [23] FeSO4.7H2O 80 Alibaba, 2018 água e carbonato de propileno. Posteriormente, essas [23] CaCl2 120 Alibaba, 2018 [23] pressões foram comparadas aos dados experimentais do ZnSO4. 7H2O 350 Alibaba, 2018 [23] binário, retirados da base de dados DECHEMA (1982). Os MnSO4 .7H2O 400 Alibaba, 2018 CuSO 5H O 1 550 Alibaba, 2018 [23] resultados podem ser vistos na Figura 6. 4 . 2 [23] (NH4)6Mo7O24 .4H2O 11 000 Alibaba, 2018 [23] Na2B4O7 .10H2O 645 Alibaba, 2018 Insumos AGR 0,57 - Energia 0,08 - Gás natural 192,5 AliceWeb 2018 [24]

[23] Solvente C4H6O3 900 Alibaba, 2018 Água 1,67 -

Tabela 8: Custo das principais matérias-primas e insumos usados no processo Insumo Cantidade Valor USD/ano AGR ton 2.093.956 Energia kWh 218.606 Figura 6: Pressão versus x1 – Gráfico da validação de dados para o modelo UNIQUAC e o binário água e carbonato de propileno Vapor ton 1.783.541 Solvente ton 2.395.980 Como visto na Figura 6, observa-se que o modelo UNI- Água ton 7.409 QUAC se adequo bem aos dados experimentais, pois os Sais ton 37.118 pontos retirados do simulador seguem a mesma tendência Total 6.536.612 daqueles encontrados na literatura, ajustando-se bem. Além disso, observa-se que o modelo representou melhor Os valores apresentados na tabela para o preço de pro- os dados reais na região de baixas pressões. dução da AGR, energia e água desmineralizada são valores referenciais provindos do Polo Industrial, localizado na Custos dos equipamentos cidade de Camaçari, no estado da Bahia, no Brasil. Já os valores obtidos pela análise do fluxo de caixa, como A Tabela 6 mostra o custo dos equipamentos do proces- VPL, tempo de operação, custos variáveis, custos fixos, so. Esse custo já está corrigido com o valor da taxa média receita e investimento total, são apresentados na Tabela 9. de inflação americana (período: 2010-2017), sendo essa, aproximadamente, 1,70% [22]. Tabela 9: Resultados da análise econômica Grandeza Valor Tabela 6: Custo dos equipamentos do processo Tempo de operação 15 (anos) Equipamento Custo (USD) Investimento Total 22.996.476 (USD) Coluna de destilação 122.975 Custo variável 6.536.612 (USD/ano) Vasos 965.450

Biorreator 441.780 Custo fixo 2.181.874 (USD/ano)

Reator de inoculação 176.174 Receita PHB 5.000.000 (USD/ano) Filtros e Centrífugas 585.412 Receita WHEY 9.771.170 (USD/ano) Secadores 999.809 VPL Compressor 460.873 13.547.078 USD

Bombas 152.752 TIR 15 (%) a.a

Trocadores 396.652 PHB: Preço de venda 5.000 (USD/ton)

Turbinas 426.448 WHEY: Preço de venda 12000 (USD/ton)

Total 4.728.329 Com o resultados da Tabela 9, nota-se que, atingir os O preço e o custo das principais matérias-primas, critérios econômicos num período de operação de 15 anos insumos e sais usados no processo podem ser vistos nas o preço de venda do PHB teria que ser 5000 USD/ton e da Tabelas 7 e 8. proteína 12000 USD/ton, o que tornaria viável o projeto,

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Flávia F. Wândega et al.: Biorrefinería para producir bioplástico y proteína 55 pois o valor de mercado do PHB no Brasil não ultrapassa solvente, visto que, como observado na Tabela 10, o custo os 5000 USD/ton [25] e o da proteína está entre 10000 e do carbonato de propileno representa 43,55% do custo 13000 USD/ton [26]. variável total. Assim, é importante avaliar e analisar a viabilidade do projeto no que se refere à variação de preço Análises de sensibilidade desse solvente.

Efetuou-se uma análise de sensibilidade para verificar Tabela 10: Porcentagem relativa dos insumos em relação aos custos totais variáveis o comportamento VPL e da TIR com relação a variação da Custos totais Insumo escala de produção. Assim, o limite inferior de produção, Variáveis = 100 % 200 t/ano, visou à representação das indústrias de laticínio AGR 28,55 % de pequeno porte (processamento diário de cerca de 50 mil Energia 2,98 % litros de leite) e o superior, 10000 t/ano, visou às de grande Vapor 24,31 % porte (processamento diário de cerca de 2 milhões de litros Solvente 43,55 % de leite). Os resultados dessa análise podem ser vistos nas Água 0,10 % Figuras 7 e 8. Sais 0,51 % Os resultados para essa análise podem ser vistos nas Figuras 9 e 10.

Figura 7: VPL versus Produção de PHB Figura 9: VPL versus Custo do Solvente (USD)

Figura 10: TIR versus Custo do Solvente (USD) Figura 8: TIR versus Produção de PHB Como mostrado nas Figuras 9 e 10, o aumento no preço Diante dos resultados apresentados nas Figuras 7 e 8, do solvente da 900 a 1200 USD (33%), mantêm o VPL na percebe-se que, à medida em que a produção aumenta e faixa dos 10 milhões de dólares e provoca uma diminuição fixando-se os preços de venda do PHB e da proteína, o de TIR de 15% a 13% (2%). Isso indica que o projeto investimento se torna economicamente mais viável, al- absorve bem possíveis aumentos no seu principal custo cançando maiores valores de VPL e taxa interna de retorno variável, mantendo-se economicamente atrativo. bruto, quando comparado a outros empreendimentos de menor capacidade de produção. Nota-se que, para fábricas Conclusões de laticinios de pequeno porte (com processamento diário de no máximo 125000 litros de leite), o projeto apresenta Baseado na análise dos resultados obtidos, conclui-se tanto o VPL quanto a TIR negativas, representando invia- que a instalação de uma biorrefinaria integrada à indústria bilidade econômica para empreendimentos desse porte. que processa 250000 litros de leite / dia no Brasil, para a Outra análise efetuada foi com relação ao preço do produção de PHB e proteína a partir do soro do leite, utili-

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 56 Flávia F. Wândega et al.: Biorrefinería para producir bioplástico y proteína zando a metodologia de processo descrita, é tecnicamente diol. In: XI Internacional Macromolecular Colloquium e economicamente viável. Além disso, a partir da análise and 6th Internacional Smposium on Natural polymers de sensibilidade foi perceptível que à medida em que a and composites, Gramado-RS, v. único, 2007. produção aumenta, fixando-se os preços de venda do PHB 7. Byrom, D. Polymer synthesis by microorganisms: tech- (5.000 USD/ton) e da proteína (12.000 USD/ton), o projeto nology and economics. Trends in Biotechnology, v.5, se torna economicamente mais viável. p. 246-250, 1997. 8. Choi, M. H.; Yoon, S., C. Polyester biosynthesis characte- Nomenclatura ristics of Pseudomonas citronellolis grown on various carbon sources, including 3-methyl-branched substra- AGR – Água de resfriamento tes. Applied and Environmental Microbiology, v. 60, p. C.E.P – Custo dos equipamentos principais 3245-3254, 1994. 9. Ahn, W. S.; Park, S. J.; Lee, S. Y. CF – Custos fixos Production of Ply (3-Hy- Cj – Fluxo de caixa droxybutyrate) by Fed-Batch Culture of Recombinant

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RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Flávia F. Wândega et al.: Biorrefinería para producir bioplástico y proteína 57

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RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 58 Graciela Ingrid Suarez et al.: Optimización del diseño e instrumentación del concentrador doble efecto

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 58–62 Optimización del diseño e instrumentación del concentrador doble efecto de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan. Argentina

Optimization of the design and instrumentation of the double-effect concentrator at School of Engineering. National University of San Juan. Argentina

Graciela Ingrid Suarez1, *, Veronica Beatriz Navas Nale1, Carla Valeria Lorenzo Doncel1

1- Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan, Argentina. *E-mail: [email protected] Recibido el 27 de julio de 2018, Aprobado el 25 de noviembre de 2019. Resumen

En el Laboratorio Tecnológico de la Facultad de Ingeniería, UNSJ se cuenta con un evaporador doble efecto en escala piloto. El presente artículo analiza el mismo, consolidando conocimientos de operación del concentrador de doble efecto y de instrumentación industrial, estableciendo las variables a manipular y controlar, y realizando mejoras en el diseño, con el objeto de que pueda ser utilizado tanto en investigación como para prácticas de los alumnos de las carreras de Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Industrial y de Ingeniería Química. Se trabajó con el equipo, se lo desarmó, se realizaron ensayos y pruebas determinando que la variable a controlar más representativa para el evaporador es la temperatura, se determinaron los puntos en los cuales se colocaron los sensores y como mejoras se determinó la colocación de una válvula y el agregado de dos purgas para poder limpiar el equipo.

Palabras clave: Evaporador; Control; Instrumentación.

Abstract

The Technological Laboratory at the School Engineering, NUSJ counts with a double-effect evaporator on pilot scale. This article suggests to analyze it by consolidating knowledge about its operational and industrial instrumentation, determining the variables to manipulate it, as well as improving its design and correct use not only on research projects but also in training practices among Food Engineering, Industrial Engineering and Chemical Engineering undergraduates. The equipment was dismantled and several tests were conducted. The results established that the temperature and the placement points of the sensors were the most representative variables for the control of the evaporator. The identified improvements were both the valve placement and the addition of two purges to clean the equipment.

Keywords: Evaporator; Control; Instrumentation.

Introducción calidad de producto constante. Las últimas cifras dadas a conocer por el Instituto La Instrumentación y Control, como especialidad Nacional de Vitivinicultura (INV) , Estadísticas de expor- de Ingeniería, es la parte de la ingeniería responsable taciones, indican que en el año 2016, el volumen de mosto de definir el nivel de automatización de cualquier exportado fue de 104.121tn, hubo una disminución del planta de proceso e instalación industrial, la instru- 17,1% en volumen comparado con el año 2015. mentación de campo y el sistema de control para un buen funcionamiento del proceso, dentro de la Tabla 1: Exportaciones Argentinas de mosto concentrado (INV). seguridad para los equipos y personas, también de los costos establecidos y manteniendo la calidad. Toneladas Miles de dólares Detalle Var. % Var. % 2015 2016 2015 2016 Por medio de la instrumentación de evaporadores 16/15 16/15 Mosto o concentradores, que son utilizados ampliamente 120.990 99.557 -17,7 113.526 105.402 -7,2 concentrado en la industria, por ejemplo en la concentración de Mosto conc. 4.597 4.564 -0,7 6.177 5.325 -13,8 mosto, se consiguió: analizar las variables del pro- alcoholizado ceso, determinar la más representativa a controlar, se Total Mostos 125.588 104.121 -17,1 119.703 110.727 -7,5 consiguió optimizar recursos, ahorro energético y una

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Graciela Ingrid Suarez et al.: Optimización del diseño e instrumentación del concentrador doble efecto 59

Considerando estos antecedentes es que resulta de la de ebullición, cuando pasa de un efecto a otro. sumamente importante para la industria local como la Entonces, la cantidad de calor transmitida en cada Argentina la incorporación y mejora de la tecnología efecto en la unidad de tiempo es: en las diferentes etapas de la elaboración de productos Qi = Ui Ai ∆Ti siendo ∆T1=TVC – T1 y ∆T2=T1–T2. concentrados. Siendo TVC la temperatura del vapor condensado que sale del primer efecto. Desarrollo Se pueden establecer las ecuaciones anteriores con carácter aproximado ya que los errores cometidos con estas Analizando el intercambiador de calor según Kern suposiciones son cuantitativamente pequeños. (1999) “Procesos de Transferencia de Calor”, Perry (1992) En los evaporadores de doble efecto las áreas son

“Manual del Ingeniero Químico y TLV(2012); podemos iguales, por lo que se puede escribir que U1.∆T1 =U2 .∆T2 analizar que por medio de la evaporación podemos eli- donde se deduce que, en ellos, la diferencia de temperatura minar un solvente de un soluto, a través de la generación es, de forma aproximada, inversamente proporcional al de una fase gaseosa de un solvente volátil. Para el caso en valor del coeficiente global de transmisión de calor en el estudio, a través de un evaporador doble efecto de escala mismo. Si se considera que no hay elevación en el punto piloto se elimina agua (solvente volátil a la temperatura de ebullición, se cumplirá: y presión de trabajo) que es el desecho generado en la operación unitaria del mosto o jugo de uva, dando como (1) producto mosto concentrado (soluto no volátil a temperatura y presión de trabajo). Se hace referencia a escala piloto considerando que el Se define la capacidad de un evaporador como la canti- equipo es de un tamaño reducido es capaz de operar con dad de líquido evaporado en la unidad de tiempo. Como la un pequeño caudal de materia prima a igual condición de entalpía de vaporización es prácticamente constante en el presión y temperatura que una planta tamaño industrial. rango de presiones utilizado, existe una proporcionalidad Este evaporador al ser de doble efecto (el vapor ge- entre la cantidad de líquido evaporado y la cantidad de nerado en un efecto se aprovecha en el otro efecto como calor transmitido. medio de calefacción) permite un mejor aprovechamiento En un evaporador de dos efectos con la misma superfi- energético, por la disminución de las pérdidas de calor (a cie de calefacción en cada uno de ellos y con el coeficiente causa de la utilización en el 2° efecto del vapor generado global medio de transmisión del calor, UM, para los en el 1° efecto) y la reducción de los costos operativos. mismos, la cantidad de calor total (QT) transmitida en la

Si los evaporadores se numeran en el sentido en que unidad de tiempo es:QT=Q1+Q2=A.UM( ∆T1+∆T2) disminuye la presión, y las presiones y las temperaturas En un evaporador simple con la misma superficie de en cada unidad son, respectivamente, P1, P2, y T1, T2 se calefacción, A, un coeficiente global de transmisión de cumple que: P1 > P2 y T1 > T2. calor U = UM, y una diferencia de temperatura igual a Para el estudio del evaporador, se tomaron las siguien- la diferencia de temperatura total en el doble efecto, la tes suposiciones: capacidad es: Q= A.UM.∆TT a) El sistema opera en condiciones de flujo y estado Por lo tanto, en un evaporador de doble efectos, la capa- estacionarios. Las velocidades de flujo de masa son tales cidad es la misma que en uno de efecto simple que tenga el que en ningún evaporador hay acumulación o disminución mismo coeficiente global, la misma superficie de calefacción de disolvente o soluto. Las concentraciones, las presiones que una de las unidades del doble efecto y que opere con y las temperaturas en cada evaporador se mantienen una diferencia de temperatura igual a la diferencia total de constantes. temperatura con la que opera el sistema de doble efecto. Por b) El mosto no presenta elevación del punto de ebu- tanto, la capacidad por metro cuadrado de superficie en un llición, y los efectos de la carga hidrostática son despre- evaporador de dos efectos es aproximadamente igual a 1/2 ciables. veces la capacidad del evaporador de efecto simple. c) La cantidad de calor necesaria para llevar la alimen- En cambio, en el sistema de doble efecto se consigue tación desde su temperatura inicial, TF, hasta la tempera- una gran economía, pues, dado que la variación de la en- tura de ebullición, T1, también se considera despreciable, talpía de vaporización al pasar de un efecto a otro es muy de tal forma que la cantidad de calor proporcionada por el pequeña, cuando se condensa 1 kg de vapor de calefacción vapor de calefacción en el primer efecto se encuentra como se vaporiza en la disolución hirviente aproximadamente un calor latente en el vapor que sale del mismo. kg de agua, y así, aumenta la economía dos veces. d) Las entalpías de dilución no se toman en conside- ración. e) También se desprecia el calor que lleva el mosto, como consecuencia de estar a una temperatura por encima

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 60 Graciela Ingrid Suarez et al.: Optimización del diseño e instrumentación del concentrador doble efecto

Tabla 2: comparación de consumos energéticos según la cantidad de en parte, impedido, siendo necesario parar el evaporador efectos utilizados. y limpiar los tubos, (con agua, ácidos, álcalis, rascado Consumo de vapor para En kg de vapor evaporar 1 kg de agua mecánico, etc.), cosa que a veces es difícil y costosa. Evaporación a simple efecto 1,1 Eliminación del aire, (u otros incondensables): Evaporación a doble efecto 0,57 El vapor de agua arrastra siempre aire y otros gases no condensables, los cuales se acumulan en la cámara de La capacidad de estos sistemas también se ve reducida calefacción, con lo que disminuye progresivamente el por la elevación del punto de ebullición de la disolución, coeficiente de transmisión de calor. pero no así la economía, ya que ésta depende del balance de energía en cada efecto y no de la velocidad de transmi- Metodología sión del calor. El mosto ingresa al primer efecto ascendiendo por los Propiedades del mosto a concentrar tubos ubicados en el interior del primer intercambiador de calor o hervidor de flujo ascendente. Este evapora el Algunas de las propiedades más importantes del mosto agua aumentando su concentración como consecuencia a concentrar son las siguientes: del intercambio de calor que se produce entre el vapor Concentración de la disolución: Aunque el mosto que latente provisto por una caldera y el mosto que circula por entra en un evaporador puede ser suficientemente diluido el interior de los tubos. y poseer las propiedades del agua, a medida que aumenta El concentrador o evaporador, está formado por una la concentración, la densidad y viscosidad de la disolución zona de calentamiento, una cámara de condensación y una aumentan, disminuyendo, por tanto, el coeficiente global cámara de evaporación. de transmisión del calor. Si la ebullición es continuada, se En la cámara de condensación el vapor de agua elimi- puede alcanzar el estado de saturación, en cuyo caso habrá nado del mosto se transforma en líquido, cediendo su calor que retirar los cristales formados. Así mismo, es frecuente latente de condensación el cual es captado en la cámara de que con el aumento de concentración aumente también la evaporación por el mosto a concentrar. temperatura de ebullición de la disolución, dificultando El mosto concentrado en el primer efecto ingresa al el proceso, incluso impidiéndolo, si no se prevé, ya que segundo mientras que el vapor abandona la cámara de eva- podría resultar mayor la temperatura de ebullición que la poración a la temperatura de ebullición, obteniéndose una del propio vapor de calefacción. solución concentrada o mosto concentrado en este caso. Formación de espumas: Puede haber presencia de El vapor que sale del primer efecto ingresa al segundo una capa de espuma durante la ebullición. Esta capa de evaporando o aumentando la concentración del mosto que espuma es indeseable porque el vapor formado puede sale del primer efecto. Si la concentración del mosto es arrastrarla y, por tanto, perderse una cantidad importante inferior a la requerida existe la posibilidad de recircularlo de líquido. Las espumas se forman cuando hay una capa hacia el primer efecto nuevamente. de líquido con distinta tensión superficial que el resto de la El vapor extraído del segundo efecto pasa a un inter- masa, ocasionada a veces por la presencia de pequeñísimas cambiador tubular horizontal a través de la carcasa en partículas sólidas o incluso coloidales, habiéndose dedi- donde es enfriado o condensado por agua que circula por cado un esfuerzo considerable al estudio de las técnicas los tubos. Este condensado se extrae con una bomba de antiespumantes. vacío. A veces se utilizan métodos químicos, adicionando pequeñas cantidades de reactivos, para disminuir o reducir Análisis de los componentes del concentrador la formación de espumas. Si se quiere evitar la adición de sustancias extrañas, se pueden eliminar las espumas Intercambiador de calor tubular o evaporador modificando el diseño del evaporador, con una superficie tubular: es donde se produce la transferencia del calor caliente que rompa la espuma, (muchas se destruyen a alta del vapor al mosto. Consiste en un haz de tubos a través temperatura), o haciendo pasar el vapor formado a través de los cuales circula el mosto y una carcasa exterior por el de unas placas deflectoras, contra las que choca, evitando cual circula el vapor de agua. así el arrastre. Posee circulación forzada ya que el mosto es un líquido Formación de incrustaciones: Hay sustancias que viscoso el cual provoca incrustaciones si no se opera con la se denominan de solubilidad invertida, en las que la velocidad de circulación adecuada, además de que afectaría solubilidad disminuye con la temperatura, y tienden a la calidad del mosto concentrado o producto final. depositarse sobre las superficies de calefacción. Otra Separador Flash: el mosto al ingresar al separador causa es la descomposición térmica por el calor. En estos flash disminuye su presión produciendo la separación entre casos se produce una disminución del coeficiente global de el mosto concentrado y el vapor que lo constituía. transmisión del calor en el evaporador, y el proceso, se ve,

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Figura N° 1: Esquema del separador Flash.

Condensador y bomba de vacío: el vapor utilizado para calefaccionar el primer efecto, junto con el vapor del segundo efecto y el que proviene del separador flash al salir ingresa a un intercambiado de tubos en donde se condensa al ser enfriado con agua. A través de la bomba de vacío se extrae el condensado generando además una disminución de presión en el segundo separador flash. Cabezal de alimentación al intercambiador de calor: El intercambiador es de tubos ascendentes por lo que el mosto ingresa al cabezal y sube por los tubos en donde se produce el intercambio. Figura 3: Ubicación de las purgas en el evaporador. Al trabajar con el equipo se observó que para poder limpiar el equipo es necesario colocarle una purga ya que Colocación de válvula en la cañería de alimentación el cabezal queda cargado con el producto. al segundo efecto: esto permite, de ser necesario, trabajar con un solo efecto o en paralelo, en el caso en el cual se alcance la concentración deseada o se deseen realizar tareas de investigación.

Figura 2: Cabezal de alimentación del intercambiador.

Considerando que el equipo no posee aislación, se trabajó realizando pruebas y se determinaron los puntos en los cuales se necesitaban los sensores.

Conclusiones

Analizando el funcionamiento del equipo, se determi- Figura 4: Ubicación de la valvula. naron las siguientes mejoras: Variable a controlar: se determinó que la variable a controlar que más afecta la calidad final del producto es la Disposición de los sensores: en función de las pérdidas temperatura. de calor que se generan a través de las cañerías, se seleccio- Colocación de purga: Pudo observarse que la cámara naron los puntos a censar. Los mismos pueden observarse de ingreso del mosto, del intercambiador de tubos vertica- en la figura N° 5. Para la selección de los sensores se tomo les de película ascendente no posee purga para extraer el como base la bibliografía: “Instrumentación y Control remanente de la operación. Avanzado de Procesos” Acedo (2006) e “Instrumentación Se determinó colocar las purgas correspondientes ya Industrial” Creus Sole (2006). que de lo contrario se debería desarmar el cabezal para vaciado completo del producto y limpieza del mismo.

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RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 63–75 Entre las curvas de la arquitectura contemporánea y la enseñanza de la geometría en arquitectura: un enfoque didáctico del diseño paramétrico

Between the curves of contemporary architecture and the teaching of geometry in architecture: a didactics approach to the parametric design Entre as curvas da arquitetura contemporânea e o ensino da geometria na arquitetura: uma abordagem didática ao projeto paramétrico

Janice de Freitas Pires1, *

1- Universidade Federal de Pelotas, Brasil. *E-mail: [email protected] Recibido el 25 de agosto de 2019, Aprobado el 18 de diciembre de 2019. Resumen

La arquitectura contemporánea experimenta momentos de gran transformación, especialmente en relación con el proceso de diseño, el uso de materiales de construcción innovadores y técnicas y simulación, con el objetivo de evaluar el rendimiento del objeto arquitectónico a lo largo del proceso, desde la concepción hasta su vida útil. En este contexto, identificamos la presencia de nuevos conocimientos que deben ser apropiados por arquitectos y diseñadores, ya que estos son los principales involucrados en todo el proceso (concepción, diseño, construcción, evaluación de uso). En consecuencia, existe un problema didáctico para las escuelas de arquitectura, en el sentido de preparar a estos profesionales para trabajar en el mercado laboral de proyectos contemporáneos. Uno de los enfoques involucrados en tales procesos de diseño contemporáneo se relaciona con la complejidad geométrica de las formas propuestas, que se definen en base a un conjunto de enfoques. Estos pueden ser aquellos basados en el desarrollo tecnológico que permite integrar entornos digitales de representación gráfica y simulación para la búsqueda de formas y su optimización y, por otro lado, la exploración del funcionamiento de los sistemas naturales, sus procesos y la formación de sus geometrías, aplicadas por Gaudí, Fray Otto, Félix Candela, Heinz Isler y Luig Nervi en el pasado. La conexión entre las prácticas de diseño computacional y los fenómenos de la naturaleza surge como un enfoque potente de la arquitectura en el sentido de la economía de los materiales y la integración cualitativa con el entorno o lugar de inserción. Anteriormente, a través de una investigación doctoral, se constituyó una red de conceptos de las superficies complejas de la arquitectura contemporánea, y, en el presente estudio, el objetivo, a partir de un caso de arquitectura referencial, es promover una investigación didáctica, con el objetivo de construir referencias para la adopción de técnicas de modelado paramétrico y fabricación digital de tales superficies, como soporte para la acción de diseño.

Palabras clave: arquitectura contemporánea, geometría compleja, modelado paramétrico, superficies mínimas, enseñanza de arquitectura.

Abstract

Contemporary architecture is undergoing great transformational moments, especially concerning with the process design, the use of innovative construction materials and techniques, and simulation, which aim at evaluating the performance of the architectural object throughout the whole process: from conception to useful life. In this new context, we identify updated knowledge that needs to be appropriated by architects and designers, who are the main participants of the whole process (conception, design, construction, evaluation and use). Consequently, there is a didactic problem within the schools of architecture because they teach professionals to work for the labor market with contemporary projects. One of the approaches involved in the contemporary design processes is related to the geometric complexity of the proposed shapes, defined and based on a set of approaches. On the one hand, such approaches can be those which are based on technological development that allows integrating graphic representation and simulation for the digital environment with the purpose of the shape searching and its optimization and; on the other hand, the exploration of the natural system functioning, its process and the

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 64 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura...

geometrical formation, as the ones implemented by Gaudí, Friar Otto, Félix Candela, Heinz Isler and Luig Nervi. The connection between computational design practices and nature phenomena emerges as a potent approach for architecture regarding with material savings and its qualitative integration with the environment or insertion place. A network of concepts about the complex surfaces of contemporary architecture had previously been established thanks to a doctoral research. Considering that architecture referential case, the objective of the present study is to promote a didactic investigation on the use of complex surfaces in architecture, which aims at building up new references for both the adoption of parametric modeling techniques and such digital fabrication surfaces as a support for the action design.

Keywords: contemporary architecture, complex geometry, parametric modeling, minimal surfaces, architecture teaching.

Resumo A arquitetura contemporânea vive momentos de grandes transformações, relativas especialmente ao processo de projetar, ao emprego de materiais e técnicas de construção inovadoras e de simulação, visando avaliar o desempenho do objeto arquitetônico durante todo o processo, desde a concepção até a sua vida útil. Neste contexto, identificam-se a presença de novos saberes os quais necessitam serem apropriados pelos arquitetos e designers, desde que estes são os principais envolvidos em todo o processo (concepção, projeto, construção, avaliação de uso). Consequentemente, configura-se um problema didático para as escolas de arquitetura, no sentido de preparar tais profissionais para atuação no mercado de trabalho do projeto contemporâneo. Uma das abordagens envolvidas em tais processos de projeto contemporâneo relaciona-se com a complexidade geométrica das formas propostas, as quais são definidas com base em um conjunto de abordagens. Estas podem ser desde as que se fundamentam no desenvolvimento tecnológico que possibilita integrar ambientes digitais de representação gráfica e simulação para a busca da forma e a sua otimização e, por outro lado, na exploração do funcionamento dos sistemas naturais, seus processos e a formação de suas geometrias, tal como aplicado por Gaudì, Frei Otto, Félix Candela, Heinz Isler e Luig Nervi no passado. A conexão entre práticas de projeto computacional e fenômenos da natureza surge como uma abordagem potente na arquitetura, no sentido de economia de materiais e integração qualitativa com o ambiente ou o lugar de sua inserção. Anteriormente, por meio de uma pesquisa de doutorado, foi constituída uma rede de conceitos das superfícies complexas da arquitetura contemporânea, e, no estudo presente, objetiva-se, a partir de um caso de arquitetura referencial, promover uma investigação didática sobre o emprego de superfícies complexas na arquitetura, visando à construção de referenciais para a adoção de técnicas de modelagem paramétrica e fabricação digital, como suporte à ação projetual.

Palavras-chave: arquitetura contemporânea, geometria complexa, modelagem paramétrica, superfícies mínimas, ensino de arquitetura.

Introdução fundamentos arquitetônicos presentes em tais geometrias complexas, relativos aos seus elementos teóricos, as A arquitetura contemporânea vive momentos de gran- técnicas e tecnologias de representação gráfica (como a des transformações, relativas especialmente ao processo de modelagem paramétrica e a fabricação digital). No entanto, projetar, ao emprego de materiais e técnicas de construção tais conteúdos são muito pouco abordados nos contextos inovadoras e de simulação, visando avaliar o desempenho de ensino de arquitetura no Brasil. O conhecimento sobre do objeto arquitetônico durante todo o processo, desde a a geometria ainda é tratada de maneira restrita em aborda- concepção até a sua vida útil. Neste contexto, identificam- gens de seus aspectos representacionais advindos da geo- se a presença de novos saberes os quais necessitam serem metria descritiva, em que prevalece a aplicação do sistema apropriados pelos arquitetos e designers, desde que estes bi projetivo para o desenho. Identifica-se a necessidade de são os principais envolvidos em todo o processo de projeto um enfoque didático para a inserção destes novos conceitos e construção. na arquitetura, por sua característica interdisciplinar (geo- Consequentemente, configura-se um problema didático metria complexa, projeto, computação) e o qual possa ser para as escolas de arquitetura, no sentido de preparar tais integrado aos diferentes métodos adotados nas disciplinas profissionais para atuação no mercado de trabalho do de projeto e de representação. projeto contemporâneo. Tal problema passa pela cons- Uma das abordagens envolvidas em tais processos de cientização e conhecimento sobre as formas criadas em projeto contemporâneo relaciona-se com a complexidade tais processos projetuais, apontando para a inclusão nos geométrica das formas propostas, as quais são definidas currículos das faculdades de arquitetura de propostas com base em um conjunto de abordagens. Estas podem didáticas que possibilitem uma ampla interação entre os ser desde as que se fundamentam no desenvolvimento

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... 65 tecnológico que possibilita integrar ambientes digitais principais os quais forma a sua praxeologia (sua estrutura de representação gráfica e simulação para a busca da lógica): os problemas ou tarefas, as técnicas de resolução forma e a sua otimização e, por outro lado, na exploração das tarefas, as tecnologias que justificam, explicam e do funcionamento dos sistemas naturais, seus processos produzem as técnicas, e as teorias, que possuem o mesmo e a formação de suas geometrias, tal como aplicado por papel em relação às tecnologias, de explicação, justificação Gaudì, Frei Otto, Félix Candela, Heinz Isler e Luig Nervi e produção. Segundo o mesmo autor, ao se desenharem no passado [1] [2] [3]. A conexão entre práticas de projeto atividades didáticas, é importante que estas veiculem o computacional e fenômenos da natureza surge como uma saber em sua estrutura integral, sendo necessário para isto abordagem potente na arquitetura, no sentido de economia que os seus elementos estejam explicitados e selecionados de materiais e integração qualitativa com o ambiente ou o previamente. lugar de sua inserção. Segundo Scott Chase [8], pág. 662, uma análise visando No contexto em que este trabalho se insere, foi cons- à adoção de práticas didáticas nas escolas de arquitetura a tituída uma rede de conceitos das superfícies complexas partir do uso de ferramentas computacionais, passa pela da arquitetura contemporânea, a qual objetivou apoiar o questão chave da integração reconhecimento dos aspectos teóricos e tecnológicos para A integração é a palavra-chave para o desenvolvimento a representação gráfica digital de tais geometrias empre- de novos currículos do CAAD. Dada à pedagogia arquite- gadas na arquitetura [4]. Para o desenvolvimento de tal tônica tradicional, a implementação pode ser difícil. Um rede de conceitos, delimitou-se um processo de análise de dos principais objetivos é permitir que os alunos vejam saber, de acordo com os termos da Teoria Antropológica a relevância da computação para o processo de design e da Didática [5]. O pressuposto foi de que a explicitação assegurem que ela seja utilizada adequadamente deste ‘saber’ oferecia uma base de conceitos para subsidiar O autor se refere à abordagem tradicional da represen- processos de aprendizagem de modelagem paramétrica [6] tação e do desenho no ensino de arquitetura que pouco aplicada à geração de geometrias complexas da arquitetura investe na integração entre ferramentas computacionais e contemporânea. processo de projeto, no sentido de exploração destas para a No estudo presente, objetiva-se, a partir de um caso ação projetual em si. Nesse contexto, a adoção nos últimos de arquitetura referencial, configurada por uma superfície anos de iniciativas em projeto paramétrico veio desafiar os mínima [2] [7], promover uma investigação didática sobre docentes para a conscientização da necessidade de novas o emprego de superfícies complexas na arquitetura, visan- estratégiad didáticas, que possibilitem tal integração entre do à construção de referenciais para a adoção de técnicas vários campos de conhecimento. de modelagem paramétrica e fabricação digital, como Marc Aurel Schnabel [8] pontua que “a educação do suporte à ação projetual. A relevância deste estudo está em CAAD tem que estimular o interesse no projeto arquitetô- contribuir ao conhecimento sobre a aplicabilidade de tais nico e, mais importante, estabelecer um mecanismo para geometrias e ir além dos aspectos técnicos da representação controlar e melhorar a qualidade do projeto produzido com e usar a representação (modelagem) para conhecer aspectos a ajuda da mídia digital” (pág. 664). Modelos e escanea- funcionais e qualitativos de tais geometrias. mentos tridimensionais, ambientes virtuais e prrototipagem rápida são usados no atelier para auxiliar estudantes e Referenciais teóricos e metodológicos professores a explorar e estudar a criatividade arquitetônica de forma a permitir um envolvimento mais profundo em Preliminarmente, foi identificado que existem iniciati- questões de design. vas em universidades do exterior e do Brasil de aplicação Pode-se concluir que o autor se refere à manipulação das técnicas de modelagem paramétrica no ensino do pro- de modelos direcionada a predição e avaliação realizada jeto de arquitetura, geralmente utilizando métodos focados computacionalmente durante o processo de projeto, inte- em oficinas denominadas de workshops. Estes investem grada uma base teórica que o projetista precisa conhecer. predominantemente nos aspectos tecnológicos para a reso- Kvan [8], pág. 667, destaca, neste contexto, “o papel da lução de várias classes de problemas arquitetônicos, com arquitetura como conhecimento, em que os docentes pode- abordagem pouco abrangente sobre a interdependência riam ver a maneira de ensinar como recolha e manipulação entre as teorias e técnicas que suportam este conhecimento deste conhecimento”. [4]. Principalmente quanto à explicitação da relação entre Em todas estas abordagens pode se reconhecer a pre- estrutura geométrica e qualidades arquitetônicas das geo- ocupação de explicitar o elevado grau de complexidade metrias complexas, como conhecimento de projeto. Dessa que o projeto de arquitetura incorpora paralelamente com maneira, investe-se no reconhecimento dos elementos de a apropriação de tais tecnologias pelos estudantes. saber envolvidos em tais processos de ensino, nos termos Kvan et al.. [9] destacam que, em vez de um ensino da teoria didática de Chevallard [5], a partir de um mo- focado em um conjunto de técnicas de modelagem e de delo de análise que esta teoria disponibiliza. Este modelo renderização, deveriam ser aplicadas atividades estraté- identifica a presença, na ação humana, de 04 elementos gicas que demonstrem o impacto de tais técnicas para a

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 66 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... compreensão de como os projetos podem ser visualizados de suas escolhas e proposições projetuais, além do uso e processados para suportar o pensamento de projeto. adequado e não de modo gratuito da liberdade formal no Os mesmos autores também destacam que, se por um projeto de arquitetura. lado estas atividades aumentam a criatividade e a intuição Dessa maneira, o estudo refere-se às etapas de re- através de ambiguidades e abstrações, por outro lado, cap- conhecimento e explicitação das estruturas de saber que turam e controlam a complexidade, além de proporcionar envolvem a geometria complexa da arquitetura contem- precisão dimensional baseada em materiais físicos reais. porânea, a partir do estudo de casos referenciais, como Para os autores, no momento em que os estudantes os que empregam superfícies mínimas na arquitetura e a avançam para os níveis superiores de um programa de proposição de processos de modelagem paramétrica destas. projeto, sua capacidade de aproveitar essas técnicas pode Para este trabalho em particular, foram desenvolvidas as crescer em complexidade com a natureza dos problemas seguintes etapas: de design que emergem. Os autores exemplificam que uma 1. Seleção de uma obra de arquitetura com geometria maior sofisticação na modelagem e na análise geométrica de superfície mínima obtida por meios físicos. A obra pode acompanhar a resolução de problemas de projeto mais selecionada foi identificada nos estudos de Burry & Burry articulados e tectonicamente avançados no atelier de projeto. [11], os quais sistematizaram um conjunto de conceitos Outra questão a destacar negativamente é o não incentivo matemáticos extraídos de obras da arquitetura contemporâ- a exercitar habilidades de pensamento tridimensional da nea; geometria descritiva, e perceber os meios de projeto digital 2. Reconhecimento dos discursos que explicam a obra como dispositivos unicamente de representação. a partir de descrições da sua geometria. Nesta etapa, com o objetivo de reconhecer a obra em seus aspectos geomé- Materiais e métodos tricos e arquitetônicos, analisaram-se os discursos de Burry & Burry [11] que descrevem um conjunto de obras de O presente estudo tem um enfoque didático amparado arquitetura a partir dos conceitos matemáticos subjacentes nas teorias de Chevallard: a Teoria da Transposição Didáti- a suas geometrias. Estes autores apresentam tais conceitos ca [10] e a Teoria Antropológica da Didática [4]. Conforme articulando-os com os atributos arquitetônicos em termos já mencionado, este autor destaca os elementos de um formais e de desempenho, visando fundamentar tais saber que devem ser considerados em processos de ensino propriedades das formas geométricas das obras estudadas. e aprendizagem, com vistas a uma transposição didática de 3. Explicitação e ampliação dos conceitos reconhecidos tal saber. Tendo por base tais teorias, identificou-se que a nos estudos de Burry & Burry. Nesta etapa, com base na natureza descritiva da modelagem algorítmica, que exige Teoria Antropológica da Didática [4], buscou-se explicitar, reconhecer elementos teóricos, técnicos e tecnológicos, a partir de autores advindos da Matemática, da geometria pode potencializar a explicitação do saber da geometria descritiva e do campo da Física, as estruturas de saber en- complexa das estruturas regenerativas empregadas na volvidas em tais geometrias e nos conceitos apresentados arquitetura. O reconhecimento de processos de modelagem pelos autores anteriormente citados; paramétrica desenvolvida em linguagem de programação 4. Estruturação de processos de modelagem paramétrica visual por meio do plug-in Grasshopper junto ao software de tais superfícies, por meio da linguagem de programação Rhinoceros, ao integrar a linguagem algorítmica em uma visual, disponibilizada pelo plug-in Grasshopper junto ao abordagem descritiva e visual, pode ser considerado como software Rhinoceros. uma estratégia didática no ensino de arquitetura. 5. Estruturação de uma rede de conceitos que abarca A modelagem paramétrica introduz também maiores a estrutura integral do saber relacionado às superfícies possibilidades para a definição de geometrias complexas, mínimas empregadas na obra Main Station Stuttgart. a geração de instâncias de projeto e a avaliação destas Tal estrutura de saber envolve as teorias subjacentes às instâncias, por ser um processo de representação baseado superfícies mínimas (que possibilitam explica-las do ponto em um sistema que armazena todos os dados relacionados de vista tecnológico), as técnicas de modelagem de tais à geometria do objeto que está sendo criado e representa- superfícies e as tecnologias (que incorporam discursos do e permite fazer relações entre estes dados. A escolha racionais sobre as técnicas de modelagem empregadas, pela modelagem com linguagem de programação visual justificando-as e explicando-as). e descritiva também se justifica pelo fato de que ainda não se conta nos cursos de arquitetura com a inserção da Análise da estrutura de saber que envolve a geometria do linguagem pura de programação, exclusivamente por meio Main Station Stuttgart do uso de scripts. A finalidade do reconhecimento de uma estrutura inte- A obra selecionada para o estudo em questão é o Main gral do saber que envolve tais geometrias é dar subsídios Station Stuttgart, de Igenhoven Architects (Figura 1), aos próprios docentes para a estruturação de situações configurada por uma superfície mínima [5] obtida fisica- didáticas e aos estudantes para tornarem-se conscientes mente por meio de modelos em suspensão [2] [3]. Na obra,

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... 67 esta superfície foi utilizada com o objetivo de configurar espaços contínuos e, ao mesmo tempo, obter uma solução de otimização estrutural por intermédio do uso de uma casca de concreto no formato de um ‘cálice’ (modelo de referência do arquiteto alemão Frei Otto, 1966). Uma análise preliminar sobre a obra e a superfície empregada é dada em Burry & Burry [11], por meio de descrições textuais. Na sequência, é adotado o método de ampliação das estruturas de saber identificadas em tais descrições, a partir de autores específicos da matemática e engenharia. Logo, estruturam-se os processos de modelagem paramétrica da superfície e discute-se qual o potencial destes para o ensino de arquitetura. No enfoque da teoria didática adotada, o reconhecimen- to de estruturas de saber é uma etapa prévia a estruturação de situações e materiais didáticos, válida para qualquer contexto educativo, o que justifica o método adotado neste estudo.

A caracterização de uma obra de arquitetura com Figura 1: Main Station Stuttgart, projeto Ingenhoven Architects. superfície mínima Fonte das imagens: https://www.lafargeholcim-foundation.org/ projects/main-station-stuttgart-germany http://www.bahnprojekt- stuttgart-ulm.de/en/details/new-stations/stuttgart-main-station/archi- A construção da obra Main Station Stuttgart abrangerá tecture/ plataformas ferroviárias de 420 metros de comprimento e conectará as zonas urbanas de pedestres com o histórico car simultaneamente dois problemas: a economia estrutural parque Schlossgarten (Figura 1, à direita). Sua geometria e material; e a provisão de luz e ar para o enorme espaço estrutural (Figura 1, à esquerda) foi desenvolvida em subterrâneo, sem criar consumo de energia significativo ou estreita colaboração interdisciplinar entre o escritório de poluição de carbolno [11]. A dimensão do salão principal é arquitetura, engenheiros civis e em conjunto com Frei Otto. de 420 m x 80 m, podendo abrigar até 300 mil passageiros. A estrutura é uma casca contínua, formada por 28 orifícios, O tipo de superfície mínima da obra se forma em torno que proporcionam luz e ventilação natural na estação de de um orifício (denominado de ‘olho’), no qual existe um metrô. Além disso, o tipo de geometria da cobertura da fluxo suave de tensões de tração. A superfície mínima se estação é de carga altamente eficiente, atuando apenas conforma em uma unidade protótipa com o formato de um em compressão. Os aspectos de sustentabilidade também funil e cálice, que possui a função combinada de telhado, foram pensados no projeto da obra: é uma estação de suporte vertical e abertura para o céu [11]. energia zero, em que está previsto quase nenhum consumo de energia primária. Aquecimento, arrefecimento e A explicitação da estrutura de saber iluminação serão todos naturais. Para o arquiteto, neste projeto, o objetivo de traduzir a nova era no transporte A superfície mínima descrita no relato anterior é ferroviário em uma forma contemporânea foi alcançado conformada por meio de modelos deformáveis que são pelas qualidades de engenharia interdisciplinar e virtudes submetidos a forças de tensão e relaxamento, denominados de design [12]. de ‘modelos de catenária’. Tecnicamente, uma superfície mínima é aquela que possui valor de curvatura total oposta As descrições sobre a obra por autores que analisam igual à zero em todos os seus pontos [11], obtendo equilí- arquitetura brio estável [7]. Existem duas superfícies curvas tradicionais que tam- A proposta da nova estação integra o plano diretor de bém são mínimas: o helicoide e o catenoide (Figura 2), Stuttgart 21, sendo um edifício disposto a 90° da estação os primeiros exemplos, exceto o plano, encontrados pelos existente, orientado para novos tuneis ferroviários. O seu matemáticos, no século XVIII, logo após os primeiros estu- salão monumental seria construído abaixo do solo, para dos de Lagrange relacionados a problemas com superfícies que parte deste fosse utlizado pela população, com espaços mínimas, em 1760, mesmo ano em que Euler estabeleceu verdes [11]. o conceito de curvaturas [7]. O âmago do projeto é o emprego de uma superfície mí- O catenoide é gerado pela varredura de uma curva nima encontrada fisicamente, mas que também é descrita e catenária ao longo de um eixo e o helicoide é gerado pela compreendida matematicamente, com o propósito de abar- rotação e translação simultânea de uma linha [13], as duas

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 68 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... superfícies ilustradas a esquerda da Figura 2. Outros exem- A idealização de Hooke, em 1671, sobre arcos estáveis, plos descobertos matematicamente incluem as superfícies obtidos a partir da curva catenária, levou diretamente ao de Enneper, em 1864, e a recente superfície de Costa (à uso de modelos simples pendurados para projetar e cal- direita da Figura 2), em 1982, matemático brasileiro que, cular [15]. Isto pode ser exemplificado pelos arcos que os com seus estudos, veio a impulsionar, no século XX, o engenheiros ingleses do século XIX, notavelmente John avanço da teoria de superfícies mínimas [7]. Robison, construíram fazendo uso desta técnica; outro exemplo apontado pelo autor é o de modelos pendurados para dimensionar os contrafortes de uma igreja na Aleman- ha utilizados por Hübsch [15]. No final do século XIX e início do século XX, Gaudí utilizou este método para configurar seus arcos e estruturas funiculares, especialmente para as obras Colônia Güell e

Figura 2: Superfícies mínimas encontradas matematicamente, da Sagrada Família. Huerta (pág. 325) reitera que Gaudí, no esquerda para a direita: Catenoide, Helicoide, Superfície de Enneper e entanto, fez uso do conceito de arcos catenários de uma forma Superfície de Costa. totalmente original: no sentido de integrar o projeto estrutural Fonte das imagens: https://www2.le.ac.uk/departments/mathematics/extranet/staff-material/staff-profiles/kl96/stuff/lopez-ros- no processo de projeto arquitetônico [15]. Não se tratava de deformation-of-the-catenoid/view; http://www.daviddarling.info/ verificar a estabilidade de um determinado desenho, e sim encyclopedia/H/helicoid.html; http://www.indiana.edu/~minimal/maze/ enneper.html; http://www.eg-models.de/models/ de projetar desde o início usando formas estáveis. O autor ressalta que “Tanto quanto sabemos, é a primeira vez que essa Experimentos com bolhas de sabão, desenvolvidos por tentativa é feita e explorada a toda a sua capacidade” [15]. Plateau, no século XIX, inspiraram arquitetos do século Os modelos de suspensão (Figura 4), além de terem XX ao estudo com modelos físicos de superfícies mínimas, sido utilizados na arquitetura por Gaudi, no processo de denominados de ‘modelos de catenárias’ [11]. As catenárias design da Cripta de Colònia Güell associados a métodos são curvas que se configuram a partir de cabos ou hastes gráficos como ferramentas de design [3], também foram deformados sob a ação da gravidade, gerando uma forma usados no século XX por Frei Otto e sua equipe para (arco) que atua em pura compressão (Figura 3), da mesma encontrar a forma para o Mannheim gridshell e Heinz maneira que uma superfície mínima. Os modelos e estrutu- Isler, que desenhou suas conchas de concreto com base ras que se configuram a partir deste conceito são também em modelos de pano pendurado [16] [17]. denominados de ‘modelos ou estruturas funiculares’ [2] [3]. Conceitualmente, uma estrutura funicular pode ser definida como uma estrutura que pode alcançar o estado de equilíbrio adotando um mecanismo de forma “correta” (forma / geometria) correspondente às cargas aplicadas [14]. Essa forma “correta” é referida como a “geometria funicular”. A geometria funicular é, portanto, a geometria de uma estrutura funicular [14]. Perez e Garcia [2], citando trabalhos de Frei Otto com superfícies mínimas, referem-se às estruturas funiculares encontradas na natureza e entre estas destacam as conchas e tendas como princípios estruturais que são aplicados na arquitetura. Para estes autores, ambas são estruturas de forma ativa por terem a capacidade de carga por sua configuração espacial, trabalhando em regime axial.

Figura 4: Modelos funiculares empregados na arquitetura nos séculos XIX-XX: na linha superior, modelos de Gaudì para a Colonia Güell (à esquerda) e Sagrada Família (ao centro e à direita); na linha central, modelo de Frei Otto para o Mannheim Gridshell; e na linha inferior, modelos de pano de Heinz Isler. Fonte das imagens: https://www.quora. com/What-is-Funicular-geometry-What-is-its-significance-in-Structures- in-Architecture; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2214399815300011; Chilton e Chuang [17].

Para o projeto da estrutura da obra do Main Station

Figura 3: Arcos Catenários aplicados em pontes. Sttugart, Ingenhoven Architects desenvolveram um proces- Fonte: A. desenhado por Poleni 1748 in HUERTA (2006, pág. 325); B. so integrador, com muitos especialistas em planejamento Young 1807 in HUERTA (2006). e procedimentos. O principal objetivo construtivo era de

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... 69 minimizar a altura da estrutura do telhado enquanto seria alcançada uma maximização do espaço livre interno do hall da estação. Com este fim, foram incorporados os resultados dos trabalhos em curso desde o ano de 1963 no Institute for Lightweight Shell Structures (Institut für leichte Flächentragwerke da Universidade de Stuttgart), de Frei Otto, em que as membranas de películas de sabão foram utilizadas para desenvolver superfícies com uma distribuição completamente uniforme de tensões, confor- mando superfícies mínimas (Figura 5). Figura 6: Modelo funicular (de corrente de suspensão) proposto para o Ainda segundo os arquitetos da obra, em uma abor- Main Station Stuttgart. Fonte: http://architecturehabitat.blogspot.com.br/2010/10/final- dagem experimental, o módulo individual (em formato submission.html de olho e funil) juntamente com os suportes do funil e as paredes de calha foram desenvolvidos em modelos reais de O método proposto para representar e analisar a geo- corrente suspensa (Figura 6). metria de superfície mínima Em paralelo, houve um processo de busca de formas utilizando programas digitais com tecnologia CAD de superfícies Representação conceitual por curvas geratrizes e de área mínima e os resultados de ambos os modelos foram diretrizes e geração da superfície entre as curvas. comparados, para a configuração final do modelo de volume tridimensional do hall da estação. A geometria de dupla Visando compreender conceitualmente os elementos curvatura foi, ainda, otimizada e refinada a partir de cálculos geradores da superfície da obra, foi desenvolvido um baseados em elementos finitos1 (ROK OFFICE, http://www. modelo aproximado desta a partir da representação de rok-office.com/projects/0990-stuttgart-21-parametric-fem/). curvas e geração da superfície por varredura e interpolação Com esse fim, foram desenvolvidos algoritmos específicos das curvas. Para tanto, inicialmente buscaram-se imagens para gerar modelos complexos de elementos finitos para da cobertura da obra e informações relevantes, tais como: análise estrutural, os quais puderam ser implementados se havia alguma descrição explícita dos tipos de curvas em sotware CAD como ferramentas flexíveis, para gerar e envolvidas nesta geometria; e se havia alguma referência modificar modelos complexos de malha. a modelos digitais desenvolvidos para identificar os possí- veis processos de geração da superfície. Nesta busca de informações, ao procurar-se na Internet pelas palavras-chave ‘3D model Main Station’, encontrou- se a página que continha as informações e as imagens do modelo de Elementos Finitos desenvolvido pela empresa ROK. Tais imagens possuiam a vista superior do módulo básico que se repete ao longo da estrutura (hexagono marcado em cinza na parte inferior à esquerda da Figura 7). As imagens em perspectiva auxiliaram a compreender as curvas e o processo de geração da superfície e as apresentadas em Burry e Burry [11] e no site de Ingenhoven Architects possuíam as vistas ortográficas do projeto, sobre as quais foi possível mapear graficamente as curvas geratrizes (imagem com fundo preto na Figura 7).

Figura 5: - Modelos de superfície mínima e Modelo funicular de Frei Otto. Fonte: https://www.archdaily.com.br/br/763770/pritzker-2015-frei- otto-e-a-importancia-da-experimentacao-na-rquitetura?ad_ medium=widget&ad_name=navigation-prev; https://www.archdaily. com.br/br/763720/video-frei-otto-experimentando-com-bolhas-de- sabao; https://archpaper.com/2015/05/frei-otto-1925-2015/; http:// www.bmiaa.com/frei-otto-thinking-in-models-the-biggest-exhibition- ever-on-the-german-master/; https://parametricsemiology.wordpress. com/2013/10/17/grp_06-session_01/ Figura 7: Imagens do projeto da cobertura do Main Station Stuttgart. 1- O Método dos Elementos Finitos (MEF) (Finite Element Method - FEM) é um Fonte: ROK (http://www.rok-office.com/projects/0990-stuttgart-21-pa- procedimento numérico para determinar soluções aproximadas de problemas rametric-fem/) e Ingenhoven Architects (http://www.ingenhovenarchi- complexos, em que o domínio de um problema é subdividido em partes menores, tects.com/projects/more-projects/main-station-stuttgart/) denominadas de elementos finitos.

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A análise sobre as imagens em vista superior, vistas O algoritmo correspondente a superfície 1 e o processo ortográficas e perspectivas foi essencial para identificar e de modelagem paramétrica estão ilustrados na Figura delinear graficamente o módulo básico estrutural e as gera- 9, considerando-se 04 etapas de desenvolvimento: a trizes e diretrizes que geram as superfícies. Identificaram- representação da curva geratriz; a revolução da curva em se duas porções distintas de superfícies: uma superfície torno de um eixo que passa pelo centro da superfície; a uniforme (superfície 1), na qual é possível distinguir um representação do hexágono de limite superior; e a seção único tipo de curva geratriz em sua geometria, e uma da superfície pelo hexágono. superfície com dois tipos de curvas geratrizes (superfície 2), apoiadas em diretrizes circulares (Figura 8).

Figura 9: Algoritmo e modelagem paramétrica da superfície 1 do módulo básico da cobertura do Main Station Stuttgart. Fonte: Elaboração própria.

A superfície 2 é definida por duas geratrizes iguais loca- lizadas em simetria polar (rotação em torno do ponto central da superfície) e uma geratriz de configuração diferente, que se encontra na posição intermediária das geratrizes anteriores. As geratrizes extremas podem ser obtidas por extração das geratrizes que configuram a borda da superfí- Figura 8: Análise geométrica: identificação das geratrizes e diretrizes cie 1, sendo porções destas curvas. A geratriz intermediária da superfície do Main Station Stuttgart. Fonte: Elaboração própria a partir das imagens de ROK (http://www. pode ser obtida pelo desenho diretamente sobre a imagem rok-office.com/projects/0990-stuttgart-21-parametric-fem/) da obra e a leitura de seus pontos de controle no ambiente de modelagem paramétrica, com posterior representação A análise sobre imagens da obra, em vista superior e de uma curva livre interpolada por tais pontos. frontal, também teve o objetivo de identificar as circun- O algoritmo com as etapas de representação das ferências diretrizes da superfície (em vermelho), o ângulo curvas e a geração da superfície, assim como o processo definido nos arcos de circunferência sobre o qual ocorre de modelagem paramétrica estão ilustrados na Figura 10, o movimento circular das curvas geratrizes e as curvas considerando-se 6 etapas para o seu desenvolvimento. geratrizes (em amarelo e azul nas mesmas Figuras). As Para gerar a totalidade da estrutura foi aplicado um alturas dos arcos diretrizes ficam definidas pelos pontos processo compositivo por simetrias de translação do inicial e final das curvas geratrizes. módulo básico em x e y (Move) e por simetrias múltiplas A partir destas análises foi possível delimitar um em x e y dos módulos resultantes da primeira translação, algoritmo de modelagem paramétrica, para cada uma das as quais são representadas por meio de ‘matrizes lineares’ superfícies: A superfície 1 pode ser gerada pela varredura (Linear array). A composição final é obtida por aplicação de uma única curva sobre a diretriz circular (processo de de translações simultâneas em x e y dos dois módulos. revolução); e a superfície 2 gerada por duas geratrizes cur- A Figura 11 ilustra um esquema gráfico e a progra- vas apoiadas em uma diretriz circular (varredura de curvas mação visual destas etapas de modelagem paramétrica. interpoladas ao longo de um arco). Ambas as superfícies A Figura 12 apresenta as imagens do modelo para- são delimitadas por um contorno hexagonal (polígono métrico resultante, em vista superior e em perspectivas, de seis lados), o que pode ser obtido por seções sobre as com tomadas em aproximações do ponto de vista visando superfícies. facilitar a percepção da geometria do modelo final obtido.

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Figura 12: Modelo final paramétrico da cobertura do Main Station Stuttgart. Figura 10: Algoritmo das etapas de modelagem paramétrica da Fonte: Elaboração própria. superfície 2 da cobertura do Main Station Stuttgart e correspondente modelagem paramétrica. Fonte: Elaboração própria. A verificação das curvaturas da superfície pode ser feita com o componente de análise de curvatura disponível no ambiente de programação visual, para avaliar o comportamento que caracteriza uma superfície mínima, dado pela curvatura média (M) igual à zero em todos os pontos da superfície. Uma maneira mais intuitiva é avaliar a curvatura diretamente no software Rhinoceros, após exportar a geometria da programação para o ambiente deste software. Na Figura 13 é possível observar a presença de curvaturas variáveis e poucos pontos com curvatura média igual a zero absoluto, os quais ocorrem próximos à região planar da superfície. Isto se deve a não precisão do modelo digital em relação ao modelo real do Main Station Stutt- gart, o qual foi obtido por meio de experimentações físicas.

Figura 13: Análise de curvatura do modelo paramétrico da cobertura do Main Station Stuttgart. Fonte: Elaboração própria.

Explorações adicionais podem ser feitas como a defi- nição precisa das curvas geratrizes das superfícies 1 e 2. No entanto, tais explorações exigem um reconhecimento específico dos tipos de curvas que conformam tal super- fície. De outro modo, modelos obtidos a partir de simu- Figura 11: Algoritmo da etapa de modelagem paramétrica da simetria lações físicas, executadas empregando-se plug-ins que se de translação da cobertura do Main Station Stuttgart e das simetria integram à programação visual, podem auxiliar na análise, lineares para compor a totalidade da estrutura. Fonte: Elaboração própria. mapeamento e extração de tais curvas para um estudo mais

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 72 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... aprofundado e a representação fidedigna de tal superfície. na arquitetura. Na estrutura de conceitos proposta, estes Tais estudos não fazem parte do escopo deste trabalho, temas foram considerados como fundamentos geométricos mas experimentos nesta direção já estão em curso no da superfície em questão, porque as estruturas de saber que âmbito da pesquisa, com o propósito de avançar e ampliar foram explicitadas explicam como se dá o funcionamento os resultados obtidos até então. estrutural de tais modelos e a lógica de seu desempenho funcional na configuração de geometrias com caracterís- A estruturação do saber ticas de superfícies mínimas. Também foram inseridas estruturas de saber específicas sobre a teoria de superfícies A estrutura do conteúdo mínimas, porque estas estão relacionadas com a caracte- rização dos modelos funiculares em geral. A associação Com o propósito de sistematizar o saber envolvido em entre os conceitos também é importante de um ponto de tal superfície, a estrutura de saber relativa ao conteúdo vista geométrico, pela abordagem matemática relativa à foi organizada a partir dos conceitos mais gerais para os característica da curvatura destas superfícies. conceitos particulares, incluindo duas classes principais: Outra abordagem importante e que foi considerada geometria e modelagem paramétrica. (Figura 14). nesta ampliação de estruturas de saber para o ensino de Esta estrutura se organiza em torno da(s): descrições Arquitetura é da Arquitetura regenerativa, que possui as- apresentadas por Burry e Burry [11] para a obra e sua sociação direta com a proposição de modelos geométricos superfície geométrica; descrições dos mesmos autores voltados ao desempenho, imitando as funcionalidades dos para os conceitos de Superfície Mínima e Modelos de modelos da naturaza. Estruturas concebidas nesta aborda- Catenária; imagens da obra disponibilizadas pelo escritó- gem e complementadas com materiais e sistemas cons- rio do arquiteto e por Burry e Burry [11]; ampliação das trutivos que possibilitem obter uma relação de equilíbrio estruturas de saber a partir dos conceitos geométricos e da energético com o meio ambiente em que se inserem, têm arquitetura relacionados com a superfície da obra e a partir grande potencial para avançar em concepções regenerativas da modelagem paramétrica de tal superfície. Estes blocos na arquitetura. integram o primeiro nível da estrutura da rede de conceitos. Na caratcterização da geometria do modelo funicular da estação de trem estão incluídos elementos de saber que A ampliação das estruturas de saber para a didática em possibilitam compreendê-la de maneira mais explícita, de arquitetura modo a facilitar a modelagem paramétrica. Esta por sua vez se fundamenta na (o): análise da superfície, sua carac- A partir do método adotado, reconheceu-se o conceito terização quanto aos tipos de curvas geratrizes e diretrizes de ‘modelos de catenária’ e de ‘modelos funiculares’ e o e a identificação de seus parâmetros geométricos, sua histórico da evolução destes conceitos em sua aplicação descrição gráfica e o algoritmo de modelagem, e, por fim,

Figura 14: A estrutura da rede de conceitos da geometria e modelagem paramétrica da estação de trem de Stuttgart. Fonte: Elaboração própria.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... 73 delineamento de suas etapas. A rede completa de conceitos no contexto de formação em arquitetura. Dessa maneira, está disponível em (retirado para a revisão às cegas). a didática arquitetônica pode ser favorecida ao tratar de modelos geométricos funiculares que possuam processos Resultados e Discussão de geração conhecidos, em detrimento ao emprego de formas livremente obtidas com ausência de propriedades A geometria funicular reconhecida neste trabalho é no- de desempenho arquitetônico. tadamente utilizada na arquitetura em processos projetuais Haveria um ganho consideravelmente qualitativo pelas que buscam a otimização estrutural da forma a ser construí- propriedades funcionais particulares que estes modelos da como também para alcançar funcionalidades e estética. apresentam. A questão é que, no ensino de arquitetura, Os problemas de otimização, em uma perspectiva de design é dado muito mais interesse aos processos intuitivos de que integre estética e requisitos funcionais, pertencem a obtenção das formas do que ao estudo sobre a geometria uma área problemática, difícil e complexa [13]. O que que as define como conhecimento de projeto. pode estar relacionado com o fato de algumas geometrias Se por um lado, o estudo possibilitou compreender em complexas da arquitetura contemporânea ser desenvolvidas um nível mais profundo o tipo de superfície adotada na es- com um apelo exclusivamente formal e estético. tação de trem de Stuttgart, por outro lado, a sistematização Aliar a estética, a forma, o espaço e a função em uma de processos de modelagem paramétrica das geometrias as- proposição arquitetônica global e coerente foi o objetivo sociadas às estruturas naturais, exigiu identificar estruturas dos arquitetos do passado, citados anteriormente, e outros de saber relacionadas às teorias e técnicas que possibilitam tais como Frank Lloyd Wright, Louis Henri Sullivan e representar as geometrias de superfícies mínimas. As teo- Rudolf Steiner. As estratégias holísticas prosperaram nesse rias trouxeram novas estruturas de saber para uma maior sentido com inspiração tanto nas formas naturais como em compreensão de tais superfícies, principalmente no âmbito processos naturais [18]. Especialmente por meio das estru- da matemática e geometria, da representação gráfica digital turas de tração e das conchas finas de concreto armado Frei e do ensino de arquitetura. Otto e Felix Candela, extraíram conceitos de construção e Conforme mencionado no referencial teórico, a expli- de estrutura, inerentes aos princípios naturais e biológicos. citação de tais estruturas de saber é essencial para funda- Os modelos experimentais baseados no funcionamento mentar o desenho de situações didáticas para arquitetura das estruturas da natureza (modelos funiculares ou de com foco na geometria complexa e em sua modelagem superfícies mínimas) de Gaudi e Frei Otto trouxeram paramétrica. Além disso, possibilitam aos estudantes terem novos desenvolvimentos para arquitetura, influenciando uma maior compreensão dos processos de geração de tais arquitetos do presente e oferecendo possibilidades futu- geometrias e das ações projetuais dos arquitetos que as ras. A arquitetura contemporânea apresenta exemplos do propõem em seus edifícios, vindo a refletir sobre seus emprego destes modelos, principalmente quando o foco é próprios processos projetuais de maneira consciente. a ‘arquitetura regenerativa’ [19]. O reconhecimento de tais estruturas de saber apontou Identifica-se desta maneira, a necessidade de, no con- também a necessidade de detalhar em um nível mais pro- texto educativo de arquitetura, tratar da relação entre forma fundo algumas caracterizações apresentadas pelos autores e estrutura a partir do conhecimento e experimentação com de referência. Principalmente quanto aos tipos de curvas modelos funiculares desenvolvidos ao longo da história, diretrizes e geratrizes de tais superfícies e os processos também denominados de ‘modelos de construção’. compositivos que estas possuem. Embora as representações D’Arcy Thompson foi o primeiro a desenvolver pesqui- propostas não abordem saberes mais específicos do cálculo sas na área denominada de morfologia estrutural, definida matemático e da física, os quais envolveriam álgebra, como o estudo da forma em relação às vias de forças que funções ou descrição paramétrica de curvas, e a lógica de transitam nos elementos estruturais, os quais materializam programação, a explicitação geométrica de tais superfícies o fluxo de forças [20]. A forma, assim vista como conse- trouxe o reconhecimento de seus entes geométricos ele- quência de deformações físicas, definida por leis e forças mentares. naturais, como tensão superfícial ou gravidade, princípio que é ainda hoje aplicado pelos arquitetos. O modelo de Conclusão forma/forças pode ser entendido como ‘modelos renova- dos de conhecimento’ e do processo de design, em nível A partir do estudo desenvolvido, foi possível com- cognitivo e operacional, os quais evoluíram para modelos preender que o conhecimento sobre superfícies mínimas, construtivos e experimentais [18]. especialmente as configuradas por modelos físicos, iden- A compreensão da arquitetura contemporânea sob o tificadas como recorrentes em exemplares da arquitetura aspecto morfológico pode trazer uma reconciliação entre contemporânea, configura-se uma estratégia didática im- a forma e estrutura, a construtibilidade, modelos cogni- portante para o ensino de projeto atual. Isto se deve a estas tivos, operacionais e experimentais, além de conceitos estarem estritamente relacionadas ao funcionamento das geométricos e arquitetônicos importantes de serem tratados estruturas encontradas na natureza, permitindo aprender so-

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 74 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... bre a morfologia ótima, a integração funcional e eficiência, Referências atributos relacionados com a sua geometria [18]. Pottmann et al. [13] destaca que a realização de uma 1. Bill, A. Edificação: 3000 Anos de Projeto, Engenharia e ideia de design de forma ótima é uma tarefa difícil e com- Construção. Porto Alegre: Bookman, 2009. Tradução plexa, principalmente por sua formulação matemática e de Alexandre Salvaterra. algorítmica, ainda mais tendo que levar em conta requisitos 2. Perez-Garcia, A.; Gómez-Martínez, F. Natural structures: stra- funcionais. O autor reitera que as abordagens centrada em tegies for geometric and morphological optimization. curvas, superfícies e malhas muito bem conhecidas podem Proceedings of the International Association for Shell ser tomadas como possíveis soluções de problemas de and Spatial Structures (IASS) Symposium 2009, Va- otimização, os quais são associados diretamente às super- lencia Evolution and Trends in Design, Analysis and fícies mínimas, merecendo atenção, de uma perspectiva Construction of Shell and Spatial Structures 28 Sept- arquitetônica. Além da abordagem de curvas e superfícies, ember – 2 October 2009, Universidad Politecnica de os modelos físicos que conformam superfícies mínimas ao Valencia, Spain. Alberto DOMINGO and Carlos LA- serem estudados nesta perspectiva integrados a simulações ZARO (eds.) digitais paramétricas por atuação de forças, permitem tratar 3. Rippmann, M. Block, P. Funicular Shell Design Exploration. com a relação entre forma e estrutura. Acadia 2013, Adaptive Architecture. 2013. Como pesquisa futura e que se encontra em desenvol- 4. Retirado para a revisão às cegas. vimento no presente momento é ampliar o desenho de 5. Chevallard, Y. El Análisis de las Prácticas Docentes en la situações didáticas para além dos modelos aproximados Teoría Antropológica de Lo Didáctico. Recherches en de superfícies mínimas, buscando-se representar tais Didactique de Mathématiques, Grenoble, Vol. 19, nº 2, geometrias por meio de modelos geométricos fidedignos pp. 221-266, 1999. (Traducción de Ricardo Barroso, integrados à construção de modelos físicos em suspensão. Universidad de Sevilla). Disponível em: ensino do curso de Arquitetura e Urbanismo, na Univer- 6. Woodbury, R. Elements of Parametric Design. London: sidade (retirado para não identificação), e posteriormente Routledge, 2010. avaliadas quando aos objetivos didáticos traçados. 7. Carmo, M. P. Superfícies Mínimas. Rio de Janeiro: Ins- A modelagem geométrica dos modelos em suspensão tituto de Matemática Pura e Aplicada – IMPA, 1987. está sendo obtida por meio de simulações digitais que 8. Mark, E. Martens, B. Oxman, R. Preliminary stages of CAAD integram os tipos de forças físicas a que tais superfícies education. Automation in Construction 12 (2003) 661– ficam submetidas e as propriedades do material. As etapas 670662. de simulação digital destas condições e de conformação 9. Kvan, T. Mark, E. Oxman. R. Martens, B. Ditching the Dino- do modelo geométrico da obra Main Station Stuttgart (que saur: Redefining the Role of Digital Media in Educa- utiliza um modelo de corrente suspensa de Frei Otto) já tion. Disponível em: http://www-2016.arch.virginia. estão concluídas, sendo que a próxima etapa da pesquisa é edu/arch541/dinosaur.html Acesso em: dezembro 2016. a de estruturar e aplicar as atividades didáticas que visam 10. Chevallard, Y. La Transposición didáctica. Del saber tal integração entre simulação e construção física, aplicadas sabio al saber enseñado. Buenos Aires: Aique Grupo ao projeto de arquitetura. Editor, 2013. 3ª ed. 4ª reimp. Título original: La trans- Em relação aos aspectos didáticos, visando à inserção position didactique. Du savoir savant au savoir enseig- no ensino de arquitetura, considera-se que a explicitação né. Grenoble: Pensée Sauvage, 2ème édition, 1991. das teorias e técnicas de modelagem paramétrica de tais 11. Burry. J. Burry, M. The New Mathematics of Architecture. geometrias provém uma base teórica e tecnológica de London: ed. Thames e Hudson, 2010. fundamentos para a concepção da arquitetura direcionada 12. Main Station Stuttgart: Global project posters 2006. Disponí- as abordagens contemporâneas de design. vel em : https://src.lafargeholcim-foundation.org/dnl/ c8b222e5-9274-4e06-93d9-bf4a8e8dbd43/EU05_ Agradecimentos OVGGG.pdf Acesso em: abril 2018. 13. Pottmann, H. Asperl, A. Hofer, M. Kilian, A. Architectural Geo- Agradecemos a Universidade [retirado para revisão metry. Exton, Pennsylvania: Bentley Institute Press, 1ª às cegas] pela oportunidade de desenvolver esta pesquisa ed., 2007. em nível de doutoramento e ao CNPQ por apoiar o des- 14. Kanaiya, M. What is Funicular geometry? What is its sig- envolvimento da rede [retirado para revisão as cegas], a nificance in Structures in Architecture? Uses geometry qual oportunizou a disponibilização da rede de conceitos in architecture. 2013. Disponível em:

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Janice de Freitas Pires: Un enfoque didáctico para la enseñanza de la geometría de la arquitectura... 75

15. Huerta, S. Structural Design in the Work of Gaudi. Ar- University of Massachusetts – Amherst. 2009. 68 p. chitectural Science Review. Volume 49.4, pp 324 - 339, Disponível em: Aces- 16. Chilton, J. The Engineer’s Contribution to Contemporary so em: abril 2015. Architecture: Heinz Isler. London: Thomas Telford 20. Bertol, D. Form Geometry Structure: from nature to Press, 2000. design. Exton, Pennsylvania: Bentley Institute Press, 17. Chilton, J. Chung, C. C. Rooted in Nature: Aesthetics, Geo- 2011. metry and Structure in the Shells of Heinz Isler. Nexus Network Journal, v. 19, issue 3, pp. 763-785, 2017. 18. Stals, A.; Elsen, C.; Jancart, S.; Delvaux, F. Challenges in Tea- ching Architectural Morphogenesis. Learning x Design – The 3rd International Conference for Design Educa- tion Researchers. 2015. 19. Littman, J. A. Regenerative Architecture: A Pathway Beyond Sustainability. Dissertação de Mestrado.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 76 Liliana Celaya et al.: Glicósidos de esteviol y otros en infusiones de Stevia rebaudiana

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 76–84 Glicósidos de esteviol y compuestos fenólicos en infusiones de Stevia rebaudiana dependiendo de la variedad

Steviol glycosides and phenolic compounds in Stevia rebaudiana infusions and depending on the variety

Liliana Celaya1,*, Darío Taiariol2, Silvia Valle3, Nicolás Kolb Koslobsky1

1- CONICET-UNaM, Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales, Universidad Nacional de Misiones, Posadas, Argentina. 2- Estación Experimental Agropecuaria INTA Bella Vista, Bella Vista, Corrientes, Argentina. 3- Finca Experimental La Posta perteneciente a LATSER S.A. - Cámara del Tabaco de Jujuy. *E- mail: [email protected] Recibido el 10 de septiembre de 2019, Aprobado el 14 de enero de 2020. Resumen

El objetivo de este estudio fue caracterizar infusiones de tres variedades de Stevia rebaudiana (stevia) cultivadas en Argentina determinando la recuperación de sólidos totales, de glicósidos de esteviol y de compuestos fenólicos antioxidantes. La recuperación de sólidos totales en las infusiones estuvo entre 45-63% de las hojas mientras que la recuperación de glicósidos de esteviol estuvo entre 13-17%. Por otro lado los compuestos fenólicos recuperados estuvieron entre 2-8% de las hojas. Las infusiones de hojas de las tres variedades de stevia presentan elevados

contenidos de compuestos fenólicos y actividad antiradicalaria elevada frente a DPPH• (IC50= 18,6-27,7 µg/ mL). En las infusiones de stevia se determinó la existencia de correlación elevada entre glicósidos de esteviol totales y sólidos totales, entre Rebaudiósido A y compuestos fenólicos totales, entre Esteviósido y taninos totales cuantificados. En cuanto al poder edulcorante, son necesarios de 0,2–0,6 g de hojas de stevia para endulzar una infusión (dependiendo de la variedad). En general, infusiones de stevia con mayores contenidos de glicósidos de esteviol totales proporcionan mayores contenidos de compuestos fenólicos antioxidantes.

Palabras clave: Stevia rebaudiana; Infusión; Glicósidos de esteviol; Compuestos fenólicos.

Abstract

The aim of this study was to characterize three Stevia rebaudiana (stevia) infusions that grow in Argentina in order to determine the overall solids recovery, steviol glycosides and phenolic compounds with antiradical activity. That total infusion retrievals on dry leaves varied from 45 to 53%. The steviol glycosides recovery was between 13 and 17% while the phenolic compounds were around 2 to 8%. The three varieties of stevia infusions show high contents of phenolic compounds and strong scavenging activity against DPPH• (IC50= 18.6-27.7 µg/mL). High correlations were found in the stevia infusions between steviol glycosides and total solids, Rebaudióside A and total phenolic compounds and between Stevioside and tannin contents. Respect to the stevia sweetness potency and variety, 0.2-0.6 g of leaves, are necessary to sweeten a cup of the infusion. In general, stevia infusions with higher steviol glycosides provide more antiradical phenolic compounds.

Keywords: Stevia rebaudiana; Infusion; Steviol glycosides; Phenolic compounds.

Introducción de stevia están aprobadas para ser utilizadas como alimento en diversos países incluyendo Argentina [3]. Stevia rebaudiana Bertoni (stevia), es una hierba origi- Hasta la actualidad, se han identificado más de 30 SGs naria de Paraguay, actualmente cultivada en diversos países en S. rebaudiana [2-6]. Las hojas de la planta contienen en alrededor del mundo. El mayor valor de esta planta está en total, de 4 a 20% de SGs totales (expresados en base seca). los fitoquímicos dulces que se extraen de sus hojas, llamados Esteviósido (Stv), Rebaudiósido A (RbA) y Rebaudiósido glicósidos de steviol (o steviol glicósidos), SGs [1]. Los SGs C (RbC) son los SGs de mayor presencia en stevia. de stevia han sido aprobados por el Comité Mixto de Expertos En las últimas décadas se han desarrollado variedades en Aditivos Alimentarios de la FAO/OMS [2], en el año 2008 mejoradas de stevia con enfoque en la cantidad y calidad para ser utilizados como aditivos y se emplean actualmente de los SGs presentes en las hojas [5, 7-9]. En general, las como edulcorantes en todo el mundo. Por su parte las hojas variedades mejoradas contienen concentraciones de SGs

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Liliana Celaya et al.: Glicósidos de esteviol y otros en infusiones de Stevia rebaudiana 77 totales elevadas y relaciones RbA/Stv altas. Con relaciones Materiales y Métodos RbA/Stv altas se reducen retrogustos indeseables en extractos de stevia [1, 10]. Además de RbA, otros SGs deseables Reactivos y Solventes en hojas y extractos son RbC y Rebaudiósido D. RbC ha sido reportado como resaltador del sabor dulce en mezclas Los reactivos y solventes utilizados se obtuvieron de SGs utilizadas como edulcorantes [11]. Rebaudiósido de varios proveedores: el etanol fue Cicarelli (Reagents D por su parte, con sabor dulce más puro en comparación S.A., San Lorenzo, Argentina). El ácido acético, agua, con otros SGs y en comparación con sacarosa, se encuentra acetonitrilo y etanol grado HPLC fueron de Merck presente en hojas de stevia en porcentajes muy bajos hasta (Darmstadt, Alemania). El AG (ácido gálico) y DPPH• la actualidad [12]. (2,2-difenil-1-picrilhidrazilo) de Sigma–Aldrich (Stein-

Además de los SGs, otros fitoquímicos presentes en ho- heim, Alemania); NaHCO3, BHT (butilhidroxitolueno), jas de stevia, son monosacáridos y fibra cruda, compuestos PVPP (polivinilpolipirrolidona) y Folin–Ciocalteu fueron fenólicos, fitoesteroles y triterpenos, proteínas, minerales, Anedra (Tigre, Argentina). Los estándares de Stv (98,5%), clorofila, resinas, ácidos orgánicos, ácidos grasos y aceite RbA (99,5%) y RbC (99,5%) fueron obtenidos dentro del esencial [5,13-14]. Particularmente, en el caso de las hojas Proyecto 16Q624 y chequeados con solución estándar de de stevia es frecuente realizar la cuantificación de las glicósidos de steviol calidad USP de Sigma–Aldrich (Ste- sustancias solubles en agua, de los carbohidratos totales inheim, Alemania). El agua utilizada fue agua bidestilada (°Brix) o bien de los sólidos totales (o extracto seco) para y deionizada. completar la caracterización de las hojas o de sus extractos acuosos [17-21]. Estas determinaciones proporcionan una Material Vegetal primera aproximación del contenido de SGs en stevia [21-23]. Se utilizaron hojas de stevia de tres cultivares experi- Además de los edulcorantes presentes en las hojas de mentales. La elección de estos cultivares se basó en que stevia, estas contienen compuestos fenólicos con elevada corresponden a las variedades de stevia que se entregan actividad antioxidante [6, 24-25]. Sobre este hecho se basa a los productores agrícolas en cada región; además, las el interés creciente en el uso de hojas o extractos en com- condiciones de cultivo utilizadas en cada caso son las que paración con los SGs purificados de stevia. Los flavonoides más se asemejan a las utilizadas por los productores en identificados previamente en stevia incluyen quercetina, cada región. Stevia SK (variedad mejorada 16Q511-K-C1) kaeferol, apigenina, luteolina y sus derivados glicosilados fue de un cultivo del Proyecto UNaM-16Q511 (Posadas, [6, 26-27]; entre los ácidos fenólicos se identificaron ácidos Misiones). Stevia SE fue del cultivar E-L8, Estación Ex- clorogénicos, ácido p-cumárico, ácido rosmarínico, ácido perimental Bella Vista (Bella Vista, Corrientes). Stevia SC ferúlico, ácido caféico y diversos derivados glicosilados fue de un cultivo experimental de “La Posta”, Cooperativa de los mismos. de Tabacaleros de Jujuy (Perico, Jujuy). Las muestras re- En relación al contenido de compuestos fenólicos de presentativas para este estudio fueron cosechadas en enero hojas o extractos de stevia existen reportado en la literatura de 2017 (cosecha de verano) de poblaciones homogéneas científica muy diversos trabajos [7], estos incluyen el perfil de 1,0 ha (cultivar SK), 0,5 ha (cultivar SE) y 0,5 ha de compuestos fenólicos, los contenidos de compuestos (cultivar SC). La fenología de la planta en el momento de fenólicos totales y la actividad antioxidante. Otros estu- la cosecha fue a inicios de la floración, coincidente con dios han establecido correlaciones entre los perfiles de los contenidos máximos de SGs y con los porcentajes más compuestos fenólicos y determinados SGs en extractos de altos de RbA en las hojas [8, 21, 23, 32]. stevia [25, 28, 29]. Estos estudios han sido realizados en Las muestras cosechadas se secaron al sol por 4-5 días, variedades o cultivares específicos de stevia, al igual que separando las hojas que se molieron hasta un tamaño de las investigaciones anteriores realizadas sobre infusiones 20 mesh y se guardaron en freezer hasta su procesamiento de hojas de la planta [18, 30, 31]. Poco se conoce sobre analítico. las relaciones que existen entre los contenidos de com- El contenido de humedad se determinó conjuntamente puestos fenólicos antioxidantes, los contenidos de SGs y con los ensayos, secando muestras representativas (2-3 g, los contenidos de sólidos totales en infusiones de stevia de 102±2° C), hasta peso constante. El control utilizado fue té variedades cultivadas en Argentina. negro “Amanda” (Posadas, Argentina), sometido al mismo El objetivo del presente estudio fue determinar la recu- procesamiento analítico que las hojas de stevia. peración de sólidos totales (STE), de SGs totales (SGT), de compuestos fenólicos antioxidantes (FT) y de taninos Preparación de infusiones y caracterización totales (TT) en infusiones de stevia de variedades cultivadas en Argentina. Se establecieron además las relaciones Las infusiones se prepararon siguiendo la metodología existentes entre STE, FT, TT y SGs, dependiendo de la descripta por Rao y colaboradores [31], con mínimas modi- variedad. ficaciones. Diferentes pesos de hojas de stevia (0,2 a 2,0 g)

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 78 Liliana Celaya et al.: Glicósidos de esteviol y otros en infusiones de Stevia rebaudiana se pusieron en contacto con 200 mL de agua a temperatura Azrul y colaboradores en 2014 [34], con mínimas modifi- de ebullición por 5 min. Para preparar las infusiones de té caciones. Previamente se preparó una solución de PVPP en negro se utilizaron 2,0 g de té negro en 200 mL de agua a agua al 10%; 500 µL de esta solución se agregaron a 1000 ebullición (5 min). Las infusiones se realizaron por triplica- µL de la mezcla de reacción FT. El set de tubos se agitó do. Las infusiones resultantes se filtraron y se mantuvieron con vortex por 2 min y luego se mantuvo en la oscuridad en la oscuridad (4-5° C) hasta su procesamiento analítico. (4-5° C) por 15 min. Los tubos se agitaron con vortex Los contenidos de sólidos totales (STE) en las infusio- nuevamente y se centrifugaron (2000 rpm por 10 min). nes de determinaron secando 10 mL de cada infusión (en La absorbancia a 750 nm, se midió en el sobrenadante en platillo de acero previamente pesado) a 102±2° C, hasta cada caso. Los valores de TT se calcularon por diferencia peso constante. Los resultados obtenidos se expresaron restando los valores de absorbancia de FT [34]. Las mis- como concentración (mg STE por infusión, 200 mL) y mas determinaciones se repitieron en el té negro utilizado recuperación (% de sólidos recuperados a partir de 100 g como control. de hojas secas). Actividad antioxidante de las infusiones Cuantificación de SGs en hojas en las infusiones Para determinar la actividad antioxidante in vitro se El contenido de SGs en hojas e infusiones de analizó utilizaron las infusiones obtenidas con 2 g de hojas en 200 por cromatografía líquida de alta performance, HPLC si- mL de agua. Estas infusiones se diluyeron a 2 mg/mL para guiendo la metodología propuesta por Kolb y colaborado- determinar la actividad antiradicalaria frente a DPPH• [35]; res [8]. Para la cuantificación de SGs en las infusiones, se 50 µL de diluciones convenientes de infusiones (50 a 2000 mezclaron partes iguales de infusión y etanol, se centrifugó µg/mL), se mezclaron con 1000 µL de solución de DPPH• por 5 min y el sobrenadante se utilizó para el análisis. Los (0,31 mM) en metanol dejando la mezcla reaccionar por 30 análisis HPLC se realizaron en un cromatógrafo LC-20A min en la oscuridad, midiendo la absorbancia de la mezcla (Shimadzu Corporation, Kyoto, Japón). Las condiciones reaccionante a 515 nm. La concentración de infusión que de operación fueron: columna Agilent Zorbax NH2 (25,0 reduce DPPH• a la mitad, IC50 (µg/mL) se calculó por × 0,46 cm; 5 µm) trabajando a temperatura ambiente; regresión a partir de los datos obtenidos de porcentajes detector UV a 210 nm; fase móvil acetonitrilo: agua 80:20 de inhibición. BHT y té negro se ensayaron también y (v/v) y pH 5. El volumen de inyección fue de 5 µL. Para la los resultados obtenidos se utilizaron para propósitos de calibración, se utilizaron soluciones de estándares entre los comparación. 0,2–1,0 g/L (Stv, RbA, RbC) en etanol: agua 70:30 (p/p). Los resultados se expresaron como concentración (mg Análisis estadístico SG por infusión, 200mL), rendimiento (% de SGs presentes extraídos), recuperación (% de SGs recuperados a partir Todos los datos se obtuvieron por triplicado y los de 100 g de hojas secas). resultados se expresaron como valor medio ± desviación estándar. El análisis estadístico de los datos se realizó Determinación de compuesto fenólicos totales en las utilizando el software Statgraphic Centurion 15. Las infusiones relaciones entre las variables respuesta analizadas se procesaron computando los coeficientes lineales de correlación El contenido total de compuestos fenólicos (FT) se de Pearson para p-valor < 0,05 (NC = 95%). Se obtuvieron determinó con el reactivo Folin–Ciocaulteau [33], mez- ecuaciones que relacionan las variables medidas SGT y con clando 25 µL de infusión con 25 µL de Folin–Ciocaulteau la cantidad de hojas utilizada en la infusión (R2 ≥ 95%). y 950 µL de NaHCO3 (0,15%). Las mezclas de reacción se mantuvieron en la oscuridad por 60 min y luego se midió la Resultados y Discusión absorbancia a 750 nm. Los resultados de FT se determinaron utilizando una curva de calibración realizada con AG Recuperación de SGs en las infusiones en diferentes concentraciones. Los valores de FT obtenidos se expresaron como concentración en mg de ácido gálico Los contenidos de SGs de las hojas de las tres varie- equivalente en la infusión (mg AGE /infusión, 200 mL) dades de stevia cultivadas en Argentina y estudiadas aquí, y recuperación (% AGE recuperados a partir de 100 g de se presentan en la Tabla 1. La época de cosecha elegida hojas secas). proporciona los contenidos de SGs más elevados y también la relación RbA/Stv más alta para las variedades conside- Contenido de taninos totales en las infusiones radas [23, 25]. Cada variedad presenta un perfil de SGs diferente y característico. Los contenidos de taninos totales (TT) se cuantificaron Los contenidos de SGs de las infusiones dependiendo en las muestras siguiendo la metodología propuesta por de la variedad y de la cantidad de hojas utilizada en la

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Liliana Celaya et al.: Glicósidos de esteviol y otros en infusiones de Stevia rebaudiana 79 infusión se presentan en la Tabla 2. Las variedades de anteriormente por otros autores en condiciones similares a stevia con mayor relación RbA/Stv presentan en general la infusión de stevia estudiada aquí [7, 28]. reducción de retrogusto persistente en infusiones de stevia Los valores significativamente diferentes en la misma [1, 10]; esto se debe a la reducción del contenido de Stv columna (Prueba de ANOVA y prueba de Tukey) presentan en las hojas. La relación RbA/Stv en las infusiones fue de diferentes superíndices (p-valor < 0,05). x SGT: suma de 0,6 para SC, de 1,1 para SE y 3,4 – 3,6 para SK (Tabla 2). los glicósidos de steviol cuantificados. y % basado en 10 Para SK la relación RbA/Stv aumento continuamente con gramos de hojas secas. el aumento de la cantidad de hojas utilizada en la infusión (p-valor ˂0,05). Recuperación de sólidos totales

Tabla 1: Contenido de SGs cuantificados en hojas de las variedades Los STE comprenden todas las sustancias orgánicas SC, SE y SK e inorgánicas solubilizadas y en suspensión, recuperadas SG (%) a Contenido de Relación Variedad de las hojas de stevia y presentes en las infusiones [21]. Stv RbA RbC SGT b humedad RbA/Stv (%) Los contenidos de STE caracterizados en las infusiones

SC 7,6±0,3 4,4±0,1 0,7±0,1 13,2±0,2 6,4±0,2 0,6 realizadas con diferentes pesos de hojas por infusión, se

SE 7,4±0,2 7,8±0,3 1,1±0,2 16,1±0,3 7,6±0,3 1,1 presentan en la Tabla 3. La recuperación de sólidos totales

SK 3,5±0,2 11,7±0,3 1,3±0,1 16,6±0,3 6,8±0,2 3,5 depende de la variedad y del contenido de SGs en las hojas a %, porcentaje de glicósidos de steviol en las hojas (en base (p-valor˂0,05). La recuperación de STE resultó mayor a seca); b SGT, suma de los SGs cuantificados 59% (en base seca) en las infusiones de stevia de la variedad SK; para SE la recuperación de STE estuvo entre En la Tabla 2 se presenta la recuperación de SGs a partir 45,5 y 62,7% (Tabla 3); en el caso de SC la recuperación de las hojas. La recuperación de glicósidos de steviol tota- de sólidos resultó menor (45,5–58,3%). En general los les cuantificados (SGT) estuvo entre 13,1-13,3% en stevia resultados obtenidos son consistentes con los determinados SC, entre 16,8-17,4% en stevia SE y entre 16,5-16,7% en estudios anteriores (Tabla 3). en stevia SK. Resultados comparables fueron obtenidos

Tabla 2: Concentración de SGs (mg SG por infusión, 200 mL), rendimiento (% extraído) y recuperación (% de SGs recuperados a partir de 100 g de hojas secas)

Concentración (mg SG/ infusión) Recuperación Varie- g por infusión Rendimiento Relación (% en base dad (200 mL) x (% SGT) RbA/Stv Stv RbA RbC SGT seca) y

SC 0,2 14,8±0,5 8,7±0,2 1,4± 0,1 24,9±0,3 99,5±0,7abcd 13,3±0,2f 0,6±0,0

0,4 29,3± 0,8 17,3±0,6 2,5± 0,1 49,2±0,1 98,7±0,2bcd 13,1 ±0,1f 0,6±0,0

0,8 58,0±1,8 34,6±1,2 5,8± 0,3 98,4±0,8 98,7±0,9bcd 13,1±0,1f 0,6±0,0

1,2 89,0±1,4 52,2±0,5 8,4± 0,3 149,7±2,1 100,1±1,4a 13,3±0,2f 0,6±0,0

1,6 115,8±2,4 69,6±0,9 11,1±0,1 196,5±1,7 98,6±0,8cd 13,1±0,2f 0,6±0,0

2,0 148,5±0,2 87,1±0,6 14,2±0,5 249,8±4,8 99,4±0,5abcd 13,3±0,2f 0,6±0,0

SE 0,2 14,1±0,2 16,0±0,1 1,9±0,0 32,0±0,2 100,0±0,3a 17,4±0,2a 1,1±0,0

0,4 28,3±0,2 29,6±1,3 3,9±0,1 61,7±1,5 98,6±1,3cd 16,8±0,2cd 1,0±0,0

0,8 56,3±0,3 60,9±1,4 7,6±0,2 124,7±1,7 99,8±0,3abc 16,9±0,2bc 1,1±0,0

1,2 85,1± 2,0 90,5±1,1 11,5±0,5 187,1±2,6 100,0±0,1a 17,0±0,2bc 1,1±0,0

1,6 114,8±1,1 121,6±1,2 16,1±0,4 252,33±0,5 100,0±0,2a 17,0±0,2ab 1,0±0,0

2,0 141,6±1,1 149,9±0,9 19,6±0,7 310,0±1,1 99,9±0,2ab 16,9±0,2bc 1,1± 0,0

SK 0,2 6,4±0,1 22,4±0,4 2,4±0,2 31,1±0,5 99,5±0,9abcd 16,7±0,2cd 3,5± 0,1

0,4 12,8±0,3 43,5±1,1 4,7±0,3 61,2±1,2 98,5±1,4d 16,0±0,2e 3,4± 0,1

0,8 24,8±0,8 89,8±2,0 9,5±0,4 124,2±1,9 99,4±1,0abcd 16,7±0,2cd 3,6± 0,1

1,2 37,5±0,4 134,9±2,1 14,0±0,2 186,4±1,9 99,7±0,4abcd 16,7±0,2cd 3,6± 0,1

1,6 49,6±1,6 180,4±0,1 19,3±0,6 249,4±0,8 100,0±0,3a 16,7±0,2cd 3,6± 0,1

2,0 62,4±1,4 222,1±0,9 24,0±0,2 309,7±1,7 99,3±0,6abcd 16,7±0,2e 3,6± 0,1

Valores de 5,0 90,0 – 99,3 7,2 - 15,5 0,4 - 4,2 referencia [7, 28]

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 80 Liliana Celaya et al.: Glicósidos de esteviol y otros en infusiones de Stevia rebaudiana

Tabla 3: Concentración (mg STE/ infusión) y recuperación (% en base momento de cosecha, condiciones agro-ecológicas y seca) en infusiones de stevia dependiendo de la variedad climáticas, condiciones de cultivo, variedad, tratamientos g de hoja por Concentración Recuperación (% Variedad infusión (mg/ infusión) en base seca) pos-cosecha y finalmente el método y solvente extracción

SC 0,2 85,3±17,0 45,5±9,1c [21, 23, 31, 36]. En relación a la variedad, infusiones de

0,4 218,7±13,3 58,3±3,5ab stevia con mayor contenido total de SGs y con mayor 0,8 426,0±26,2 56,8±3,5ab relación RbA/Stv proporcionaron mayores contenidos de 1,2 648,7±68,2 57,7±6,1ab compuestos fenólicos totales. Sin embargo un comporta- 1,6 832,7±39,0 55,5±2,6ab miento diferente se observó en los contenidos de taninos; 2,0 1027,3±75,6 54,8±4,0ab en este caso infusiones de SE con una relación RbA/Stv SE 0,2 84,7±19,4 45,2±10,4c de 1,1 proporcionan contenidos taninos totales mayores 0,4 200,8±26,8 53,5±7,1bc (Tabla 4). 0,8 462,0±51,9 61,6±6,9ab

1,2 705,4±74,0 62,7±6,6ab Tabla 4: Compuestos fenólicos y taninos, concentración (mg AGE por infusión, 200 mL) y recuperación (% AGE recuperados a partir de 100 g 1,6 910,0±42,0 60,7±2,8ab de hojas secas)

ab 2,0 1114,0±48,5 59,4±2,6 Concentración (mg Recuperación (% AGE g de hoja SK 0,2 112,7±4,2 60,2±2,2b Variedad AGE/ infusión) en base seca) por infusión 0,4 222,9±27,6 59,6±7,4ab FT TT FT TT

j h 0,8 473,3±32,5 63,3±4,3a SC 0,2 4,1±0,9 0,2±0,1 2,2±0,5 0,1±0,1

i gh 1,2 703,3±42,4 62,7±3,8b 0,4 13,8±0,9 1,7±0,2 3,7±0,3 0,5±0,1

fg ef 1,6 928,7±70,2 62,1±4,7ab 0,8 34,6± 4,3 6,3±0,8 4,6±0,6 0,8±0,1

fg efg 2,0 1100,0±76,0 58,8±4,1ab 1,2 54,0±3,0 16,3±1,5 4,8±0,3 0,8±0,2

gh def Té negro (2 g 1,6 67,0±2,5 21,2±1,2 4,5±0,2 0,9±0,1 852,1 ± 4,3 44,9 ± 1,2 por infusión) 2,0 86,9±3,8 25,2±4,4 4,6±0,2fgh 0,8±0,1efg

Valores de h fg 1084-1236 27,6 – 61,9 SE 0,2 7,9±0,5 1,1±0,9 4,3±0,3 0,6±0,5 referencia x 0,4 20,1±0,9 3,6±1,3 5,5±0,2cde 1,0±0,4de Los valores significativamente diferentes en la misma columna (Prueba de ANOVA y prueba de Tukey) presentan diferentes superíndices (p-valor< 0,05). x sustancias 0,8 41,0±2,6 9,3±2,1 5,6±0,4cd 1,2±0,3abcd solubles en agua y carbohidratos calculados por diferencia [13-14,16,18, 21, 25] 1,2 63,8±2,2 16,4±1,9 5,8±0,2c 1,4±0,2a

1,6 82,3±3,3 19,7±2,2 5,6±0,2cd 1,3±0,1abc La biosíntesis de fitoquímicos en stevia depende de 2,0 97,3± 4,1 26,4±2,0 5,3±0,2de 1,4±0,1ab diversos factores de pre-cosecha incluyendo variedad, SK 0,2 9,3±0,1 0,4±0,1 5,0±0,1ef 0,2±0,1h condiciones climáticas y prácticas culturales [21, 23, 36]. 0,4 24,1±1,4 3,2±1,3 6,5±0,4b 0,9±0,3ef Las condiciones de cosecha elegidas proporcionan eleva- 0,8 56,1±2,5 7,5±1,6 7,5±0,3a 1,0±0,2cde dos contenidos de SGs y también recuperaciones elevadas 1,2 87,9±2,4 12,0±2,5 7,9±0,2a 1,1±0,2bcde de sólidos totales. Por otro lado, la recuperación de sólidos 1,6 113,2±2,7 14,5±3,4 7,6±0,2a 1,0±0,2cde aumenta en el mismo orden que el contenido de SGs en 2,0 138,9±3,1 17,8±3,5 7,6±0,2a 1,0±0,2cde cada variedad, a saber SC < SE < SK. Té negro 109,2±1,4 37,9±3,6 5,1±0,1 1,8±0,2

FT determinados Recuperación de compuestos fenólicos y de taninos previamente en extractos 2,7–9,3 acuosos [26,28,37]

Los valores significativamente diferentes en la misma columna (Prueba de ANOVA y En estudios anteriores se determinó que el agua es el prueba de Tukey) presentan diferentes superíndices (p-valor< 0,05) solvente más adecuado para recuperar compuestos fenó- licos y SGs desde hojas de stevia [25]. Los contenidos Actividad antiradicalaria de las infusiones de FT de las infusiones se presentan en la Tabla 4. Los resultados obtenidos en este estudio son concordantes con Se investigó la actividad antiradicalaria en las infusio- los determinados en otros cultivares de stevia y están en nes de stevia frente a DPPH•. Los resultados obtenidos el mismo orden en comparación con té negro (Tabla 4). incluyendo los controles BHT y té negro se presentan en Además, infusiones de SK proporcionan valores mayores la Figura 1. Las infusiones de las tres variedades exhibie- de FT seguidos por SE y SC (p-valor ˂0,05). ron actividad antioxidante elevada con valores de IC50= Los contenidos de taninos totales determinados en las 18,6 - 27,7 µg/mL. El orden de actividad observada (SK infusiones (TT), también se presentan en la Tabla 4; como > SC >SE) es consistente con los contenidos de FT de las puede verse, en comparación con té negro los contenidos infusiones de SK, sin embargo la actividad antiradicalaria de taninos son significativamente menores. Diferente a los fue mayor en SC (con FT menor) comparando con SE. compuestos fenólicos totales, en los taninos se observa el Diversos tipos de compuestos presentes en las infusio- siguiente orden: SE < SK < SC. nes pueden contribuir a la actividad antioxidante obser- Como ocurre con los contenidos de SGs, los contenidos vada [25, 32, 38]. Sumado a la composición de las hojas, de FT son afectados por diversos factores que incluyen diversos factores incluyendo variedad, labores culturales,

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Liliana Celaya et al.: Glicósidos de esteviol y otros en infusiones de Stevia rebaudiana 81 tratamientos pos-cosecha y método de extracción pueden actividad antioxidante y los contenidos de Stv y RbA en influir los resultados de esa actividad antioxidante. los mismos extractos. Los resultados obtenidos para infusiones de stevia estu- En el presente estudio, se determinó una elevada corre- vieron en el mismo orden del té negro y BHT (Figura 1), y lación entre RbA y STE, entre RbC y STE (Tabla 5, Figura son consistentes con resultados determinados previamente 2). También se estableció correlación elevada entre RbA en extractos de stevia cosechada en verano [37]. y FT, entre RbC y FT. Por su parte Stv se correlacionó mejor con TT.

SC Stv SE SK RbA

RbC

SGT

STE Figura 1: Actividad antiradicalaria de infusiones de stevia de las variedades SK, SE, SC frente al radical DPPH• FT

Correlaciones entre SGT, FT, TT y STE TT

De manera general el aumento del contenido de SGs y Figura 2: Correlaciones entre las variables determinadas en infusiones de FT se ve reflejado en un aumento proporcional del conde stevia dependiendo de la variedad tenido de sólidos totales en las infusiones. Los resultados de concentraciones obtenidas se utilizaron para investigar Contenido de SGs edulcorantes y FT antioxidantes en las correlaciones existentes entre los grupos fitoquímicos infusiones de stevia investigados en las infusiones de stevia. Se listan en la Tabla 5 los coeficientes de correlación de Pearson deter- La dependencia entre los contenidos de SGT y las minados al investigar correlaciones entre fitoquímicos de cantidades de hojas utilizadas para endulzar una infusión las infusiones. para las variedades de stevia estudiadas aquí se da por: La presencia de correlación se reportó previamente entre Stv y carbohidratos solubles totales en extractos (1) acuosos de stevia, también entre SGT y STE [13, 22]. En otro estudio Tavarini y colaboradores [32], establecieron (2) que existe correlación entre la actividad antioxidante y los compuestos fenólicos y flavonoides en extractos de stevia; (3) en este mismo estudio se encontró baja correlación entre la

Tabla 5: Coeficientes de correlación de Pearson entre STE (mg/ infusión), SGs (mg/ infusión), FT (mg/ infusión) y TT (mg/ infusión), dependiendo de la variedad

Variable Stv RbA RbC SGT STE FT

Stv 1,0000

RbA 0,4192 1,0000 (0,0016)a

RbC 0,6170 0,9714 1,0000 (0,0000) (0,0000)

SGT 0,7774 0,8969 0,9736 1,0000 (0,0000) (0,0000) (0,0000)

STE 0,8141 0,8501 0,9429 0,9854 1,0000 (0,0000) (0,0000) (0,0000) (0,0000)

FT 0,5957 0,9649 0,9878 0,9587 0,9381 1,0000 (0,0000) (0,0000) (0,0000) (0,0000) (0,0000)

TT 0,9197 0,6668 0,8070 0,9096 0,9214 0,8076 1,0000 (0,0000) (0,0000) (0,0000) (0,0000) (0,0000) (0,0000)

a p-valor entre paréntesis (NC= 95%, n=54)

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 82 Liliana Celaya et al.: Glicósidos de esteviol y otros en infusiones de Stevia rebaudiana

Donde SGT es la concentración de glicódidos de steviol compuestos fenólicos antioxidantes y de taninos totales, en en una tasa de infusión (mg/infusión) y st es la cantidad de infusiones de S. rebaudiana de tres variedades cultivadas hojas utilizada para ese fin (gramos). Las Ec. (1), (2) y (3) en Argentina. Se encontró que infusiones preparadas con proporcionan una predicción teórica de los contenidos de variedades con mayor contenido de glicósidos de steviol SGs edulcorantes en infusiones dependiendo de la variedad endulzantes proporcionan también contenidos de compues- (despreciando el efecto de la humedad en el cálculo). tos fenólicos mayores. Se determinó que Rebaudiósido Del mismo modo los compuestos fenólicos totales A y C correlacionan con los compuestos fenólicos y que pueden obtenerse a partir de los g de hojas que se utilicen Esteviósido correlaciona con los taninos en las infusiones. para endulzar la infusión (st) a partir de: Se establecieron ecuaciones para estimar los contenidos de glicósidos de steviol edulcorantes y compuestos fenólicos en (4) las infusiones de stevia de las tres variedades investigadas. Las infusiones de stevia de las variedades cultivadas (5) en Argentina son una rica fuente de compuestos fenólicos antioxidantes. (6) Agradecimientos Donde FT es la concentración de compuestos fenólicos totales aportada por stevia en una tasa de infusión (mg Liliana S. Celaya agradece al Consejo Nacional de AGE/infusión). Las Ec. (1) a (6) proporcionan una predic- Investigaciones Científicas y Técnicas por la Beca Pos- ción teórica de los contenidos de SGs edulcorantes y de Doctoral otorgada, CONICET Res. DN594/17 (Projecto compuestos fenólicos antioxidantes en infusiones de stevia UNaM 16Q624, N. Kolb). Los autores agradecen a Cristina dependiendo de la variedad. E. Mayol por su apoyo y colaboración. Las ecuaciones establecidas son válidas para las variedades de stevia estudiadas aquí y cuando la cosecha Referencias se realizó en verano coincidente con los máximos en los contenidos de SGs edulcorantes y con los niveles más 1. Celaya, L.S.; Kolb, E.; Kolb, N. Solubility of Stevioside and altos de RbA en las hojas de la planta. Con respecto a los Rebaudioside A in water, ethanol and their binary mix- contenidos de taninos, son necesarios mayores estudios tures. International Journal of Food Studies 5:158–166. a fin de poder establecer la naturaleza de la variabilidad 2016. determinada en este estudio. 2. Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives 2008. Ste- Finalmente, con respecto al poder edulcorante relativo, viol Glycosides. Chemical and Technical Assessment tomando para los SGs de stevia un poder edulcorante de (CTA, 2007) for the 68th JECFA [en línea] Disponible 200 con respecto a sacarosa [4, 13, 18] y utilizando estima- en: www.fao.org/fileadmin/templates/agns/pdf/jecfa/ ciones basadas en las Ec. (1) a (3), tendremos que 0,2 – 0,4 cta. Acceso 16 Junio 2010. g de hojas molidas de SK resultarán adecuados para endul- 3. Código Alimentario Argentino, Cap. XVIII, Aditivos Alimenta- zar una infusión de 200 mL (o cm3); 0,3 – 0,5 g de hojas rios. Artículo 1192 tris [Actualización 01/2014]. [en lí- de SE y 0,4 – 0,6 g de SC para el mismo propósito. Esta nea] Disponible www.anmat.gov Acceso 9 Mayo 2016. estimación del poder edulcorante de las hojas de stevia 4. Prakash, I.; Chaturvedula, V.S.P. Steviol Glycosides: Natu- resulta satisfactoria si se utilizan bajos contenidos de hojas ral Non-Caloric Sweeteners, en: Mérillon, J.-M., Ra- de stevia en cada infusión [39, 40], como los empleados mawat, K.G. (Eds.), Sweeteners: Pharmacology, Bio- en este estudio. En cuanto a los contenidos de FT en la technology, and Applications. Springer International infusión dependiendo de la variedad, también estos pueden Publishing AG, 101–128. 2016. expresarse en base a la cantidad de hojas utilizada en la 5. Wölwer-Rieck, U. The leaves of Stevia rebaudiana (Ber- infusión (Ec. 4 a 6). toni), their constituents and the analyses thereof: A Además del perfil característico de SGs de cada va- review. Journal of Agricultural and Food Chemistry riedad de stevia, otros fitoquímicos presentes en las hojas 60:886–895. 2012. pueden influenciar la percepción sensorial de los prepara- 6. Bender, C. Stevia rebaudiana’s Antioxidant Properties, dos de stevia, incluyendo los compuestos fenólicos y en en: Mérillon, J.-M., Ramawat, K.G. (Eds.), Sweete- especial los taninos [37, 40]. Tal efecto será estudiado en ners: Pharmacology, Biotechnology, and Applications. investigaciones futuras. Springer International Publishing AG, 349–375. 2016. 7. Jentzer, J., Alignan, M., Vaca-garcia, C., Rigal, L., Vilarem, G. Res- Conclusiones ponse surface methodology to optimise Accelerated Solvent Extraction of steviol glycosides from Stevia En este estudio se determinó la recuperación de rebaudiana Bertoni leaves. Food Chemistry 166:561– sólidos totales, de glicósidos de steviol edulcorantes, de 567. 2015.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Liliana Celaya et al.: Glicósidos de esteviol y otros en infusiones de Stevia rebaudiana 83

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RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Pamela S. Cuenca et al.: Películas y materiales compuestos de almidón de mandioca acetilado 85

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 85–93 Películas y materiales compuestos basados en almidón de mandioca acetilado de alto grado de sustitución

Films and composites based on acetylated cassava starch of high degree of substitution

Pamela S. Cuenca1,*, Laura A. Ramallo1, Oscar A. Albani1

1- Laboratorio de Preservación y Envases. Instituto de Materiales de Misiones UNaM-CONICET, Félix de Azara 1552, CP: N3300LQD, Misiones, Argentina. *E-mail: [email protected]; [email protected]

Recibido el 10 de septiembre de 2019, Aprobado el 20 de enero de 2020.

Resumen

En este trabajo se desarrollaron películas de acetato de almidón de mandioca (AAM) de alto grado de sustitución (DS = 2,9) y materiales compuestos consistentes de la resina AAM soportada en papel Kraft. Como un paso previo, la síntesis del acetato de alto grado fue llevada a cabo empleando ácido metilsulfónico como catalizador. Se realizó la caracterización de las propiedades mecánicas y de barrera de las películas obtenidas. Las películas de almidón de mandioca acetilado resultaron homogéneas y continuas, de apariencia plástica, pero frágiles. El agregado de 50% de plastificante permitió obtener películas con buenas propiedades mecánicas (tensión de rotura 17,5 MPa y deformación de rotura de 8,2%) pero que, con el almacenamiento, se volvieron cerosas y frágiles. Las películas compuestas de papel Kraft - acetato de almidón de mandioca tienen valores de permeabilidad al vapor de agua menores (hasta el 51%) que los papeles sin tratar, a la vez que sus propiedades mecánicas son mejores (tracción de rotura 33 - 42 MPa y elongación 2 - 4%). Por lo tanto, el desarrollo de envases biodegradables basados en materiales de almidón acetilado - celulosa parece una buena opción para el reemplazo de envases que no son ambientalmente compatibles.

Palabras clave: Acetato de almidón de mandioca; Alto grado de sustitución; Películas libres; Materiales compuestos.

Abstract

In this work, Cassava starch acetate (CSA) with a high degree of substitution films (DS = 2.9) and composite materials consisting of CSA resin supported on Kraft paper were developed. As a previous step, the synthesis of high degree acetate was carried out by using methylsulfonic acid as a catalyst. The characterization of the mechanical and barrier properties of the films obtained was performed. Acetylated cassava starch films were homogeneous and continuous, with plastic appearance, but brittle. The addition of 50% plasticizer allowed to obtain films with good mechanical properties (tensile strength at break 17,5 MPa and deformation 8,2%) but with storage, they became waxy and brittle. The films composed of Kraft paper - cassava starch acetate - have lower water vapor permeability values (up to 51%) than untreated papers, and their mechanical properties are better (tensile strength at break 33- 42 MPa and deformation 2 - 4%). Therefore, the development of biodegradable packages based on acetylated starch-cellulose materials seems a good option for the replacement of packages that are not environmentally compatible.

Keywords: Cassava starch acetate; High degree of substitution; Free films; Composites.

Introducción El almidón ha sido una de las mejores alternativas porque es un material renovable de bajo costo. Entre los La contaminación del ambiente debida a los desechos almidones, el de mandioca destaca por su bajo precio y de envases plásticos es uno de los problemas a resolver amplia disponibilidad. por la sociedad actual. En los últimos años, el interés en El almidón presenta el inconveniente que, en su estado encontrar alternativas ecológicas para el material plástico nativo, es muy sensible a la humedad y sus películas tienen no degradable hecho de petróleo, ha llevado a muchos in- alta permeabilidad al vapor de agua. Esto ha llevado a un vestigadores a poner énfasis en los materiales poliméricos importante numero de investigadores a trabajar con mo- naturales de origen agrícola [1–4]. dificaciones del almidón. De las distintas modificaciones

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 86 Pamela S. Cuenca et al.: Películas y materiales compuestos de almidón de mandioca acetilado químicas posibles, la acetilación, es una de las formas compuestos consistentes en una resina de acetato de almi- más simples de mejorar las propiedades fisicoquímicas y dón de alto grado soportada en papel Kraft, a fin de obtener funcionales del almidón [5]. materiales aptos para envases biodegradables. Se realizó la Numerosos investigadores estudiaron el efecto de la caracterización de las propiedades mecánicas y de barrera acetilación en las propiedades de los acetatos de bajo y al vapor de agua de los materiales obtenidos. medio grado de sustitución [6] [7] [8] [9] [10]. Todas las modificaciones realizadas en los trabajos antes citados Materiales y Métodos conducen a un material con buenas propiedades mecánicas pero soluble en agua. Materiales Acetatos con alto grado de sustitución han sido prepara- dos utilizando distintos procedimientos en medio alcalino Almidón de mandioca comercial fue proporcionado [11]efficiently and with fewer byproducts. The method por Aldema® (Misiones, Argentina), el agua ultra pura selected was to heat mixtures of dry corn starch, glacial fue provista a partir de un equipo de intercambio ionico acetic acid and anhydrides under pressure in small (60 μl Milli-Q, (Millipore Corporation, Burlington, MA, USA). [12] y en medio ácido [13] [14]. El método de acetilación El anhídrido acético, ácido acético glacial, metanol y gli- propuesto por Feuer [13], utilizando como catalizador cerol fueron de calidad analítica (Cicarelli® Reagent SA, ácido metilsulfónico (MSA), provee un éster de almidón Santa Fé, Argentina). Ácido metilsulfónico y cloroformo, caracterizado por mayor peso molecular y menor pérdida fueron proporcionado por Merck® (‎Kenilworth, Nueva de blancura, lo que sería útil en su uso como material de Jersey, USA), (2-dodecen-1-il) anhídrido succínico (DSA) recubrimiento. fue proporcionado por Sigma Aldrich® (San Luis, Misuri, La hidrofobicidad del acetato de almidón se incrementa USA) y papel Kraft de 85 g/m2 fue adquirido comercial- a medida que aumenta el grado de sustitución y la longitud mente y utilizado en las condiciones de recepción. de la cadena del sustituyente. Fringant y col. [15] informaron que acetato de almidón con un DS mayor que 1,7 presenta Síntesis de acetato de almidón de mandioca (AAM) alto propiedades típicamente hidrofóbicas. Una serie de estudios grado de sustitución encontraron buena compatibilidad de acetato de almidón con otros materiales, dando como resultado un material con Para la síntesis de acetato de almidón de mandioca alta- propiedades mecánicas mejoradas [12] [16] [4]. mente sustituido, se utilizó el método de Feuer modificado Tarvainen y col. [17] mostraron que el acetato de almi- [13] que propone una reacción en medio ácido con ácido dón de papa de grado de sustitución 2.8, permite obtener metilsulfónico como catalizador. por casting películas claras y continuas con alta hidrofobi- El almidón, cuyo porcentaje de humedad es aproximada- cidad. Tarvainen y col. [18] (SA investigaron la capacidad mente del 11%, se secó previamente en estufa a 60° C durante de los n-alquenil anhídridos succínicos o (n-ASA) como toda la noche. Se mezclaron 30 g de almidón con 54 mL de plastificantes externos, a fin de mejorar las características anhídrido acético y 55 mL de ácido acético glacial. Lue- de formación de película de acetato de almidón de papa go, el catalizador de esterificación, ácido metilsulfónico de grado de sustitución 2,8, obteniendo buenos resultados. (MSA), diluido en ácido acético, se añadió lentamente Por otro lado, considerando que existen pocos trabajos durante un período de 10 minutos. Posteriormente la que describen el comportamiento de películas de acetato mezcla se calentó y se mantuvo entre 80° C y 95° C en de almidón de alto grado y asumiendo que su carácter 120 minutos. hidrófobo mejoraría las propiedades de barrera al vapor Al final, se añadió agua destilada fría (5-6° C) a la de agua, podrían utilizarse soluciones filmogénicas de este solución para detener la reacción y precipitar el acetato de polímero como resina para generar materiales compuestos almidón. El precipitado blanco obtenido se lavó 2 veces sobre una base de algún material de refuerzo como el papel con agua destilada y una con metanol, se secó en un horno Kraft, que contribuya a mejorar las propiedades mecánicas. a 40° C durante 24 horas y se almacenó en un desecador a Larotonda y col. [19] [20] mostraron que la impregnación temperatura ambiente. de papeles simples con acetato de almidón de mandioca, con grado de sustitución de 1,4 mejora las propiedades de Determinación del grado de sustitución mediante permeabilidad al vapor de agua, así como otras propie- valoración química por retorno dades mecánicas del papel. Sin embargo, un DS = 1,41 (el obtenido en estos trabajos) está en la zona de valores El grado de sustitución del acetato de almidón se deter- de DS en los que el acetilado de almidón es parcialmente minó mediante titulación de retorno utilizando el método soluble en agua. de Miladinov & Hanna [21]. Se colocó una cantidad de El objetivo del presente trabajo fue sintetizar acetato de 0,5 g de almidón acetilado en un recipiente de 250 mL con almidón de alto grado de sustitución (DS= 2,9) y a partir agua destilada (50 mL) y se ajustó el pH a 7 con HCl 0,02 de él, desarrollar películas libres hidrófobas y materiales N. Luego se agregaron 25 mL de NaOH 0,5 N y se calen-

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Pamela S. Cuenca et al.: Películas y materiales compuestos de almidón de mandioca acetilado 87 taron en una placa caliente con agitación vigorosa hasta Observación y micrografías obtener una solución transparente. El exceso de NaOH se valoró de nuevo a pH 7 con HCl. El grado de sustitución Las observaciones microscópicas se realizaron, con un (DS) se calculó según lo propuesto por Xu y col. [12]: microscopio óptico marca Zeiss en un aumento de 100X, y se fotografiaron con cámara complementaria. (1) Propiedades mecánicas donde NNaOH es la normalidad de NaOH, VNaOH es el volumen de NaOH, NHCl es la normalidad de HCl Los ensayos de tracción se realizaron con una máquina usado para valorar de nuevo, VHCl es el volumen de HCl de tensión / compresión marca Adamel Lhomagry (Fran- usado para titular. cia) modelo DY 32 / 34 con rango de 10 N a 5 KN, con celdas intercambiables con una exactitud de 0,5% (0,1% a Preparación de películas de AAM fondo de escala), rango de velocidades de 0,01 a 999 mm/ min y con registro automático de tensión - deformación. Las películas fueron preparadas utilizando una con- Se utilizaron probetas de 25 mm x 50 mm para películas centración de acetato de almidón de mandioca (DS = libres y de 15 mm x 70 mm para materiales compuestos, 2,9) del 5% (p/v) en cloroformo, empleando DSA como registrándose tracción - deformación y energía absorbida plastificante externo en las siguientes concentraciones: 0, a una velocidad constante de 0,4 mm/min. 20 y 50% (el porcentaje de plastificante está referido a la masa de AAM en la solución). Una vez homogeneizados Permeabilidad al vapor de agua los componentes, se introdujo un tiempo de espera de 4 hs a las soluciones filmogénicas para favorecer la plas- La velocidad de transmisión de vapor de agua (WVTR) tificación del polímero antes del moldeo. Las películas de las películas libres y de los “composites” fueron evalua- libres se formaron por “casting” volcando 60 mL de la das con el método cuasi-isostático, utilizado en envases de solución filmogénica en moldes de 10 cm de diámetro a yerba [22] y siguiendo el procedimiento general descripto 25° C y dejando evaporar el solvente por 24 hs. Una vez en las Normas TAPPI, T464 om-95 [23] y norma ASTM desmoldadas, las películas se almacenan en ambiente de E96 [24]. humedad controlada 53%. Las experiencias se llevaron a cabo por triplicado. La humedad relativa externa (55%) se fijó empleando solución Preparación de materiales compuestos salina saturada y se utilizó silica gel como desecante. La temperatura de las cabinas de ensayo se mantuvo cons- Para la preparación de la resina se solubilizó acetato de tante en estufa con una precisión de ±1° C. Se registró la almidón de mandioca en cloroformo en concentraciones variación de peso de la celda en balanza electrónica marca del 5, 10 y 20% (p/v). Se ensayaron dos plastificantes Ohaus, con precisión de 0,001 g. externos de naturaleza química distinta DSA y glicerol en concentraciones del 5, 10 y 30% referido a la masa de Resultados y Discusión AAM en la solución. El refuerzo utilizado para el material compuesto fue papel Kraft, de 85 g cortado en discos de Acetato de almidón de mandioca 12 cm de diámetro y pre secados en estufa a 40° C durante toda la noche. Los refuerzos fueron inmersos en la resina Empleando el método de Feuer, se obtuvieron acetatos en diferentes tiempos (10, 30 y 50 min). Los ensayos se de almidón de mandioca (AAM) altamente hidrófobos, con realizaron según el diseño experimental presentado en la un rendimiento de reacción del 85%. El valor promedio Tabla 1. Después de la impregnación las muestras fueron de DS medidos por titulación para tiempo de reacción colocadas en desecador por 24 horas. de 120 minutos fue de 2,9± 0,1 para tres repeticiones. La utilización de MSA como catalizador de reacción generó Tabla 1: Concentraciones y tiempo de inmersión utilizados en los ensayos iniciales de impregnación. productos de mayor blancura y mayor peso molecular

Tiempo de inmersión (min) Concentración de sol. AAM (%) que otros métodos de acetilación, en coincidencia a los

10 5 resultados de Feuer [13].

10 20

50 5 Apariencia de películas de AAM

50 20

30 10 Las películas obtenidas a partir de soluciones de

30 10 acetato de almidón de mandioca (DS 2,9) resultaron

50 10 homogéneas y continuas con respecto a su contenido y espesor, de apariencia plástica, pero muy frágiles. El

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 88 Pamela S. Cuenca et al.: Películas y materiales compuestos de almidón de mandioca acetilado agregado de plastificante a las soluciones filmogénicas moléculas del polímero [5]. Por otro lado, al utilizarse un mejoró la apariencia y las propiedades mecánicas (tensión plastificante de la misma naturaleza química, se mantiene y deformación de rotura) de los films obtenidos. Por otra el efecto de la hidrofobicidad del film al tiempo que se parte, el hecho de que las películas sean completamente evitan fenómenos de incompatibilidad que normalmente transparentes confirma la idea de que tanto el solvente derivan en agrietamientos. como el plastificante fueron perfectamente compatibles Tarvainen y col. [18] potato starch acetate degree of en la matriz polimérica. Las películas de acetato de alto substitution 2.8 (SA reportan para almidones de papa con grado y 50% de DSA, mostraron excelentes propiedades DS 2,8 con 50% de anhídrido octenil succínico (OSA) al desmoldarlas (Figura 1a), pero luego de dos semanas como plastificante, valores de permeabilidad de 1,63.10- de almacenamiento, se volvieron cerosas producto de la 10 g/msPa, semejantes que los obtenidos en el presente segregación del plastificante hacia la superficie de las trabajo. mismas (Figura 1 b), tornando a la película excesivamente quebradiza. Al ser el plastificante una molécula de alto Propiedades mecánicas de películas de AAM peso molecular, de naturaleza mayormente apolar debido a su larga cadena hidrocarbonada, la asociación a las molé- Las películas no plastificadas y con contenidos de DSA culas del polímero sería mayoritariamente debido a fuerzas del 20% desarrolladas en este estudio fueron demasiado de Van der Waals y al encontrarse en altas concentraciones rígidas y frágiles, por lo que se requirió un contenido de en la matriz polimérica, la afinidad química hace que las plastificante del 50% para lograr películas aptas para las moléculas migren hacia regiones de menor energía libre, pruebas de tracción. La alta concentración de plastificante esto es hacia la superficie. Por otro lado, la hidrólisis del requerida para relajar las cadenas del polímero, podría anhídrido succínico (extremo polar) afectaría el estado de deberse a la estructura molecular compleja del AAM y agregación del plastificante favoreciendo la segregación a su alto peso molecular. Tarvanein y col. [17] detallan del mismo. que la estructura compleja del acetato de almidón crea lugares de enlaces para cadenas de polímero adyacentes, lo que permite que se formen fuertes fuerzas cohesivas y estructuras tenaces y densas en los films. En la Figura 2 se presenta la curva característica tensión - deformación de películas de AAM con 50% de DSA. Las propiedades mecánicas de estas películas, demuestran que el material es dúctil con valores de tensión de rotura promedio 17,50 ± 0,60 MPa y deformación de rotura de 8,24 ± 0,70%. Los valores máximos de tensión obtenidos en este estudio fueron significativamente mejores que los reportados por Tarvanein y col. [18]potato starch acetate degree of Figura 1: Películas de acetato de almidón de mandioca DS 2.9 al 5% substitution 2.8 (SA (9,1 Mpa) para películas de acetato con 50% de DSA. a) recién desmoldada b) luego de dos semanas de de almidón de papa con el mismo DS utilizando el mismo almacenamiento. plastificante.

Permeabilidad al vapor de agua de películas de AAM

En la Tabla 2 se presentan las propiedades de barrera al vapor de agua de la única formulación que resultó apta para el ensayo. Se encuentra una mejora significativa en las propiedades de barrera al vapor de agua de las películas de AAM obtenidas en este trabajo con respecto a las películas de almidón nativo de mandioca reportados por Mali y col. [25] sorbitol, glycerol-sorbitol mixture, urea and sucrose as plasticizers. The effects of these plasticizers on the microstructure, moisture sorption, water vapor permeability (WVP, Müller y col. [26] y de almidón nativo maíz informados por Slavutsky y Bertuzzi [27]. La baja permeabilidad medida podría atribuirse a Figura 2: Diagrama Tensión - Elongación de películas de acetato de almidón de mandioca con grado de sustitución de 2,9 y 50% de DSA la hidrofobicidad de la molécula de acetato de almidón, como plastificante. ya que los tres grupos hidroxilos han sido sustituidos en las tres posiciones posibles de la anhidroglucosa y los grupos acetato sustituyentes dotan de carácter apolar a las

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Materiales compuestos: apariencia y micrografías de las incorporación de la resina al interior del “film” en lugar de películas compuestas ser un fenómeno netamente superficial. Para concentraciones del 20% de AAM, aún en tiempos La apariencia de los papeles impregnados con la cortos de inmersión (10 min), se observó un “cuarteado”, resina de AAM, se asemejó a un papel encerado o al de en la superficie del material. Esta falta de homogeneidad una película “plástica”, traslúcida, esto fue especialmente se podría deber a que a esta concentración la cantidad de notable en los ensayos de mayores tiempos de inmersión resina que permanece sobre la superficie forma una capa y concentraciones. Las micrografías que muestran el de mayor espesor, la cual en el proceso de secado sufre efecto del tiempo de inmersión en soluciones de AAM a agrietamiento. distintas concentraciones, así como el efecto del agregado Los plastificantes ensayados no formaron una fase de plastificantes de distinta naturaleza química se presentan continua en el material, sino que se visualizó segregación en la Figura 3. en la superficie, tanto para el caso del glicerol como para En la micrografía del papel sin tratar (blanco), se el DSA (Figura 3e y 3f). aprecian las fibras del papel que con la impregnación en acetato de almidón dejaron de ser visibles, esto se debió Permeabilidad al vapor de agua de materiales compuestos a la incorporación de acetato de almidón en los espacios entre fibras. Este efecto se incrementó conforme aumentó En la Figura 4 se presentan los resultados de ganancia el tiempo de inmersión para materiales con resinas del 10% de peso y VWTR en celdas cubiertas con papeles Kraft sin de AAM, sugiriendo que el “coating” se produce por la tratar e impregnados en soluciones de acetato de almidón

Figura 3: Micrografías de: a) Papel Kraft sin tratar. b) 10% de AAM - 10 min de inmersión. c) 10% AAM - 50 min de inmersión. d) 20% de AAM - 10 min de inmersión. e) 10% de AAM - 30% glicerol - 30 min de inmersión. f) 10% de AAM - 5% de DSA - 10 min de inmersión.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 90 Pamela S. Cuenca et al.: Películas y materiales compuestos de almidón de mandioca acetilado de mandioca de concentraciones de 5, 10 y 20%, utilizan- Puede observarse que se encuentra una mejora del 58% do tiempos de impregnación de 10 minutos, expuestas a en las propiedades barrera del papel cuando se aumenta la condiciones ambientales 55% HR y 38° C. concentración de las soluciones de impregnación al 20% de AAM, para un tiempo de inmersión de 10 minutos. Laro- tonda y col. [19], obtuvieron reducciones de permeabilidad del mismo orden para resinas compuestas de un 20% de AAM con un DS de 1,41. Teniendo en cuenta que en este trabajo el grado de sustitución del almidón acetilado fue de 2,9, no pareciera haber un efecto del grado de sustitución del AAM en este rango. Por otra parte, cuando se estudió el efecto del tiempo de inmersión para soluciones de AAM en cloroformo en concentraciones de 10 y 20%, la permeabilidad al vapor de agua disminuyó con el aumento del tiempo de inmersión de manera significativa. Los resultados pueden verse en la Figura 5. Con soluciones al 10% se observó una disminución regular del valor de permeabilidad al vapor de agua, expresado como VWTR, para todos los tiempos de tratamiento en la solución de AAM. La permeabilidad alcanzó a un 74% del valor de permeabilidad del papel sin tratar para un tiempo de inmersión de 10 min y llegó solo al 51% para 50 minutos de inmersión. Cuando los ensayos para estudiar el efecto del tiempo de impregnación se realizaron con soluciones de AAM en cloroformo al 20%, los valores de VWTR medidos presentaron una significativa disminución del 40% en los primeros tiempos de tratamiento (10 min). Fringant y col. [28], estudiaron el efecto de sucesivas aplicaciones de acetato de almidón de trigo de DS 2,8 en diclorometano sobre papel, encontrando una mejora significativa en la resisten- Figura 4: Valores de (a) Ganancia de peso y (b) VWTR de papeles impregnados en AAM 5, 10 y 20%, medidos a 38° C, 0 y 55% HR. cia al agua líquida (similar al polietileno) y proporcional al espesor del film, sin embargo, no encontraron una mejora Desde el comienzo las celdas cerradas con papeles significativa respecto a la permeabilidad al vapor de agua. impregnados ganaron menos agua, lo que implicó menor La poca eficiencia del triacetato de almidón para reducir permeabilidad al vapor de agua y esta mejora fue pro- la permeabilidad, encontrada por Fringant y col. [28], a porcional a la concentración de acetato en el rango de diferencia de este estudio, se debería fundamentalmente concentraciones estudiado. al modo de aplicación del “coating”, ya que en el presente Los valores de velocidad de transmisión al vapor de trabajo la incorporación de la resina se da en toda la matriz agua (VWTR) y permeabilidad (P) calculados en papeles del papel, como se infiere a partir del efecto del tiempo de impregnados durante 10 minutos, expuestos a condiciones inmersión que indica un efecto de la difusión de la resina ambientales 55% HR y 38° C, para las distintas concen- en la matriz del papel. traciones de AAM ensayadas, se presentan en la Tabla 2. En cuanto al agregado de plastificantes a las resinas, no se encontró un efecto significativo de mejora en las Tabla 2: Valores de VWTR y permeabilidad calculados para películas propiedades de barrera al vapor de agua, este evento es y papeles impregnados en distintas concentraciones de AAM y expuestos a 55% HR a 38° C. esperable ya que en las micrografías no se observó la VWTR Desviación Permeabilidad formación fases continuas sobre la superficie del film, en Material (g/m2s) Estándar VWTR (g/msPa) las que el plastificante se agrupó formando micelas. AAM 5% 50% DSA* 2,04.10-03 2,91.10-5 1,29.10-10

Papel Kraft+ 0% AAM 6,90.10-3 4,71.10-4 2,52.10-10 Propiedades mecánicas de materiales compuestos

Papel Kraft+ 5% AAM 5,53.10-3 3,88.10-4 2,02.10-10 Papel Kraft+ 10% AAM 5,04.10-3 2,12.10-4 1,84.10-10 Los papeles impregnados en solución de AAM al 10 Papel Kraft+20% AAM 3,97.10-3 4,95.10-5 1,45.10-10 y al 20%, utilizando tiempos de inmersión de 10, 30 y *El espesor promedio de las películas es de 1,5.10-4m. 50 minutos fueron sometidos a ensayos de tracción. Los resultados promedio de 4 repeticiones son mostrados en

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Pamela S. Cuenca et al.: Películas y materiales compuestos de almidón de mandioca acetilado 91

de impregnación y estuvieron en un rango del 72 al 87% mayor que el valor de la muestra sin tratar.

Conclusiones

Fue posible sintetizar acetato de almidón de mandioca de alto grado de sustitución (DS 2,9), insoluble en agua y con buen rendimiento de reacción. A partir del ester de almidón, se desarrollaron películas libres y materiales compuestos consistentes en una resina del polímero sintetizado, soportado en papel Kraft. Las películas de almidón de mandioca acetilado resultaron homogéneas y continuas, de apariencia plástica, pero muy frágiles. El agregado 50% de DSA permitió obtener películas con buenas propiedades mecánicas (tensión de rotura 17,5 MPa, deformación 8,2%) pero que con el almacenamiento, se volvieron cerosas y frágiles. Los materiales compuestos de papel Kraft - acetato de almidón de mandioca DS =2,9 tienen valores de permeabilidad al vapor de agua menores (hasta el 51%) que las de los papeles sin resina, a la vez que sus propiedades me- cánicas son mejores (tracción y energía de rotura 72-87% mayores). Hay un efecto positivo de la concentración de acetato de la solución impregnante y del tiempo de inmer- sión sobre los valores de VWTR. El efecto del tiempo de

Figura 5: Efecto del tiempo de inmersión en soluciones de (a) AAM al inmersión y las micrografías sugieren que la incorporación 10% y (b) AAM al 20%. de acetato ocurre “en masa” es decir incorporándose en los espacios interfibra de la estructura del papel Kraf, y no la Tabla 3. formando únicamente una película superficial.

Tabla 3: Valores de tracción, elongación y energía de rotura para Este estudio demuestra que la utilización de acetato de papeles con distintos tiempos de impregnación, con resinas al 10 y almidón de alto grado de sustitución en el desarrollo de 20% de AAM. materiales compuestos sería una alternativa interesante en Tiempo Tracción Elongación Energía Muestra la generacion de envases biodegradables. min σ (MPa) (%) (mJ) 0 19,55 ± 1,81a 2,18 ± 0,13a 37,16 ± 4,07 Referencias b ab 10% de 10 35,47 ± 3,06 2,50 ± 0,21 84,00 ± 14,14 a AAM 30 33,92 ± 1,80b 2,12 ± 0,16ab 64,23 ± 2,03 1. A.M. Youssef, F.M. Assem, S.M. El-Sayed, H. Salama, M.H. Abd 50 33,12 ± 2,90b 3,34 ± 0,32b 105,55 ± 0,32 El-Salam, Utilization of Edible Films and Coatings as 0 19,55 ± 1, 82a 2,18 ± 0,13a 37,16 ± 4,07 Packaging Materials for Preservation of Cheeses, J. b ab 20% de 10 33,94 ± 2,01 4,12 ± 0,38 139,14 ± 16,92 b Packag. Technol. Res. 1 (2017) 87–99. doi:10.1007/ AAM 30 35,85 ± 1,66b 3,79 ± 0,60ab 128,01 ± 27,06 s41783-017-0012-3. 50 42,00 ± 1,89b 2,58 ± 0,23b 84,20 ± 5,79 2. P.G. Seligra, C. Medina Jaramillo, L. Famá, S. Goyanes. Biode- gradable and non-retrogradable eco-films based on Diferentes letras en la misma columna indican diferen- starch-glycerol with citric acid as crosslinking agent, cias estadísticas significativas para un nivel de confianza Carbohydr. Polym. 138 (2016) 66–74. doi:10.1016/j. del 95%. carbpol.2015.11.041. Los valores de tracción de rotura demuestran una me- 3. T. Garrido, M. Peñalba, K. de la Caba, P. Guerrero. A more effi- jora significativa en los papeles impregnados con respecto cient process to develop protein films derived from a los papeles sin tratar. La tendencia se apreció claramente agro-industrial by-products, Food Hydrocoll. 86 en los ensayos realizados para resinas del 20% de AAM. (2019) 11–17. doi:10.1016/j.foodhyd.2017.11.023. Los resultados obtenidos para el 10% de AAM presentaron 4. X. Jiang, H. Li, Y. Luo, Y. Zhao, L. Hou. Studies of the plasticizing cierta dispersión con respecto al tiempo de inmersión, pero effect of different hydrophilic inorganic salts on starch/ en todos los casos se obtuvo una mejora en las propiedades poly (vinyl alcohol) films, Int. J. Biol. Macromol. 82 mecánicas. Los valores de energía consumida hasta la (2016) 223–230. doi:10.1016/j.ijbiomac.2015.11.046. rotura también mostraron un aumento con el tratamiento 5. P. Cuenca, S. Ferrero, O. Albani. Preparation and charac-

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 92 Pamela S. Cuenca et al.: Películas y materiales compuestos de almidón de mandioca acetilado

terization of cassava starch acetate with high subs- 17. M. Tarvainen, R. Sutinen, S. Peltonen, P. Tiihonen, P. Paronen. titution degree, Food Hydrocoll. 100 (2020) 105430. Starch acetate - A novel film-forming polymer for doi:10.1016/j.foodhyd.2019.105430. pharmaceutical coatings, J. Pharm. Sci. 91 (2002) 6. J. Singh, L. Kaur, N. Singh. Effect of acetylation on some 282–289. doi:10.1002/jps.10027. properties of corn and potato starches, Starch/Staerke. 18. M. Tarvainen, R. Sutinen, S. Peltonen, H. Mikkonen, J. Maunus, K. (2004). doi:10.1002/star.200400293. Vähä-Heikkilä, V.P. Lehto, P. Paronen. Enhanced film-forming 7. N.S. Sodhi, N. Singh. Characteristics of acetylated starches properties for ethyl cellulose and starch acetate using prepared using starches separated from different rice n-alkenyl succinic anhydrides as novel plasticizers, cultivars, J. Food Eng. (2005). doi:10.1016/j.jfoodeng. Eur. J. Pharm. Sci. 19 (2003) 363–371. doi:10.1016/ 2004.09.018. S0928-0987(03)00137-4. 8. O. V. López, N.E. Zaritzky, M.A. García. Physicochemical cha- 19. F.D.S. Larotonda, K.S. Matsui, S.S. Paes, J.B. Laurindo. Impreg- racterization of chemically modified corn starches re- nation of Kraft paper with cassava-starch acetate - lated to rheological behavior, retrogradation and film Analysis of the tensile strength, water absorption and forming capacity, J. Food Eng. 100 (2010) 160–168. water vapor permeability, Starch/Staerke. 55 (2003) doi:10.1016/j.jfoodeng.2010.03.041. 504–510. doi:10.1002/star.200300179. 9. R. Colussi, V.Z. Pinto, S.L.M. El Halal, N.L. Vanier, F.A. Villanova, 20. F.D.S. Larotonda, K.N. Matsui, P.J.A. Sobral, J.B. Laurindo. Hy- R. Marques E Silva, E. Da Rosa Zavareze, A.R.G. Dias. Struc- groscopicity and water vapor permeability of Kraft pa- tural, morphological, and physicochemical properties per impregnated with starch acetate, J. Food Eng. 71 of acetylated high-, medium-, and low-amylose rice (2005) 394–402. doi:10.1016/j.jfoodeng.2004.11.002. starches, Carbohydr. Polym. (2014). doi:10.1016/j. 21. V.D. Miladinov, M.A. Hanna. Starch esterification by reac- carbpol.2013.12.070. tive extrusion, Ind. Crops Prod. (2000). doi:10.1016/ 10. O.F. Osundahunsi, K.T. Seidu, R. Mueller. Effect of presence of S0926-6690(99)00033-3. sulphurdioxide on acetylation and sorption isotherm 22. L.A. Ramallo, O.A. Albani. Prediction and Deter- of acetylated starches from cultivars of cassava, Food mination of Water Uptake in Packaged Yerba Chem. 151 (2014) 168–174. doi:10.1016/j.food- Mate, Food Sci. Technol. Int. 10 (2004) 35–40. chem.2013.11.020. doi:10.1177/1082013204041877. 11. R.L. Shogren. Rapid preparation of starch esters by high 23. J. Trotter. Standard conditioning and testing atmosphe- temperature/pressure reaction, Carbohydr. Polym. res for paper , board , pulp handsheets , and related (2003). doi:10.1016/S0144-8617(02)00305-3. products ( Revision of T 402 sp-08 ), 2013. 12. Y. Xu, V. Miladinov, M.A. Hanna. This article is from the No- 24. C. Methods. Standard Test Methods for Water Va- vember-December 2004 issue of published by the Ame- por Transmission of Shipping Containers —, 2003. rican Association of Cereal Chemists, Inc . Synthesis doi:10.1520/D4279-95R09.2. and Characterization of Starch Acetates with High 25. M.C. Galdeano, S. Mali, M.V.E. Grossmann, F. Yamashita, M.A. Substitution 1, Cereal Chem. 81 (2004) 735–740. García. Effects of plasticizers on the properties of oat 13. B.I. Feuer. Method of making starch acetate using an starch films, Mater. Sci. Eng. C. 29 (2009) 532–538. acid catalyst, 5710269, 1998. doi:10.1016/j.msec.2008.09.034. 14. C.I.K. Diop, H.L. Li, B.J. Xie, J. Shi. Effects of acetic acid/ 26. L.J.Y. Muller M, Muller. Cellulose reinforced starch .pdf, acetic anhydride ratios on the properties of corn Food Hydrocoll. 23 (2009) 1328–1333. starch acetates, Food Chem. 126 (2011) 1662–1669. 27. A.M. Slavutsky, M.A. Bertuzzi. Water barrier properties doi:10.1016/j.foodchem.2010.12.050. of starch films reinforced with cellulose nanocrystals 15. C. Fringant, M. Rinaudo, M.F. Foray, M. Bardet. Preparation of obtained from sugarcane bagasse, Carbohydr. Polym. mixed esters of starch or use of an external plasticizer: 110 (2014) 53–61. doi:10.1016/j.carbpol.2014.03.049. Two different ways to change the properties of starch 28. C. Fringant, M. Rinaudo, N. Gontard, S. Guilbert, H. De- acetate films, Carbohydr. Polym. 35 (1998) 97–106. rradji, A Biogradable Starch Based Coating to doi:10.1016/S0144-8617(97)00250-6. Waterproof Hydrophilic Materials, Starch - Stär- 16. J. Guan, M.A. Hanna. Extruding foams from corn starch ke. 50 (1998) 292–296. doi:10.1002/(sici)1521- acetate and native corn starch, Biomacromolecules. 379x(199807)50:7<292::aid-star292>3.3.co;2-r. (2004). doi:10.1021/bm049512m.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 94 Julia Luisetti et al.: Extracción de compuestos fenólicos de Quinoa

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 94–99 Estudio preliminar para optimizar la extracción de compuestos fenólicos bioactivos de quinoa (Chenopodium quinoa Willd)

Preliminary study to optimize the extraction of bioactive phenolic compounds of quinoa (Chenopodium quinoa Willd)

Julia Luisetti1, *, Héctor Lucero1, María C. Ciappini1

1- CIDTA (Centro de Investigación y Desarrollo en Tecnología de los Alimentos). Facultad Regional Rosario. Universidad Tecnológica Nacional. Zeballos 1341, Rosario. Santa Fe, Argentina. *E-mail: [email protected] Recibido el 08 de octubre de 2019, Aprobado el 27 de febrero de 2020. Resumen

Dentro de los antioxidantes naturales encontrados en la quinoa (Chenopodium quinoa Willd) se destaca la importancia de los compuestos fenólicos, cuya aplicación en la formulación de potenciales alimentos funcionales, por sus efectos beneficiosos para la salud, hace interesante su extracción de manera selectiva. Se propone optimizar los parámetros del proceso de extracción de los compuestos fenólicos, sobre la base de un diseño experimental de 3 variables a 3 niveles. Los parámetros fueron temperatura de secado, relación Liquido/Sólido (L/S) y concentración de etanol en el solvente; sus niveles fueron, respectivamente, 40, 60 y 80° C; 20:1, 30:1 y 40:1 y 30, 50, 70% v/v. La cuantificación de los polifenoles se realizó según el método de Folin-Ciocalteu, expresando los resultados como mg de ácido gálico equivalente (AGE)/100 g de quinoa (en base seca). Se obtuvieron resultados entre 179 y 229 mg de AGE /100 g de quinoa. Las predicciones del modelo se correlacionaron con los valores experimentales en un 93,62%. La relación L/S óptima fue 31:1 y la temperatura óptima fue de 54° C. Para la concentración de etanol en el solvente, la variable de mayor influencia en la extracción de compuestos fenólicos, el óptimo fue de 39%.

Palabras clave: Quinoa; Fenoles; Optimización; Extracción hidroalcohólica; Antioxidantes.

Abstract

Among the natural antioxidants found in quinoa (Chenopodium quinoa Willd), it stands out the importance of phenolic compounds, whose application in the formulation of potential functional foods, due to their beneficial health effects, it makes their selective extraction interesting. It is proposed to optimize the parameters of the extraction process of phenolic compounds, based on an experimental design of 3 variables at 3 levels. The parameters were: drying temperature, Liquid/Solid ratio (L/S) and concentration of ethanol in the solvent; their levels were, respectively, 40, 60 and 80° C; 20: 1, 30: 1 and 40: 1 and 30, 50, 70% v/v. The polyphenols quantification was carried out according to the Folin-Ciocalteu method, expressing the results as mg of gallic acid equivalents (GAE)/100 g of quinoa (dry basis). The obtained results were between 179 and 227 mg of AGE/100 g of quinoa. The model predictions were correlated with experimental values at 93.62%. The optimum L / S ratio was 31:1 and the optimum temperature was 54° C. For the ethanol concentration in the solvent, the variable with the greatest influence on the extraction of phenolic compounds, the optimum was 39%.

Keywords: Quinoa; Phenols; Optimization; Hydroalcoholic extraction; Antioxidants.

Introducción andina, cultivada desde Colombia hasta Argentina y Chile, siendo los principales productores Bolivia, Perú y Ecuador Existe una tendencia a nivel mundial en diseñar nuevos [1, 18]. Su uso como alimento humano está reconocido por productos alimenticios utilizando granos ancestrales, ya sea el Código Alimentario Argentino (CAA), en el Artículo suplementando o sustituyendo granos de cereales tradicio- 682 (Resolución Conjunta SPReI N° 261/2014 y SAGyP nales. Por otro lado, en los últimos años aumentó el interés N° 228/2014), entendiéndose por quinua o quínoa a las en especies vegetales no gramíneas, consideradas agronó- semillas sanas, limpias y bien conservadas del género Che- micamente como pseudocereales, cuyas semillas pueden ser nopodium quínoa Willd. El principal uso de la quinoa está utilizadas de manera similar a los granos de cereales. orientado a la alimentación humana, donde se utilizan las La quinoa es una planta anual originaria de la región semillas enteras o procesadas de diferentes maneras.Sus

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Julia Luisetti et al.: Extracción de compuestos fenólicos de Quinoa 95 granos son considerados uno de los más completos nutricio- Diseño experimental y análisis estadístico nalmente [17]. Aparte de los macronutrientes, los estudios en quinoa están enfocados en sus compuestos bioactivos La optimización de la extracción de los compuestos fe- de naturaleza hidrofílica, como los compuestos fenólicos y nólicos se realizó sobre la base de un diseño experimental flavonoides, que le otorgan capacidad antioxidante, con sus de 3 variables a 3 niveles, para lo cual se utilizó un diseño potenciales beneficios para la salud [28, 2,11, 26, 16, 22]. central compuesto centrado en las caras. Los parámetros Dentro de los antioxidantes naturales encontrados en y sus niveles fueron: temperatura de secado del grano(T): la quínoa, se destacan la importancia de los compuestos 40, 60 y 80° C; relación solución extractiva Líquido/Sólido fenólicos, cuya aplicación en la formulación de potenciales (L/S): 20:1, 30:1 y 40:1 y concentración de etanol en el alimentos funcionales hace interesante su extracción de solvente (%Et): 30, 50 y 70% v/v. manera selectiva. Los compuestos fenólicos, incluyendo La Tabla 1 muestra los valores codificados de los tres los ácidos fenólicos, flavonoides y taninos, ejercen accio- niveles (variables) utilizados en el diseño experimental y nes preventivas y protectoras contra el cáncer, las alergias, su correspondiente valor real para los factores de entrada. los procesos inflamatorios y las enfermedades cardiovascu- lares [10,15]. Su empleo promueve el uso de antioxidantes Tabla 1: Relación entre los valores codificados y valores reales de las variables independientes naturales, que podrán reemplazar a los de origen sintético. T (°C) % Et L/S La extracción por solventes de compuestos bioactivos Nivel -1 40 30 20 de materiales vegetales permeables, constituye una etapa Nivel 0 60 50 30 importante en la elaboración de productos ricos en fitoquí- Nivel +1 80 70 40 micos. La aplicación de esta tecnología de bajo costo para obtener compuestos utilizados como aditivos o productos La interacción lineal y los coeficientes cuadráticos se nutracéuticos, es una estrategia apropiada para la explota- evaluaron mediante ANOVA (p<0,05). Se determinaron ción de diferentes vegetales [8]. los valores de F-test y probabilidad (p), para analizar la En consecuencia, el objetivo de este trabajo fue la contribución estadística significativa de todos los términos. optimización de las variables operativas del proceso de Los resultados del diseño experimental se procesaron me- extracción de compuestos fenólicos bioactivos en quinoa: diante la aplicación de un análisis de regresión múltiple. temperatura de secado del grano (T), relación líquido- El ajuste del modelo se verificó mediante el coeficiente de sólido (L/S) y concentración de etanol en la solución determinación (R2) y la significancia de los términos del extractiva (%Et). modelo se estableció con un nivel de confianza del 95%. Las condiciones del proceso se optimizaron a través de Materiales y Métodos los gráficos de superficie de respuesta. Todos los análisis se realizaron utilizando la versión de prueba gratuita del La quínoa (Chenopodium quínoa Willd) fue provista software Minitab 18 (Minitab, Pennsylvania, EE.UU). por Quínoa Real, empresa que tiene sus cultivos en Yavi, Jujuy, Argentina (22° 7′ 47″ S 65° 27′ 44″ O). El acopio Obtención de extractos hidroalcohólicos se realizó en el momento de la cosecha, en una cantidad tal que permitió asegurar el suministro necesariopara todos Para la extracción de compuestos bioactivos, la harina los ensayos con material proveniente de una sola partida, obtenida por molienda de los granos secos se puso en la que fue conservada en frascos de vidrio de 5 L, con tapa contacto con la solución extractiva durante 1 hora en un hermética y al abrigo de la luz y el calor, hasta su empleo. agitador rotativo (Boeco Germany Orbital Shaker OS- Para la preparación de los extractos, se trabajó con quinoa 20), a 25° C. Los extractos se filtraron y se preservaron previamente desaponificada por vía húmeda. Los granos a 4 ± 1° C en recipientes color caramelo, hasta su posterior se secaron en estufa (Neo Line con circulación de aire). El uso. tiempo de secado quedó definido por una humedad final del 12% (AOAC 15950.01), requerida para evitar el deterioro Cuantificación de fenoles totales en los extractos de de los granos causado por microorganismos. Los granos quinoa (CPT) de quinoadesaponificados y secos se molieron en molino IKA, hasta pasar por tamiz malla n° 40. Para la cuantificación del contenido de fenoles totales Para evaluar la posible interferencia de los lípidos (CPT), se utilizó el método de Folin-Ciocalteu [25], presentes en la quinoa en la determinación de polifenoles basado en la oxidación de los compuestos polifenólicos mediante el método de Folin-Ciocalteau, se llevó a cabo a fenolatos en medio alcalino, formando un complejo de un ensayo preliminar con una muestra de harina prove- molibdeno-tungsteno de color azul. Se mezclaron 0,4 ml de niente de granos desaponificados y secados a 60° C, para muestra con 4 ml de agua destilada, 0,4 ml de reactivo de la relación L/S 20:1, variando el porcentaje de etanol en la Folin-Ciocalteu y 2 ml de solución saturada de carbonato mezcla hidroalcohólica entre el 0 y el 100%. de sodio. La mezcla se homogeneizó y se dejó reposar 2

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 96 Julia Luisetti et al.: Extracción de compuestos fenólicos de Quinoa horas en oscuridad, hasta la medición de la absorbancia Tabla 2: Valores respuesta del contenido de polifenoles totales T CPT % Et L/S a 765 nm en espectrofotómetro (Shimadzu Spectrophoto- °C mg AGE/100 g quinoa meter UV-1800). Las mediciones de absorbancia fueron 40 30 20 214± 1 realizadas por triplicado. 80 30 20 191 ± 4

Los resultados fueron expresados como ácido gálico 40 70 20 182 ± 10 equivalente (AGE)/100 g de quinoa en base seca (b.s) 80 70 20 179 ± 5 utilizando una curva de calibración obtenida a partir de 40 30 40 209 ± 4 soluciones estándar de ácido gálico. La ecuación de la 80 30 40 204 ± 9 recta de calibración fue Y = 0,0035 X + 0,0277, con R² = 40 70 40 185 ± 4

0,998 en la que Y: absorbancia y X: concentración. 80 70 40 183 ± 9

60 50 30 233 ± 2 Resultados y Discusión 60 50 30 223 ± 2

60 50 30 227 ± 1

En la Figura 1 se muestranlos valores de CPT para 60 50 30 229 ± 3 harina desgrasada y sin desgrasar, proveniente de granos 40 50 30 214 ± 5 secados a 60° C y una relación L/S de 20:1. 80 50 30 203 ± 12

60 30 30 218± 4

60 70 30 191 ± 1

60 50 20 190 ± 10

60 50 40 202± 6

El perfil de compuestos fenólicos en las plantas es muy diverso, dependiendo de la especie vegetal, la variedad, la parte de la planta considerada (semilla, fruto, tallo, hojas, etc.), las condiciones agroclimáticas de cultivo, el grado Figura 1: Contenido de polifenoles totales a partir de harina de quinoa de maduración, como así también de aspectos tecnológicos previamente desgrasada y sin desgrasar (harina secada a 60° C y rela- ción L/S empleada en la extracción 20:1) relacionados con el procesamiento y almacenamiento, entre otros [21]. No se encontraron diferencias significativas (p>0,05) En la Tabla 3 se muestra el análisis estadístico de los entre los valores de CPT obtenidos a partir de harina des- resultados. Se observa que la temperatura y el porcentaje grasada y sin desgrasar, para todo el rango de porcentajes de etanol presentaron un efecto significativo (p<0,05) de etanol de la solución extractiva.Considerando que el en el contenido de fenoles totales, como así también las contenido lipídico de las semillas de quinoa no interfiere en interacciones cuadráticas de temperatura, porcentaje de la cuantificación de polifenoles por medio de la técnica de etanol y relación L/S. La variable de mayor influencia Folin-Ciocalteau, se prosiguió con los ensayos propuestos, en la extracción de CPT fue el porcentaje de alcohol en trabajando sobre harina sin desgrasar. el solvente. En la Tabla 2 se observan los valores de CPT obtenidos para las diferentes condiciones de ensayo. Se requirieron Tabla 3: Resultados del ANOVA correspondiente al contenido de polifenoles totales en extractos de semilla de quinoa, obtenidos bajo 18 experiencias, agrupadas en 8 para verificar el modelo a diferentes condiciones de T de secado (T° C), porcentaje de etanol en dos niveles (-1,1) para los 3 factores (2k, k=3); 4 réplicas el solvente (%Et) y relación L/S. Fuente de Grados de Suma de Cuadrado en el punto central para evaluar el error puro y 6 ensayos Razón-F Valor-P variación libertad cuadrados medio restantes para testear los valores centrales de las caras del T 1 193,60 193,60 9,06 0,013 plan (puntos en estrella). %Et 1 1345,60 1345,60 62,94 0,000

Los valores de CPT obtenidos coinciden con el L/S 1 72,90 72,90 3,41 0,095 intervalo informado por Abderrahim et al. [2], quienes T(°C)* T(°C) 1 126,04 126,04 5,90 0,036 encontraron rangos entre 128 a 452 mg AGE/100 g b.s. %Et*%Et 1 315,37 315,37 14,75 0,003

Repo-Carrasco y Encina-Zelada [23], en cambio, informa- L/S*L/S 1 1001,04 1001,04 46,83 0,000 ron valores menores, comprendidos entre 35,29 a 139,94 Modelo 7 5480,72 782,96 36,63 0,000 mg AGE/ 100 g bs, cuando analizaron quince variedades R2 Resumen del modelo S R2 de quinoas provenientes del Perú. Tang et al. [27] hallaron 4,62358 (ajustado) valores aún más bajos (46,7 a 68,2 mg AGE/ 100 g b.s.) 93,62% 87,46% para quinoas originarias de Canadá, al igual que Miranda et A partir del análisis de regresión múltiple, se obtuvo la al [20], para seis ecotipos de quinoas chilenas (entre 14,22 siguiente ecuación polinómica de segundo orden, con p < y 65,53 mg AGE/ 100 g b.s). 0,05 y R2 = 93,62%:

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CPT (mg AGE/100g quinoa b.s.) = -47,2 + 1,843 T(ºC) Miranda et al. (2010), evaluaron el impacto de + 2,139 %Et + 11,89 L/S –0,01719 T(ºC)*T(ºC) diferentes temperaturas de secado en las propiedades - 0,02719 %Et*%Et - 0,1937 L/S*L/S nutricionales, contenido de compuestos fenólicos totales y En la Figura 2 se muestran los valores de CPT experi- capacidad antioxidante en granos de quinoas, encontrando mentales y teóricos estimados por el modelo, observándose que las temperaturas de secado entre 60 y 80° C resultan el grado de coincidencia entre los mismos. en una notable degradación de los compuestos fenólicos totales, aunque no evidencian pérdidas significativas con respecto a la capacidad antioxidante. Vidaurre-Ruiz et al. (2017) encontraron que si bien después del proceso de secado algunos compuestos bioactivos de las variedades de quinoa Negra Collana y Pasankalla, disminuyen significativamente, se pueden formar otros compuestos con mayor capacidad antioxidante. Para la relación L/S, el máximo de CPT se registró para una relación L/S de 31:1. La relación óptima de L/S Figura 2: Valores del contenido de polifenoles totales experimentales a emplear en la extracción dependerá de dos considera- y predichos por el modelo ciones fundamentales: la cantidad máxima conveniente de solvente en la práctica, está limitada por las consecuencias Las superficies de respuesta de la Figura 3, muestran relacionadas con la dilución que se produce de los sustratos el comportamiento del contenido de polifenoles totales de interés, al utilizar mayores volúmenes de solvente [18]. obtenido en función de las 3 variables estudiadas. Fijando Por otro lado, el rendimiento del extracto en compuestos la relación L/S se observa que el CPT aumenta para va- de interés está directamente relacionado con la cantidad lores de temperatura próximos a 60° C donde se obtiene de material sólido de partida, por lo que el valor óptimo el máximo contenido de polifenoles totales. Manteniendo resultará principalmente del compromiso de éstas dos constante la temperatura, el contenido de polifenoles au- consideraciones [7]. menta cuando la concentración de alcohol en el solvente En el caso del solvente, se observó un aumento en el es próxima al 40%. Por último, para una mezcla extractiva CPT para mezclas extractoras de 39% de porcentaje de eta- de concentración de etanol fija, se logra un máximo del nol lo que indicaría la presencia mayoritaria de compuestos CPT cuando la relación L/S es de 30:1, decreciendo para bioactivos de naturaleza hidrofílica en la quinoa [28, 2, 11, relaciones de 20:1 y 40:1. 26, 16, 22, 24]. Químicamente, los compuestos fenólicos son sustancias Figura 3: Superficie respuesta para el contenido de compuestos fenó- químicas que poseen un anillo aromático, con uno o más licos totales (CPT) en función de las variables de proceso: temperatura (T), %Etanol (%Et) y relación líquido de extracción/sólido (L/S). grupos hidroxilos incluyendo derivados funcionales. La naturaleza de los polifenoles varía desde moléculas simples, como los ácidos fenólicos hasta compuestos altamente polimerizados, como los taninos. En las plantas, se presentan en forma conjugada con uno o más residuos de azúcar unidos a los grupos hidroxilos, aunque en algunos casos se pueden producir uniones directas entre una molé- cula de azúcar y un carbono aromático. Por ello la forma En la Figura 4 se presentan las variables del proceso más común de encontrarlos en la naturaleza es en forma que optimizaron la respuesta del contenido de polifenoles de glicósidos, que son solubles en agua y en solventes totales. Las mismas fueron: temperatura de secado del orgánicos. Se ha reportado el uso de etanol, metanol y grano de 54° C, concentración de etanol en la mezcla acetona [30, 9, 5] y sus mezclas con agua en diferentes extractiva de 39% y relación liquido/sólido de 31:1. proporciones. En particular, las mezclas de agua y etanol son las más utilizadas dado su eficiencia, selectividad, bajo costo, baja toxicidad y facilidad de eliminación [31,14]. Al modificar las proporciones de agua y etanol, varía la polaridad del solvente y como consecuencia se consigue cambiar la naturaleza del extracto obtenido, en función de la solubilidad de los diferentes compuestos fenólicos presentes en la matriz vegetal [12]. Sin embargo, no existe un método y solvente defini- Figura 4: Optimización de la respuesta del contenido de polifenoles dos, pues ello dependerá de la naturaleza química de los totales compuestos a extraer, de la cantidad y posición de sus

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 98 Julia Luisetti et al.: Extracción de compuestos fenólicos de Quinoa grupos hidroxilo, del tamaño molecular, así como de la fruit pulp of Euterpeedulis using the response surface concentración del solvente, temperatura, tiempo de con- methodology. Food Research International, 44, 708- tacto, tamaño de partícula y relación masa-solvente, entre 715. otros [3, 4, 13, 7]. 9. Dent, M.; Dragovic-Uzelac, V.; Penic, M.; Brncic, M.; Bosiljkov, T.; Levaj, B. 2013. The effect of extraction solvents, tempera- Conclusiones ture and time on the composition and mass fraction of polyphenols in Dalmatian Wild Sage (Salvia officinalis En este estudio preliminar establecieron valores óp- L.) extracts. Food Technology and Biotechnology, 51, timos para la temperatura, el porcentaje de etanol en el 84-91. solvente y la relación L/S, para el proceso de extracción 10. Dini, I, Tenore, G. C and Dini, A. 2010. Antioxidant compound de compuestos fenólicos a partir de quinoa (Chenopodium contents and antioxidant activity before and after coo- quínoa Willd). Será oportuno continuar los estudios con king in sweet and bitter Chenopodium quinoa seeds. otras variedades de quinoa o modificando las temperaturas LWT-Food Sience and Technology, 43, 447-451. de extracción. 11. Fisher, S; Wilckens, R; Jara, J; Aranda, M. 2013. Variation in antioxidant capacity of quinoa (Chenopodium quinoa Referencias Will) subjected to drought stress. Industrial Crops and Products, 46, 341- 349. 1. Abugoch, L.E. 2009. Quinoa (Chenopodium quinoa Willd): 12. Galvan d’Alessandro, L.; Kriaa, K.; Nikov, I.; Dimitrov, K. 2012. composition, chemistry, nutritional and functional pro- Ultrasound assisted extraction of polyphenols from perties. Advances in Food and Nutrition Research, 58, black chokeberry. Separation and Purification Tech- 1-31. nology, 93, 42-47. 2. 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RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Julia Luisetti et al.: Extracción de compuestos fenólicos de Quinoa 99

quinoa Willd). Industrial Crops and Products. 32, 26. Stikic, R.; Glamoclija, D.; Demin, M.; Vucelic-Radovic, B.; Jova- 258–263. novic, Z.; Milojkovic-Opsenica, D.; Jacobsen, S.; Milovanovic, M. 21. Naczk, M.; Shahidi, F. 2006. Phenolics in cereals, fruits 2012.Agronomical and nutritional evaluation of quinoa and vegetables: Occurrence, extraction and analysis. seeds (Chenopodium quinoa Willd) as an ingredient Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, in bread formulations. Journal of Cereal Science, 55, 41, 1523-1542. 132-138. 22. Repo-Carrasco-Valencia, R.; Hellström, J. K.; Pihlava, J.; Matti- 27. Tang, Y.; Li, X.; Zhang, B.; Chen, P. X.; Liu, R.; Tsao, R. 2015. Cha- la, P. 2010. Flavonoids and other phenolic compounds racterisation of phenolics, betanins and antioxidant in Andean indigenous grains: Quinoa (Chenopodium activities in seeds of three Chenopodium quinoa Willd quinoa), kañiwa (Chenopodium pallidicaule) and genotypes. Food Chemistry, 166, 380–388. kiwicha (Amaranthus caudatus). FoodChemistry, 120, 28. Valencia, Z.; Cámara, F.; Ccapa, K.; Catacora, P.; Quispe, F. 2017. 128–133. Compuestos bioactivos y actividad antioxidante de Se- 23. Repo-Carrasco, R.; Encina Zelada, CR. 2008. Determinación millas de quinua peruana (ChenopodiumquinoaWilld). de la capacidad antioxidante y compuestos fenólicos Sociedad Químerú, 83(1), 16- 29. de cereales andinos: Quinua (Chenopodium quinoa), 29. Vidaurre-Ruiz, J. M; Días-Rojas, G, Mendoza-Llamo, E, Solano- Kañiwa (Chenopodium pallidicaule) y Kiwicha (Ama- Cornejo, M. A. (2017). Variación del contenido de Betalaí- ranthus caudatus). Revista Sociedad Química del Perú. nas, compuestos fenólicos y capacidad antioxidante 74(2), 85–99. durante el procesamiento de la quinua (Chenopodium 24. Silva, E. M.; Rogez, H.; Larondelle, Y. 2007. Optimization of quinoa W.). Revista de la Sociedad Química del Perú, extraction of phenolics from Inga edulis leaves using 83(3), 319-330. response surface methodology. Separation and Purifi- 30. Wang, Z.; Pan, Z.; Ma, H. Atungulu; G. G. 2011. Extract of phe- cation Technology, 55, 381-387. nolics from pomegranate peels. The Open Food Scien- 25. Singleton, V. L.& Rossi, J. A. 1999. Colorimetry of total phe- ce Journal, 5, 17-25. nolics with phosphomolybdic–phosphotungstic acid re- 31. Zhang, G.; He, L.; Hu, M. 2011. Optimized ultrasonic-assisted agents. American Journal of Enology and Viticulture, extraction of flavonoids from Prunella vulgaris L. and 16(3), 144–158. evaluation of antioxidant activities in vitro. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 12, 18-25.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 100 Lisandro D. Giraldez Alvarez et al.: Efectos de los microplásticos en el medio ambiente

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 100–107 Efectos de los microplásticos en el medio ambiente: Un macroproblema emergente

Efects of microplastics on the environment: an emerging macroproblem Efeitos dos microplásticos no meio ambiente: Um macroproblema emergente

Lisandro D. Giraldez Alvarez1, *, Fernanda Braz De Jesus1, Ana P. Lacerda Costa1, Letícia E. Ferraz Bastos1, Daniel A. Moura De Souza1, Douglas Gonçalves da Silva1

1- Laboratório de Química Analítica e Ambiental. Departamento de Ciências Naturais (DCN). Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia (UESB). ESTRADA DO BEM QUERER, KM 4, BAIRRO UNIVERSITÁRIO, VITORIA DA CONQUISTA, Bahia, CEP: 45031-300. Brasil. *E-mail: [email protected] Recibido el 19 de noviembre de 2019, Aprobado el 16 de marzo de 2020. Resumen

Como material liviano, duradero, versátil y potencialmente transparente, los plásticos son ideales para una variedad de aplicaciones. Sin embargo, se producen alrededor de 300 millones de toneladas de plástico por año, de las cuales 13 millones llegan a ríos y océanos lo que puede causar daños irreparables a esos ecosistemas y afectar organismos con capacidad limitada de adaptación. Se estima que hasta el momento se han producido 8300 millones de toneladas métricas (TM) de plástico, de las cuales 6300 TM se han transformado en desechos a partir de 2015, y solo el 9% fueron reciclados. El riesgo que pueden representar los microplásticos (MP’s) para la salud humana aún no es un problema definido, pero existen numerosas evidencias de los impactos negativos del plástico y sus desechos, los microplásticos y nanoplásticos, ingeridos por organismos de diversos ecosistemas. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue llevar a cabo una investigación bibliográfica sobre el estado actual del conocimiento sobre los microplásticos y sus impactos en el medio ambiente, especialmente en ambientes acuáticos.

Palabras clave: Microplásticos; Medio ambiente; Contaminación acuática.

Abstract

As a lightweight, durable, versatile and potentially transparent material, plastics are ideal for a variety of applications. However, around 300 million tons of plastic are produced per year, of which 13 million reach rivers and oceans causing irreparable damage to this ecosystem and affecting organisms with limited adaptation capacity. It is estimated that 8300 million metric tons (MT) of plastic has been produced. From 2015 onwards, 6300 MT has become waste and only 9% of it has been recycled. The risk that microplastics (MPś) can represent for human health is not yet a definite problem, but there is numerous evidence of the negative impacts of plastic and their wastes, microplastics and nanoplastics, ingested by organisms from diverse ecosystems. Therefore, the objective of this work was to carry out a bibliographic investigation on the current state of knowledge about microplastics and their environmental impacts, especially in the aquatic ones.

Keywords: Microplastic; Environment; Aquatic pollution.

Resumo

Por tratar-se de um material leve, resistente, versátil e potencialmente transparente, os plásticos se tornam ideais para uma diversidade de aplicações. Porém, cerca de 300 milhões de toneladas de plástico são produzidos por ano, dos quais 13 milhões são levados aos rios e oceanos podendo causar danos irreparáveis a esse ecossistema afetando os organismos com capacidade limitada de adaptação. Estima-se que 8300 milhões de toneladas métricas (MT) de plástico foram produzidas até o momento, das quais 6300 MT se tornaram resíduos a partir de 2015, e foram reciclados apenas 9%. Mesmo que os microplásticos (MP’s) estejam onipresentes nos oceanos, o risco que podem causar à saúde humana ainda não é uma questão definida. As evidências dos impactos negativos do plástico e seus detritos microplásticos e nanoplástico ingerido pelos organismos de diversos ecossistemas, são fornecidos constantemente pela comunidade científica. Por isso, o objetivo deste trabalho foi realizar uma investigação bibliográfica sobre o estado atual do conhecimento sobre os microplásticos e os seus impactos sobre o meio ambiente, principalmente nos ambientes aquáticos.

Palavras-chave: Microplásticos; Médio ambiente; Contaminação aquática

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Introdução Os microplásticos são de grande ameaça à biota, por serem persistentes e levarem longos períodos para se degra- A produção de materiais pelo ser humano na sua pro- dar, devido também ao seu pequeno tamanho, pois podem cura pela praticidade no dia a dia ocasiona, muitas vezes, ser ingeridos por uma grande variedade de organismos, os vários problemas relacionados à saúde em geral e à preser- quais, por sua vez são afetados por conta de sua grande ca- vação do meio ambiente. Nas últimas décadas a produção pacidade de absorver e concentrar contaminantes, fator que de plástico cresceu radicalmente e, como consequência, o acarreta vários efeitos [10]. Além disso, os microplásticos seu acúmulo e contaminação do meio ambiente como foi apresentam o potencial de absorver contaminantes químicos, observado, por exemplo, no estuário de Goiana, Brasil, e o que leva os organismos aquáticos à ingestão de poluentes no Delta Atrato, Colômbia [1]⁠ [2]⁠. orgânicos e inorgânicos [11]. Ressalta-se, ainda, que sua A compreensão das vias de poluição e dos impactos abundância continue a aumentar, despertando uma séria decorrentes nos ecossistemas é importante não apenas para preocupação para os seres humanos e a fauna marinha [7]. um melhor entendimento das respostas negativas, mas Embora muitas investigações, incluindo várias revisões também para formular medidas de prevenção [3]⁠. Nesse críticas sobre MPs no ambiente tenham sido conduzidas, a sentido, um problema que vem sendo discutido atualmente maioria delas está focada em suas ocorrências no ambiente são os resíduos de plásticos nos ambientes aquáticos, por marinho [12]⁠, sendo importante destacar que de 195 países trazerem consequências adversas aos animais marinhos no mundo só 23 estudaram a poluição por plásticos em e a saúde humana. A crescente contaminação de nossos água doce [13]⁠. Por isso, o objetivo deste trabalho é rea- oceanos com detritos plásticos é um problema de grande lizar uma investigação bibliográfica sobre o estado atual preocupação ambiental. Recentemente, estimou-se que do conhecimento sobre os referidos microplásticos e os 8300 milhões de toneladas métricas (MT) de plástico seus impactos sobre o meio ambiente, principalmente nos foram produzidas até o momento, das quais 6300 MT ambientes aquáticos. se tornaram resíduos a partir de 2015, dos quais foram reciclados apenas 9% [4]⁠. Efeitos dos microplásticos sobre os organismos marinhos Para se compreender as fontes e vias de poluição do plástico nos ambientes aquáticos é necessária uma O conhecimento de sua distribuição em ambientes avaliação abrangente sobre os riscos desses contaminantes remotos como regiões polares e o mar profundo é escasso. orgânicos, para se ter uma definição, o entendimento Amostras de sedimentos coletadas no observatório Ártico e a quantificação do lançamento desses resíduos, tanto HAUSGARTEN a profundidades entre 2340 e 5570 m geográfico quanto temporal [5]⁠. mostraram uma elevada quantidade de microplásticos Por tratar-se de um material leve, resistente, versátil (42−6595 microplastics/kg) com um tamanho de ≤25 e potencialmente transparente, os plásticos se tornam μm em 80% das amostras. Um total de 18 polímeros ideais para uma diversidade de aplicações. Principalmente diferentes foram encontrados com o polietileno clorado quando se leva em conta suas notáveis propriedades de na maior proporção (38%), seguido pela poliamida (22%) barreira ao oxigênio/umidade, seu baixo custo, a bioinércia e polipropileno (16%), indicando que os mares podem ser e sua leveza, que fazem deles formidáveis materiais para importantes transportadores desse material [14]. embalagem [6]⁠. Apesar disso, as evidências dos impactos negativos do plástico e seus detritos microplásticos e Efeitos sobre peixes nanoplástico ingeridos pelos organismos de diversos ecossistemas são fornecidas constantemente pela comunidade Diversos são os efeitos negativos da ingestão de micro e científica [7]. nanoplásticos pelos peixes. Análises mostraram que a carga O Joint Group of Experts on the Scientific Aspects of total desses poluentes no trato gastrointestinal de um peixe Marine Environmental Protection (GESAMP), define mi- durante a sua vida é alta, o que consequentemente poderá croplásticos como “partículas de plástico com menos de 5 afetar sua saúde. Observou-se, como efeitos, o bloqueio in- mm de diâmetro, que incluem partículas na faixa de nano- testinal, o dano físico, as alterações histopatológicas no in- -tamanho (1 nm)” [8]⁠. Sem embargo, considerando toda a testino, as mudanças de comportamento e do metabolismo atenção e pesquisa que existe até o momento, ainda não há lipídico e sus transferência para o fígado [15]. Resultados um consenso claro sobre uma definição que seja extensa preocupantes foram obtidos a partir de estudos realizados o suficiente para abranger todos os critérios necessários no estuário do Douro (Portugal) que microplásticos, bem para descrever os ‘microplásticos’, por isso recentemente como a abundância e distribuição desses resíduos e larvas foi proposta a seguinte definição para os microplásticos: de peixes, os quais mostraram que a densidade que MPs “Microplásticos são qualquer partícula sólida sintética ou superou a de larvas de peixes na maioria das estações e matriz polimérica, com forma regular ou irregular e com áreas estuarinas onde foram coletadas (na proporção de tamanho variando de 1 μm a 5 mm, de origem primária ou 1,0 larvas: 1,5MPS). Os microplásticos (MPs ≤ 5 mm) secundária de fabricação e insolúveis em água” [9]. são particularmente perigosos para os estágios iniciais da

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 102 Lisandro D. Giraldez Alvarez et al.: Efectos de los microplásticos en el medio ambiente vida dos peixes, porque sua ingestão pode induzir bloqueio co. Ostras adultas foram expostas experimentalmente ao intestinal, limitando a ingestão de alimentos ou expondo os micro-esferas de poliestireno, por 2 meses durante um ciclo organismos à contaminação devido à capacidade dos MPs. reprodutivo. Após 2 meses, as ostras expostas apresentaram de absorção de poluentes [16]. significativas reduções na velocidade espermática (-23%), no diâmetro (-5%) e no número de oócitos (-38%). Em com- Efeitos sobre corais paração com os filhos controle, o rendimento das larvas e o desenvolvimento larval dos filhos derivados de pais expostos Constatou-se que uma espécie de coral de água fria ex- diminuíram 41% e 18%, respectivamente [20]. posta por um período de 5 meses a micro e macroplásticos, Na região oriental da Bacia do Levantine (na costa apesar de não ter ocasionado a morte, afetou o organismo libanesa) foi avaliada, pela primeira vez, a poluição tanto em termos de captura quanto em taxa de crescimento. microplástica e os polímeros encontrados mais frequente- Os pólipos de Lophelia pertusa, expostos aos microplás- mente. Neste estudo, foram coletadas em Tripoli, Beirute e ticos, apresentaram um crescimento consideravelmente Sidon duas espécies de frutos do mar anchovas (Engraulis menor em relação ao controle. Além disso, foi observado encrasicolus) e ostras-espinhosas (Spondylus spinosus) o crescimento reduzido do septo sob a exposição micro- regularmente consumidas pela comunidade libanesa, plástica em comparação às condições de controle (307 ± assim como água do mar e sedimentos dos mesmos 360 mm e 1260 ± 770 mm, respectivamente). Neste estudo locais. Os resultados apresentaram diferentes padrões na foram analisadas em conjunto, outras espécies, as quais concentração de MPs: a água de Sidon apresentou elevado não expressaram alterações significativas. No entanto, grau de contaminação (6,7 MPs/m3) por microplásticos, considerando-se que algumas espécies podem ser mais enquanto em Tripoli a maior contaminação foi observada afetadas que outras, a poluição plástica pode levar a uma nos sedimentos (4,68 MPs/g). Foram observados 83,4% redução da biodiversidade nos ecossistemas onde esses e 86,3% de microplásticos na biota de anchovas e ostras- organismos habitam [17]. Seis espécies de corais pétreos espinhosas, respectivamente, mas os índices mais altos de pólipos pertencentes aos gêneros Acropora, Pocillopora de MPs/indivíduo foram vistos nas anchovas e ostras da e Porites foram expostos a microplásticos (polietileno, região de Beirute. Os autores ainda acrescentam que a tamanho 37-16 μm, concentração ca. 4000 partículas L-1) quantidade de resíduos ingeridos por esses animais pode durante quatro semanas. Cinco das seis espécies analisadas resultar em potenciais problemas de saúde, já que há alto apresentaram respostas diferentes à exposição, como por consumo dessas espécies na região; e atribuem a grande exemplo a fixação de microplásticos aos tentáculos ou quantidade de microplásticos na Bacia oriental do Medite- filamentos mesenteriais, produção de muco, crescimento rrâneo à presença dos aterros costeiros e dos resíduos mal excessivo ou morte tecidual [18]. administrados [21]. Para análise dos efeitos a longo prazo em corais, realizou-se um estudo de microcosmo nos organismos Efeitos sobre Zooplâncton pertencentes aos gêneros Acropora, Porites, Pocillopora e Heliopora. Estes foram expostos, por um período de seis A contaminação por microplásticos do ambiente aquá- meses, a uma concentração de 200 particulas L-1 microplásti- tico é considerada um problema crescente. São, portanto, cas relacionadas a níveis de poluição. As espécies Acropora notórios os efeitos que a ingestão de microplásticos pelos muricata e Pocillopora verrucosa mostraram sinais de animais marinhos - incluindo mexilhões, peixes, aves comprometimento da saúde seis semanas após início da marinhas e até mesmo zooplânctons - trazem para a biota. exposição. A taxa de crescimento (mudanças na área da Apesar de haver poucas pesquisas relacionados à ingestão superfície, volume e taxa de calcificação) foi avaliada em dos microplásticos por zooplânctons, através de estudos análise de varredura 3D e medições de peso, nas quais foi realizados em laboratório usando a microscopia de fluo- possível observar impactos negativos em A. muricata e H. rescência foi identificado que trece taxones de zooplancton coerulea. Na primeira, o crescimento da área superficial foi tenían la capacidad de ingerir bolas de poliestireno de 33% menor quando comparado ao grupo controle; a segunda tamanhos que varia de 1.7 a 30.6 μm, con una absorción apresentou taxas de calcificação reduzidas em 3% sob a por parte de los indivíduos que varía según los taxones, exposição, mostrando ao longo do tempo a ocorrência da la etapa de la vida y el tamaño de las bolas, fato que pode diminuição da força do efeito. Esses dados mostram como influenciar as funções e a saúde dos indivíduos [22]. a exposição a microplásticos pode ter efeitos negativos em algumas espécies importantes de corais [19]. Efeitos dos microplásticos em organismos de água doce

Efeitos sobre ostras Até agora, a maioria das pesquisas em microplásticos se concentrou em o ambiente marinho como fui apresentado Foi possível observar o impacto de microesferas de por Bletter et al (2018) mostrado que 87% dos estudos de poliestireno (micro-PS) na fisiologia da ostra do Pacífi- poluição por plásticos estão relacionados aos ambientes

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Lisandro D. Giraldez Alvarez et al.: Efectos de los microplásticos en el medio ambiente 103 marinhos e apenas 13% aos sistemas de água doce, com infiltração, congestão, degeneração hidrópica, hipertrofia uma taxa de crescimento de aproximadamente 41 vs. 7 e hiperplasia, indicando a histopatotoxicidade dos MPs. artigos por ano, para ambientes marinhos e de água doce, Também, foram observadas alterações no tamanho dos respectivamente [13]. Embora os ambientes de água doce núcleos dos hepatócitos, volume e forma induzidos pela e terrestre sejam reconhecidos como origens e vias de exposição aos Mps, fato que evidenciou o efeito citotóxico transporte de plásticos para os oceanos, ainda existe uma desses poluentes [27]. falta comparativa de conhecimento sobre essas questões ambientais [23]. Efeitos sobre Zebrafish A ingestão de microplásticos por invertebrados de água doce não foi relatada fora de estudos realizados em Existem trabalhos mostrando os efeitos dos poluentes laboratório. Sem embargo, em um grande corpo de água orgânicos persistentes sobre o ambiente aquático, mas urbano alimentado pelo rio Irwell, em Manchester, Reino poucas evidências existem sobre os efeitos combinados Unido, foi estudada a ingestão de partículas microplásticas da ingestão de poluentes orgânicos junto com os micro- de sedimentos de fundo por Tubifex tubifex. Os sedimentos plásticos. Zebrafish (Danio rerio) foi submetido durante 3 hospedeiros apresentaram concentrações microplásticas semanas a quatro tipos de alimentos diferentes (alimento variando de 56 a 2544 partículas/kg, 87% das partículas não tratado; alimentos suplementados com microplásticos; microplásticas ingeridas por Tubifex eram microfibras (55 alimentos suplementados com microplásticos a 2% com - 4100 µm de comprimento), enquanto os 13% restantes uma mistura de bifenilpoliclorado (PCB), retardantes de eram fragmentos microplásticos (50 - 4500 µm de com- chama bromados (BFR), compostos perfluorados (PFCs) primento). Enquanto as microesferas estavam presentes e metilmercúrio; e alimentos suplementados apenas com na matriz de sedimentos do hospedeiro, elas não foram a mistura de contaminantes). Neste trabalho, os resulta- detectadas no tecido do verme Tubifex. A concentração dos indicaram que os microplásticos isoladamente não média de microplásticos ingeridos foi de 129 ± 65,4 par- produzem efeitos relevantes ao peixe-zebra nas condições tículas tecido/g. Também foi mostrado, nesse estudo, que experimentais testadas, porém, o efeito combinado de os vermes Tubifex retêm microplásticos por mais tempo microplásticos e contaminantes absorvidos modificou que outros componentes da matriz de sedimentos ingerida. significativamente a homeostase de seus órgãos de uma A ingestão microplástica por vermes Tubifex representa um maneira maior do que apenas com os contaminantes [28]. risco significativo para transferência trófica e biomagnificação Os microplásticos são frequentemente consumidos por de microplásticos na cadeia alimentar aquática [24]. organismos marinhos por apresentarem tamanho semelhan- No lago Rawal, na capital do Paquistão, foi investi- te aos seus itens alimentares, sendo potencialmente tóxicos gada, pela primeira vez, a presença e concentração de e prejudiciais [29]. Foi observada a bioacumulação e toxi- microplásticos nas águas superficiais e sedimentos do cidade dos microplásticos nos organismos do peixe-zebra lago. A abundância de microplásticos em água de água e expostos a três formas de MPs (miçangas, fragmentos e sedimentos foram de 0,142 itens/0,1 L e 1,04 itens/0,01 fibras). Obtiveram como resultado o acúmulo dependente kg, respectivamente. Nesse estudo, os resultados indicaram da forma na ordem de fibras (8,0 mg/mg) > fragmentos que as fibras e fragmentos eram os tipos mais dominantes (1,7 mg/mg) > miçangas (0,5 mg/mg). Esses detritos de microplásticos. A incidência de microplásticos no lago mostraram efeitos negativos no intestino dos peixes, como Rawal afetam não apenas os organismos aquáticos e a danos a mucosa e elevação da permeabilidade, inflamação cadeia alimentar, mas também pode ter impactos signifi- e interrupção do metabolismo, sendo o microplástico na cativos na população das cidades vizinhas [25]. forma de fibra o maior responsável pela severa toxicidade É interessante destacar um estudo pioneiro que intestinal dos animais; além desses efeitos, foi visualizada relata a toxicidade comportamental induzida por MPs a indução de disbiose da microbiota intestinal. É Importan- de polietileno em representantes de grupos de anfíbios. te destacar que, independentemente da forma microplástica Physalaemus cuvieri tadpoles foram tratados por um corto capaz de causar impactos negativos, as outras formas período de tempo de 7 dias a uma concentração de MP’s de não devem ser ignoradas na avaliação dos riscos à saúde polietileno de 60 mg/L e apresentaram problemas de loco- ocasionados pelos microplásticos [30]. moção, sintomas de efeito ansiogênico, bem como deficit de resposta defensiva anti-predatória quando expostos a Efeitos dos microplásticos no solo predadores (Cyprinus carpio). A análise dos dados permi- tiu inferir até que ponto esses poluentes podem afetar os Até agora os impactos causados por microplásticos nos indivíduos e seus predadores naturais que vivem em áreas ecossistemas do solo, especialmente de terras agrícolas, contaminadas [26]. O mesmo grupo de trabalho anterior apesar de serem reconhecidos como um grande reservató- mostrou que a bioacumulação de poluentes no fígado rio de microplásticos. Diante disso, foi avaliada a resposta tadpoles estava correlacionada com diferentes alterações biofísica do solo usando diferentes tipos de microplásticos histopatológicas como dilatação dos vasos sanguíneos, adicionados ao solo que continha a Aporrectodea rosea

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(minhoca de ponta rosada) endógena e plantada com Quando liberado no meio ambiente o microplástico Lolium perenne (azevém perene), como polietileno de alta sofre um tipo de envelhecimento e interage com substân- densidade convencional (HDPE), fibras microplásticas de cias, tais como contaminantes orgânicos, sendo essencial vestuário e ácido polilático biodegradável (PLA). Os resul- para avaliar o impacto do mesmo sobre o ambiente. Ao tados mostraram que menos sementes germinam quando investigar os efeitos dos microplásticos de poliestireno expostas às fibras ou microplásticos PLA; houve também acelerando seu envelhecimento por UV, análises físicas uma diminuição no pH do solo com a presença de HDPE; e química de partículas mostraram que o envelhecimento além disso foi reduzida consideravelmente a biomassa de levou a uma oxidação superficial e uma pequena formação A. rosea exposta ao HDPE quando comparada às amostras de microfissuras, concluindo que essa abordagem gerou controle [31]. estimativas aprimoradas das interações entre microplástico Os distúrbios das relações vitais entre o solo e a água, de poliestireno envelhecido e contaminantes orgânicos [35]. somado à função microbiana e a estrutura do solo foram Os microplásticos podem apresentar efeitos negativos estudadas por Machado et al (2018). Expuseram um diretos, como também podem modificar a toxicidade e solo argiloso a concentrações nominais ambientalmente a biodisponibilidade dos poluentes. Foi testado durante relevantes (podendo chegar até 2%) de quatro tipos de uma semana o efeito combinado de três formulações microplásticos comuns (fibras de poliéster, fibras poliacrí- químicas de glifosato (herbicidas) e dois tipos de micro- licas, contas de poliamida e fragmentos de polietileno), plásticos em Daphnia magna (um tipo de microcrustáceo), por um período de 5 semanas. Após esse tempo, mediu-se tendo como resultado a mudança na toxicidade das a capacidade de retenção de água, a densidade aparente, formulações, causando em algumas combinações até a atividade microbiana, a condutividade hidráulica e a mortalidade dos animais. E essas mudanças ocasionadas agregação do solo. Os resultados mostraram que os mi- pelos microplásticos podem estar relacionadas com a croplásticos afetaram a capacidade de retenção de água, a conformação química dessas moléculas, e a interação das densidade aparente e a relação funcional entre a atividade mesmas provoca efeitos duplos ruins [36]. microbiana e os agregados estáveis da água, sugerindo que O descarte do plástico no maio ambiente também contri- os microplásticos são potencialmente grandes estressores bui para a liberação de metais pesados, tais como mercúrio antropogênicos de longo prazo e impulsionadores da mu- (Hg), normalmente utilizado na produção de cloro; trata-se dança global nos ecossistemas terrestres [32]. do principal ingrediente do PVC, do chumbo (Pb) e do cádmio (Cd), usados para a estabilização. Esses resíduos Efeitos químicos do plástico geralmente são liberados durante o uso e o descarte. Para avaliar os efeitos tóxicos nas espécies comerciais de peixes Vários aditivos e monômeros de plásticos são perigosos Lepidopus caudatus utilizou-se a expressão de vitelogenina para a saúde humana e o meio ambiente. Por exemplo, e metalotioneínas; e em todas as amostras analisadas não di-(2-etil-hexil)-ftalato (DEHP) e bisfenol A, são tóxicos foram encontrados microplásticos no trato gastrointestinal, para a reprodução; cloreto de vinila, acrilonitrila, benzeno mas sim uma grande quantidade de substâncias químicas, e 1,3-butadieno, são cancerígenos; formaldeído, acri- constatando-se, dessa forma, que os peixes podem reter lonitrila, diisocianato de tolueno (TDI) e metacrilato de esses metais pesados no organismo e repassá-los constante- metila, são alergênicos; benzeno, fenol e 1,3-butadieno, são mente através da cadeia alimentar [37]. mutagênicos; benzeno apresenta alta toxicidade crônica; ⁠Para estudar o risco que podem causar à saúde humana fosgênio e TDI apresentam toxicidade aguda muito alta; foi avaliada, usando uma revisão sistemática de artigos éter pentabromodifenílico (PeBDE), acrilonitrila e TDI são publicados, a ingestão de microplásticos a partir da análise ambientalmente perigosos com efeitos a longo prazo [33]. dos alimentos consumidos normalmente em uma dieta Sabe-se que trilhões de fragmentos de resíduo plástico norte-americana, incluindo água potável, a qual representa flutua sobre o mar, mas apenas 1 a 2% entram nos oceanos aproximadamente 15% da ingestão calórica normal, e o anualmente. Para explicar o desaparecimento dos plásticos, potencial de inalação desse material; foi estimado que Zhu et al. (2020) irradiou microplástico pós-consumo (po- o consumo anual de microplásticos por pessoa varia de lietileno, PE; polipropileno, PP; e poliestireno expandido, 39000 a 52000 partículas, dependendo da idade e do sexo; EPS) e obteve como resultado que a luz simulada pode e esses números podem aumentar consideravelmente se remover resíduos de plástico do mar, além de fragmentar, as estimativas incluírem a inalação e a ingestão de água, oxidar e alterar a cor dos polímeros irradiados. No entanto, chegando, nesse caso, a 90000 microplásticos consumidos foi constatado que o carbono orgânico (DOC) é um dos anualmente por pessoa. Isso pode desencadear implicações principais subprodutos da fotodegradação plástica movi- para a saúde humana, representando assim um grande da a luz solar e que esse DOC liberado foi amplamente motivo de preocupação [38]. utilizado por bactérias marinhas, havendo resultado em São evidentes as consequências do plástico no meio impactos mistos nos microrganismos oceânicos e nas redes ambiente aquático, porém ele apresenta efeitos diretos alimentares que eles suportam [34]. sobre os seres vivos, incluindo o ser humano, devido ao

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Lisandro D. Giraldez Alvarez et al.: Efectos de los microplásticos en el medio ambiente 105 consumo. Esses efeitos podem ser pela ingestão, ocasio- da população, não são de simples identificação e não são nado o estrangulamento, o aprisionamento ou a toxicidade. removidos pelos sistemas convencionais de tratamento de Com relação a essa última, o IARC (Agência Internacional esgoto existentes nos países [41]. de Pesquisa em Câncer) inclui diversos tipos plásticos, com Embora existam algumas campanhas lançadas para seus componentes ou derivados que são causadores de reduzir a quantidade de plásticos nos oceanos, são limi- câncer, como os derivados de PVC (policloreto de vinila) tadas e dirigidas à consciência dos indivíduos. Em 2017, oi PS (poliestireno). Mesmo não havendo efeitos físicos a Indonésia se comprometeu a reduzir o plástico lançado e químicos direto em seres humanos, sabe-se que o plás- no mar; o Uruguai prometeu introduz imposto sobe os tico pode absorver contaminantes como PCBs (bifenilos sacos plásticos e a Costa Rica sinalizou com a intenção de policlorados), PAHs (hidrocarbonetos aromático policí- melhorar o gerenciamento de resíduos e a educação para clicos) ou DDT (diclorodifeniltricloroetano), aumentar reduzir o uso de sacolas. Foi proposto, naquele contexto, relativamente o potencial efeito poluente, degradando-se que, em 2020, sejam totalmente eliminadas as maiores em microplástico e causar impacto físico direto a partir da fontes de plástico no mar: os microplásticos de cosméticos toxicidade, devido a incorporação de compostos químicos, e as embalagens descartáveis. Mas, considerando os efeitos tais como plastificantes, aditivos, metais pesados etc. [39]. apresentados nesta revisão, o princípio de precaução deve ser priorizado por parte das autoridades sanitárias e am- Conclusões bientais dos diferentes países e organizações internacionais e não se limitar ao lançamento de campanhas publicitárias Diante do que foi mostrado a respeito da contaminação dirigidas à consciência das pessoas. Para finalizar, gosta- dos ambientes aquáticos por meio do plástico, é necessário ríamos de destacar mais um dado preocupante publicado um monitoramento extenso, com amostragens sistemáticas por Bletter et al [13], o qual mostra que a grande maioria em sedimentos e águas superficiais para entender melhor a das pesquisas sobre microplásticos em água doce é desen- origem dos insumos. A partir dos resultados apresentados volvida em países denominados do primeiro mundo, sendo, em esta revisão, podemos observar dos elementos impor- praticamente ignorados os problemas da poluição originada tantes a considerar: O primeiro é a constatação de que a por los microplásticos sobre os recursos dos países em vias maioria dos artigos publicados têm o seu foco nas águas de desenvolvimento, marinhas em detrimento dos estudos realizados em água A evidência científica mostrando os macroproblemas dolce, com o qual sugerimos e recomendamos, que mais que os microplásticos originam para o médio ambiente são esforços sejam dirigidos à pesquisa dos efeitos dos micro- mais que evidentes como para limitar o problema a uma plásticos sobre a água doce, considerando principalmente, questão simplesmente de curiosidade científica. que esta fonte de recursos naturais constituí uma mateira prima fundamental de diversas indústrias, como a pesquei- Agradecimentos ra, e por suposto, um recurso primordial para a vida dos seres humanos. O segundo ponto a destacar é a observação, Agradecemos a todos os funcionários del DCN pelo não quantitativa, da falta de uma metodologia específica o seu trabalho de apoio para todos os professores. LDGA para identificar e analisar a presença dos microplásticos agradece a la FCEYN de la Universidad de Buenos Aires em diversos ambientes naturais. Sem embargo, gostaría- pela formação de qualidade oferecida de forma gratuita e mos de sugerir, como ponto de partida, o seguimento dos universal. métodos de laboratório de análises publicadas por Marine Debris Program, da National Oceanic and Atmospheric Referencias Administration [40] assim como também as metodologias publicadas pelo Joint Group of Experts on the Scientific 1. A. R. A. Lima, M. F. Costa, and M. Barletta. Distribution pat- Aspects of Marine Environmental Protection (GESAMP) terns of microplastics within the plankton of a tropical [8]. Embora, essa falta de uma metodologia padronizada estuary. Environ. 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RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 108 Jaime Menéndez Álvarez et al.: Sistema electrónico experimental para medir parámetros de la marcha

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 108–115 Sistema electrónico experimental para la medición de variables de parámetros de marcha en ancianos

Experimental electronic system for the measurement of gait parameter variables in elderly people

Jaime Menéndez Álvarez1,*, Gianna Arencibia Castellanos1, Fidel E. Hernández Montero1, Juan R. Rodríguez Suárez2, Ailén Pérez Molinet1

1- Universidad Tecnológica de La Habana “José Antonio Echeverría” (CUJAE), Cuba 2- Universidad de Pinar del Río, Cuba *E-mail: [email protected] Recibido el 10 de diciembre de 2019, Aprobado el 28 de abril de 2020. Resumen

En el estudio actual que se realiza en Cuba sobre el monitoreo de indicadores del desempeño físico en ancianos, los parámetros medidos son afectados por la subjetividad del especialista que realiza las mediciones y no se tiene en cuenta la variabilidad que puede existir en estos. Desarrollar y evaluar en un entorno de laboratorio un sistema electrónico, de bajo costo, capaz de medir de forma inalámbrica estas variables físicas brinda la posibilidad de obtener parámetros de la marcha de manera automática. El sistema diseñado está basado en una Unidad de Medición Inercial (IMU) por tanto es capaz de medir la aceleración lineal y la velocidad angular en los tres ejes coordenados, así como la temperatura. El sistema transmite los datos de forma inalámbrica vía Bluetooth hacia una PC donde se implementa la etapa de procesamiento. Se evalúa el sistema de medición diseñado con diferentes pruebas que demuestran un comportamiento satisfactorio. También se muestran los resultados obtenidos al usar el dispositivo, en una prueba de equilibrio dinámico; en la cual las variables físicas obtenidas del IMU son procesadas con el fin de obtener el ángulo de inclinación del sensor.

Palabras clave: IMU; Sistema de Adquisición; Arduino; Indicadores de desempeño físico.

Abstract

This research, which is carried out in Cuba, is about the monitoring of physical performance indicators on elderly people. The parameters under measurement are affected by the specialist subjectivity who measures the parameters without carefully considering the variability that may exist among them. Developing and evaluating, within a laboratory environment, a low-cost electronic system capable of wirelessly measuring these physical variables, allows the possibility to automatically obtain gear parameters. This system is based on an Inertial Measurement Unit (IMU) that is able to measure not only the linear acceleration and angular speed in the three coordinate axes but also the temperature. At the same time, the system transmits data, via Bluetooth, to a PC where signal processing techniques are implemented. The designed measurement system is evaluated through different proofs which demonstrate a satisfying behavior. The obtained results are also shown when using this system in a dynamic equilibrium test in which the physical variables obtained by the IMU are processed to get the sensor angle inclination.

Keywords: IMU; Acquisition System; Arduino; Physical performance indicators.

Introducción de la Marcha, Fuerza de Agarre y Equilibrio. Estos contri- buyen a medir el grado de funcionalidad en los ancianos El envejecimiento es un fenómeno irreversible, común y entre los indicadores más utilizados está la marcha, sus a todas las especies (Guerra et al., 2018). Estudios demo- parámetros se muestran en la Tabla 1 ( Best et al., 2017, gráficos recientes estiman que la población actual de más Jerome et al., 2015, Aboutorabi et al., 2016). En Cuba se de 65 años se duplicará en el año 2030, por tanto el cuidado han realizado estudios sobre los indicadores del desempeño y monitoreo de la salud del adulto mayor se hace cada vez físico en ancianos (Agustín & Capote, 2010, Agustín et al., más necesario (Rodríguez et al., 2017). Los indicadores de 2013, Agustín et al., 2018). Esto ha permitido la correcta Desempeño Físico reflejan la capacidad para realizar mo- caracterización de los mismos y la identificación de adultos vimientos o actividades específicas tales como: Velocidad mayores frágiles. Los procedimientos para medir estos in-

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Jaime Menéndez Álvarez et al.: Sistema electrónico experimental para medir parámetros de la marcha 109 dicadores se realizan mediante inspección visual por tanto, triaxial de bajo consumo y alta precisión. La frecuencia los resultados pueden verse afectados por la subjetividad de muestreo aconsejable para poder medir el movimiento del especialista que realiza las mediciones. humano es de 40 Hz. Sin embargo, es apropiado que el Para mejorar la calidad de estas pruebas y obtener IMU tenga una frecuencia de muestreo de hasta 200 Hz, mediciones más objetivas de los indicadores, es necesario ajustable por el usuario, abriendo la posibilidad de mejorar automatizar las pruebas de desempeño físico. En la acla precisión y de ampliar el abanico de aplicaciones para el tualidad existen equipos basados en sensores inerciales dispositivo (Ribeiro & Santos, 2017). que pueden ser usados para medir estos indicadores, es Los módulos de transmisión y almacenamiento de datos el caso del modelo MTi-10-series del fabricante Xsens el deben tener la posibilidad de inhabilitarse en función del cual está formado por: IMU (Unidad de Medición Iner- modo de operación del sistema, ya sea para un comporta- cial), VRU (Unidad de Recuperación de Vapor) y AHRS miento “online” u “offline”. Se indica un comportamiento (Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo), con un “online” a la transmisión continua de todos los datos obte- costo de 800 euros. También del mismo fabricante existe nidos hacia una PC, vía Bluetooth, y su captura en tiempo el modelo MTi-100 basado en INS (Sistema de Navegación real por una aplicación desarrollada en el ordenador. Un Inercial), IMU, VRU y AHRS, este provee datos con gran comportamiento “offline” solo incluiría la captura de datos precisión como son: la posición, velocidad, aceleración y y su almacenamiento en una tarjeta micro SD. orientación, con un costo de 1850 euros. Ambos sensores A continuación, se describe la arquitectura en bloques vienen acompañados por un software que permite graficar del hardware diseñado, así como los sensores inerciales los datos obtenidos y la comunicación entre el sensor y la incluidos. Se detallan las características del firmware computadora se hace mediante la interfaz RS232. desarrollado y el funcionamiento del programa. En este trabajo se desarrolla y evalúa un sistema elec- trónico que permite la medición inalámbrica de variables Hardware Desarrollado físicas necesarias para el monitoreo de la marcha humana, con un costo reducido en relación con desarrollos similares. En la Figura 1: Diagrama en bloques del sistema de adquisición de datos.1 se muestra un diagrama de bloques Tabla 1: Parámetros de la marcha. del diseño propuesto. Cantidad de pasos

Longitud del paso Módulo de Adquisición. Módulo de Procesamiento Comunicación Cadencia (Cantidad de pasos/Tiempo) Adaptador Módulo Inalámbrica Sensores μSD Inalámbrico Velocidad Serie Puerto

Duración del paso Almacenamiento, Contacto inicial (inicio del paso) procesamiento y visualización de los Microcontrolador Contacto final (fin del paso) datos.

Figura 1: Diagrama en bloques del sistema de adquisición de datos. Materiales y Métodos El módulo de adquisición es el bloque que contiene los El diseño del sistema se ha realizado en base a los sensores inerciales y que envía los datos a una PC para su siguientes requerimientos: procesamiento y visualización, o bien almacenarlos en una • Dispositivo capaz de registrar señales inerciales con tarjeta micro SD para su análisis posterior. Este módulo una frecuencia de muestreo estable de hasta 200 Hz. es el corazón del sistema y está formado por un Arduino • Posibilidad de almacenamiento de la información en Nano, la unidad de medición inercial MPU-6050, un mó- una tarjeta micro SD. dulo Bluetooth utilizado para la transmisión inalámbrica • Transmisión de datos en tiempo real de manera ina- de datos, un adaptador micro SD para el almacenamiento lámbrica empleando el protocolo Bluetooth. y una batería de 9 V. • Visualización de datos en tiempo real en un ordenador. El Arduino Nano es una tarjeta pequeña, perteneciente • Interfaz sencilla, con posibilidad de definir parámetros a la gran familia Arduino, ideal para proyectos donde el como frecuencia de muestreo, modo de operación, tamaño es una limitante. El Arduino está controlado por el rango de operación y el almacenamiento de los datos ATMEGA328P, un microcontrolador de bajo consumo de a un archivo. 8 bits de Atmel basado en RISC. La tensión de funciona- • Sensor pequeño y portable. miento del dispositivo se encuentra entre 1.8-5.5V. El MPU-6050 es el sensor seleccionado para el diseño Para las aplicaciones de monitorización de movimiento debido a su precisión, bajo costo y amplio uso en la lite- humano y de acuerdo con los requerimientos de usabili- ratura para el estudio de la marcha ( Kodappully et al., dad se requiere que el sensor sea pequeño y portable. El 2017, Dinh et al., 2017, Ibarra et al., 2018, Xu et al., 2016, dispositivo debe poseer un acelerómetro y un giroscopio Kardos et al., 2017, Wang et al., 2015, Shiao et al. 2017).

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Posee un acelerómetro y un giroscopio en los tres ejes con Módulo de Adquisición. Firmware Desarrollados 2 y 3. una alta precisión, así como un sensor de temperatura. De acuerdo con los requerimientos, el dispositivo se debe comunicar inalámbricamente con el ordenador para proporcionar los datos de los sensores en tiempo real mediante Bluetooth. El módulo Bluetooth seleccionado para el diseño es el HC-05, ya que es compatible con la mayoría de los dispositivos por implementar Bluetooth 2.0, es de bajo costo y es ampliamente utilizado en la literatura para el desarrollo de sistemas utilizando microcontroladores (Kodappully et al.,

2017, Dinh et al., 2017, Kardos et al., 2017, Caliskan et al., Figura 2: Diagramas de conexiones del Módulo de Adquisición. 2018, Ma et al., 2018, Lee et al., 2018, Mazumder & Vas- hista, 2017, Shandilya et al., 2015, Mathur et al., 2016). Ha sido configurado a una velocidad de transferencia de 115200 baudios en modo esclavo y posee un consumo de 31.5 mA de acuerdo con sus especificaciones. Es un dispositivo clase 2 por lo que permite un rango de alcance de unos 10 m, pudiendo ser mayor en espacios cerrados por la presencia de reflexiones. La tensión de alimentación es de desde 3.5 hasta 6 V, ya que posee un regulador de 3.3 V integrado. Dado que el dispositivo debe comportarse también como un sistema de almacenamiento de datos, es requerido que incluya una unidad de almacenamiento. Para ello, se incorpora un conector para tarjeta micro SD. La tensión de alimentación de los módulos es de 3.3 V, pero en la Figura 3: Diagrama en Bloques del Módulo de Adquisición. Firmware Desarrollado mayoría de los módulos se incorpora un regulador que permite alimentarlo directamente a 5 V. El firmware es el encargado de gobernar los periféricos El sistema está alimentado por una batería de 9 V y 1000 que intervienen en el sistema. La principal prioridad del mAh. La autonomía se calcula de 20 horas aproximada- dispositivo es garantizar una frecuencia de muestreo mente cuando las condiciones son las siguientes: el sistema estable y precisa. El módulo de Bluetooth realiza dos trabaja a una frecuencia de muestreo de 200 Hz mientras funciones principales en el dispositivo. La primera es se almacenan los datos continuamente en la tarjeta micro recibir instrucciones de configuración del ordenador para SD de todos los sensores. Es posible enviar los datos en establecer los parámetros del dispositivo. La segunda es tiempo real a través del módulo Bluetooth a la frecuencia enviar los paquetes de datos en tiempo real con el fin de de muestreo seleccionada, pero esto hace que el rendimiento que se puedan procesar o almacenar en un sistema externo. del dispositivo disminuya. Cuando se envían los datos a 200 En la Tabla 2 se muestran los modos de operación del Hz, vía Bluetooth, se estima que la autonomía decrece de dispositivo. La tarjeta micro SD que se empleó en el dis- 20 horas a 10 horas, ya que el consumo de dicho módulo es positivo tiene una capacidad de 8 GB y funciona a través más alto que el consumo exigido por la tarjeta micro SD en de un sistema de archivos FAT32. Puesto que las tarjetas el proceso de almacenaje de datos. micro SD son dispositivos de memoria flash, los procesos El dispositivo diseñado posee dos modos principales de para escribir bloques de datos a través de la SPI hacia la operación: “online” y “offline”. Si se selecciona el modo tarjeta SD pueden tardar más de 250 ms. “online”, el microcontrolador leerá los datos del sensor y los transmitirá de manera continua vía Bluetooth hacia una Tabla 2: Modos de operación del dispositivo. PC. La aplicación es capaz de graficar las siete señales me- Modo de Operación Acción Establece en el dispositivo el modo “offline” didas por el sensor, que incluyen la aceleración en los tres 0 e inicia el proceso de captura almacenando ejes, la velocidad angular en los tres ejes y la temperatura los datos en la memoria micro SD. Establece en el dispositivo el modo “online” del dispositivo en grados Celsius. En el modo de operación 1 e inicia el proceso de captura transmitiendo “offline”, los datos serán continuamente almacenados en continuamente todos los datos mediante Bluetooth. Detiene el proceso de captura de datos y pone al 2 una tarjeta micro SD conectada al módulo de adquisición dispositivo en espera de una nueva configuración. para su posterior análisis, permitiendo la utilización del dispositivo sin restricciones de distancias y elevando la Para hacer más eficiente la escritura en micro SD y autonomía del dispositivo. evitar latencias innecesarias, la escritura en esta se realiza Las conexiones del módulo de adquisición de datos cuando hay 512 bytes de datos listos para escribir, es decir, se muestran en las Figura 3: Diagrama en Bloques del cuando se han capturado 32 muestras de cada sensor.

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Figura 4: Interfaz gráfica de la aplicación. Para el desarrollo de la aplicación en el ordenador se datos son salvados a un archivo temporal y el buffer se utilizó el lenguaje de programación Python en su versión vacía. 3.5 y como ambiente de desarrollo o IDE (Integrated Deve- lopment Environment), el Spyder. Los módulos utilizados Resultados y Discusión en Python para la implementación del programa son: Numpy, paquete que provee a Python con arreglos multi- Fue construido un prototipo de prueba con la finalidad dimensionales de alta eficiencia y diseñados para cálculo de evaluar su funcionamiento y desempeño usable en las científico. PyQt5 y PyQtgraph, módulos utilizados para investigaciones que sobre desempeño físico en ancianos se graficar en tiempo real la señal, así como para implemen- llevan a cabo. Las evaluaciones del sistema se realizaron tar la interfaz gráfica de la aplicación. PySerial, módulo sobre el proceso de construcción en diferentes fases, y lue- utilizado para el manejo del puerto serial. Se utilizó la go fueron integrados cada uno de los resultados al unificar librería PyQt5 para el desarrollo de la interfaz gráfica. La los módulos. En la Tabla 3: Costo del prototipo desarro- aplicación tiene una interfaz conformada por una ventana llado.5 se muestra el prototipo diseñado sin el adaptador de visualización, en la que se pueden observar los datos en micro SD y en la Tabla 3, el costo de sus componentes, tiempo real adquiridos por el sensor. La interfaz gráfica se para lo cual los precios de estos fueron consultados en el muestra en la Figura 4: Interfaz gráfica de la aplicación.4. año 2019 en la página web de Digi-Key. Al abrir el programa, se realiza una búsqueda de todos los puertos seriales disponibles en el PC, por lo que es fundamental conectar el módulo de adquisición, o empa- rejarlo vía Bluetooth con el ordenador antes de iniciar la aplicación y seleccionar el puerto correcto. Al seleccionar el puerto, la frecuencia de muestreo, los rangos del sensor, el modo de trabajo y luego presionar el botón de inicio, au- tomáticamente la aplicación abrirá el puerto seleccionado y enviará un paquete de configuración al módulo de adqui- sición vía Bluetooth con los parámetros seleccionados en la interfaz de usuario. Al detener la adquisición de datos con el botón de Parar, se envía al módulo de adquisición Figura 5: Prototipo del Sistema propuesto. un paquete de configuración con la orden de detener estableciendo el campo modo de operación seleccionado. Se Tabla 3: Costo del prototipo desarrollado. ofrece además la opción de guardar los datos recopilados Cantidad Precio (USD) Arduino Nano - ATmega328P 1 3.99 en la ubicación y con el nombre deseado. MPU-6050 1 2.80 Cada paquete de datos recibido por el programa es al- Bluetooth HC-05 ZS-040 1 4.99 Batería de 9V 1 7.99 macenado en el buffer de entrada del puerto serie. Cada 50 Lector de Tarjetas micro SD Arduino 1 1.55 ms todos los datos en el buffer de entrada del puerto serial Costo de los componentes 21.32 USD es procesado, agregando los nuevos valores a las gráficas Pruebas técnicas 50 Honorarios por el trabajo de los diseñadores 100 y guardando los datos en un buffer de datos. Luego, cada Costo total 171.32 USD 10 segundos, todos los valores disponibles en el buffer de

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La primera fase de pruebas inició con la puesta en treo procediéndose de la siguiente manera: Se configuró marcha del sensor y la evaluación de la máxima frecuen- la frecuencia de muestreo en el sensor y se habilitó un cia de muestreo del sistema. La frecuencia máxima de la contador para la transmisión de 200000 muestras. En la Unidad de Medición Inercial MPU-6050 es de 1 kHz para PC, y a través del puerto serial se recibían estas muestras y el acelerómetro, y 8 kHz para el giroscopio. se guardaban, además de graficarlas en tiempo real. La eva- El objetivo del experimento es comprobar la máxima luación se realizó mediante inspección visual y el análisis frecuencia de muestreo a la cual la tarjeta Arduino Nano, de los datos obtenidos. A medida que se obtienen los datos trabajando a 16 MHz, es capaz de obtener los siete datos de en tiempo real, es posible apreciar el comportamiento de 16 bits del sensor y transmitirlos vía serie hacia el ordena- la señal con la observación de las gráficas en el programa dor. Para ello, fue utilizado cable mini USB para conectar diseñado. Si el sensor está en reposo, los ejes de las velo- el Arduino Nano con el ordenador. Para las pruebas se cidades angulares deberán estar con valor nulo, y solo se configuró el puerto serial del Arduino a 115200 baudios. medirá, según la posición del sensor, la aceleración de la Se encontró que no era posible la transmisión de los gravedad de 9,8 m/s2 en el eje perpendicular a la superficie datos a la velocidad de 115200 baudios si se utiliza una terrestre. Además, mientras funciona el sensor, se puede frecuencia de muestreo de 1 kHz. Cada paquete tiene un apreciar de manera visual como responde a las vibraciones tamaño de 16 bytes y cada byte se transmite mediante el y movimientos del dispositivo. En el ordenador también se puerto serial acompañado de un bit de parada. Teniendo analiza la integridad de los datos. Para ello se verifica que en cuenta esto, para cada paquete es necesario transmitir el fichero guardado contenga las 200000 muestras que se 16 bytes * 9 bits =144 bits. Si se divide la frecuencia del transmiten con los 16 bytes cada uno. puerto serial 115200 baudios entre 144 bits se encontró que Los resultados arrojaron que la máxima frecuencia a la máxima frecuencia de muestreo que se puede utilizar a la que es posible trabajar con el dispositivo, configurando 115200 baudios es 800 Hz. Para comprobarlo, se configuró el puerto serial a 115200 baudios, es de 727.3 Hz. A esta una frecuencia de muestreo de 1 kHz en el sensor, y se frecuencia se obtuvieron los 200000 datos transmitidos en comprobó mediante análisis visual que la señal obtenida y el ordenador sin errores, además de que el análisis visual graficada en el ordenador estaba completamente distorsio- reflejó la correcta obtención de las muestras. Se realizaron nada y no respondía a los movimientos del sensor, como los mismos experimentos a la velocidad de 666,6 Hz y se muestra en la Figura 6: Señal distorsionada obtenida al 615.4 Hz con los mismos resultados. establecer 1 kHz de muestreo.6. Esto ocurre por el “cuello Se probó la velocidad del puerto serial a 230400 bau- de botella” que se produce al muestrear tan rápido y no dios y se realizaron las pruebas descritas con frecuencias poder transmitir todos los datos obtenidos. de muestreo de hasta un 1 kHz, sin distorsión en la señal Se realizaron pruebas a diferentes frecuencias de mues- y obteniéndose todos los datos transmitidos sin errores.

Figura 6: Señal distorsionada obtenida al establecer 1 kHz de muestreo.

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Debido a que algunas versiones del módulo Bluetooth HC- escritura se realizara cada vez que se guarda un paquete, el 06 no soportan velocidades por encima de 115200 baudios, proceso sería 16 veces más lento, por lo tanto, la escritura y a que algunos sistemas operativos pueden dar problemas en bloques es una buena práctica para optimizar la veloci- con estas velocidades, se decidió establecer el baudrate del dad del sistema. puerto serial a 115200 baudios. No es necesario para los Utilizando la función de biblioteca de Arduino micros(), fines del dispositivo tomar muestras a valores mayores que que mide el tiempo en microsegundos desde que se inició 115200 baudios, ya que la frecuencia recomendada para el sistema, se implementó un programa que transmite, medir los movimientos del ser humano es de 40 Hz y el mediante el puerto serial, el tiempo que demora la escritura requisito de diseño propuesto es de 200 Hz. en la tarjeta SD. Para el manejo de la tarjeta se utilizó Se realizaron pruebas en cuatro entornos: dos al aire la librería SD, incluida en el entorno de desarrollo de libre y dos en espacios cerrados, como se describe en la Arduino. Al escribir más de 512 bytes, automáticamente Tabla 4. Se utilizó una PC del fabricante DELL, modelo se escribirá el bloque en la tarjeta y se cargará el próximo Inspiron 15, serie 3000 con adaptador Bluetooth modelo bloque. Se configuró el sensor a una frecuencia de 200 1705 del fabricante Qualcomm Atheros. El módulo Blue- Hz y se utilizó una tarjeta micro SD de 8 GB clase 4 del tooth HC-05 fue configurado a una velocidad de transmi- fabricante japonés ADATA con sistema de archivos FAT32. sión de 115200 baudios con un bit de parada y ningún Los resultados de las pruebas arrojaron demoras varia- bit de paridad. El programa implementado en el Arduino bles de hasta 221 ms en la tarjeta micro SD. Este resultado configuró la frecuencia de muestreo a 200 Hz. limita la frecuencia de muestreo del dispositivo al utilizar la Se procedió de la siguiente manera: a partir de 8 m y tarjeta como modo de operación. Teniendo en cuenta que el aumentando progresivamente la distancia en intervalos de 0,5 buffer FIFO puede almacenar unos 32 valores de lectura de m se ubicó el dispositivo, se intentó establecer la conexión todos los sensores, la frecuencia máxima a la que se puede y en caso de ser exitosa, se tomaron muestras durante 5 muestrear con esta latencia es de 144 Hz. Por ello, el funcio- minutos configurando el sensor a una frecuencia de 200 Hz. namiento utilizando la tarjeta micro SD se ha limitado a 125 Las muestras fueron adquiridas por un programa desarrollado Hz como frecuencia máxima de trabajo (modo “offline”). en Python, que comprobaba que el número de secuencia del paquete que se obtenía era el correcto y que no se perdieran Aplicación Real del Sistema paquetes. Los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 4, donde se detallan el porciento de paquetes perdidos El sistema fue aplicado en las pruebas de evaluación en la comunicación. Se comprobó, mediante el análisis de los de equilibrio clínico que se desarrollan en el Hospital números de secuencias incluidos en cada uno de los paquetes “General Calixto García”, en particular, en el Centro de de datos, el porciento de paquetes que se perdieron durante Investigación sobre Longevidad, Envejecimiento y Salud. la comunicación, los resultados obtenidos son esperados ya Una de estas pruebas es la de equilibrio dinámico, la cual que se está trabajando con dispositivos Bluetooth de clase 2. consiste en contar cuántas veces un adulto mayor cambia desde la posición de sentado a parado en un tiempo de 12 Tabla 4: Porcentaje de paquetes perdidos a diferentes distancias. s. Para esto, se colocó el sistema electrónico en la forma Entorno Distancia que se muestra en la Figura 7: Sujeto realizando pruebas 8 m 9 m 10 m 11 m 12 m 13 m 14 m de equilibrio con el sistema propuesto.7, con el objetivo de Espacio Abierto. 0 0 0 0 12% 34% 60% usar la estimación del ángulo de orientación del IMU, en Espacio Abierto 0 0 0 17% 31% 60% - con obstáculos el plano transversal del cuerpo humano. Para estimar este Espacio cerrado 0 0 0 7% 25% 63% - en la misma ángulo se utilizó el algoritmo de filtro complementario, el habitación. cual fusiona los datos del acelerómetro y del giroscopio Espacio cerrado 0 0 21% 48% 60% - - en habitaciones con el propósito de obtener una medida más exacta de los adyacentes. ángulos de inclinación del sensor (Peña, 2013). Luego, se contarán las subidas consideradas como válidas. Una Entre los requerimientos del diseño está la inclusión de subida será considerada como válida cuando la señal de un adaptador para tarjetas de memoria micro SD, ya que el ángulo estimado supere un umbral, que en este caso se dispositivo podría ser utilizado para el monitoreo prolonga- establece de manera empírica, con valor de 75, dentro de do de la actividad física en entornos abiertos. Debido a que un intervalo de 12 s. la lectura y escritura en estos dispositivos traen demoras en los procesos del sistema, se decidió evaluar cuál era la máxima frecuencia de muestreo a la que se puede trabajar en el dispositivo con micro SD sin que se pierdan datos. Para minimizar el tiempo de escritura en micro SD se decidió grabar los datos en bloques de 512 bytes. En un bloque se pueden guardar 32 paquetes de 16 bytes. Si la

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euros y el MTi-100 con un costo de 1850 euros. El perfeccionamiento de este sistema puede permitir en un futuro cercano realizar el diagnóstico y seguimiento de diversas enfermedades relacionadas con el deterioro cognitivo como por ejemplo la demencia. Así como la detección de ancianos frágiles y con riesgo de caídas. Esto se debe a que existe una estrecha relación entre los parámetros de la marcha y el estado cognitivo de una persona. En futuros Figura 7: Sujeto realizando pruebas de equilibrio con el sistema trabajos también se propone comparar el sistema electróni- propuesto. co propuesto con otros que existen en el mercado en cuanto Como resultado, y a modo de ejemplo, en la Se ha di- a precisión, robustez, confiabilidad, nivel de aplicación, señado a través de un sistema basado en microcontrolador, entre otros aspectos, que nos permitan determinar la ca- con interfaz Bluetooth, una herramienta capaz de medir lidad de nuestro sistema así como su perfeccionamiento. inalámbricamente las variables físicas necesarias para determinar parámetros correspondientes a indicadores Referencias de desempeño físico en ancianos. El dispositivo puede trabajar enviando los datos en tiempo real vía Bluetooth 1. Guerra, JJL; Marante, JPD; Salgado, AMR; Peñalver, A; Guerrero, o bien guardando los datos en una tarjeta micro SD. Los EPG; Mola, E. R & Palls, MT. E . (2018). Determinants of the datos recibidos inalámbricamente se grafican en tiempo health status of the population and its influence on the real; y luego son procesados para determinar el ángulo de development of cognitive disorders. Revista Cubana de elevación que alcanzan los pacientes al realizar la prueba Salud Pública ; 44(1):141–152. de equilibrio dinámico.8 se muestra la estimación del 2. Rodríguez, JJ. L; Cepero, A. V; Medina, AM. L; Fernández, L. N; ángulo obtenida al realizar una prueba, en la cual el cambio Álvarez R. P; Hernández, MA. G, et al. (2017). Cuba’s aging de posición se realiza de forma válida tres veces en 12 s. and Alzheimer longitudinal study. MEDICC Rev. Se aprecia que se opera de manera efectiva. 2017;19:31–35. 3. Best JR, Ambrose T. L, Boudreau RM, Ayonayon HN, Satterfield S, Simonsick, EM, et al. (2016). An evaluation of the longitudinal, bidirectional associations between gait speed and cognition in older women and men. J Gerontol Ser Biomed Sci Med Sci. 2016;71(12):1616–1623. 4. Jerome, GJ; Ko, S; Kauffman, D; Studenski, SA; Ferrucci, L; Si- monsick, EM. (2015) Gait characteristics associated with walking speed decline in older adults: results from the Baltimore Longitudinal Study of Aging. Arch Gerontol Geriatr. 2015;60(2):239–243. 5. Aboutorabi, A; Arazpour, M; Bahramizadeh, M; Hutchins, SW; Fa- dayevatan, R. (2016). The effect of aging on gait parame- Figura 8: Señal de Ángulo, Plano Transversal. ters in able-bodied older subjects: a literature review. Aging Clin Exp Res. 2016;28(3):393–405. Conclusiones 6. Agustín, DG; Capote, CB. (2010). Desempeño Físico en adultos mayores sanos, del municipio Plaza de la Revolu- Se ha diseñado a través de un sistema basado en micro- ción. GeroInfo. Vol. 5. N°1. 2010. ISSN 1816-8450. controlador, con interfaz Bluetooth, una herramienta capaz 7. Agustín, DG; García, JFP; de la Torre, JAP; Orihuela, MG; Osores, de medir inalámbricamente las variables físicas necesarias RM; González, AG. (2013). Comorbilidad y Desempeño en para determinar parámetros correspondientes a indicadores personas adultos mayores de La Habana, Cuba. Horiz de desempeño físico en ancianos. El dispositivo puede Méd. 2013;13(2):19–27. trabajar enviando los datos en tiempo real vía Bluetooth 8. Agustín, DG; Morejón, SC; Pérez, ZR. (2018). Las pruebas de o bien guardando los datos en una tarjeta micro SD. Los desempeño físico en el pronóstico de desenlaces ad- datos recibidos inalámbricamente se grafican en tiempo versos en los ancianos. MediSan. 2018;22(6):466–470. real; y luego son procesados para determinar el ángulo de 9. Ribeiro, NF; Santos, CP. (2017). Inertial measurement units: elevación que alcanzan los pacientes al realizar la prueba A brief state of the art on gait analysis. En: IEEE 5th de equilibrio dinámico. Portuguese Meeting on Bioengineering (ENBENG). Se logró desarrollar un sistema electrónico a un costo 2017. p. 1–4. más bajo que los sistemas que actualmente se comerciali- 10. Kodappully, M; Kumar, D; Lahiri, U. (2017). A step towards zan, como son los casos del MTi-10 con un costo de 800 smart health: A pelvic wearable device for gait health

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quantification.En: 2017 IEEE Region 10 Symposium 18. Ma CZ. H; Zheng, Y. P; Lee WC. C. (2018). Changes in gait and (TENSYMP). IEEE; 2017. p. 1–5. plantar foot loading upon using vibrotactile wearable 11. Dinh, A; Bayati, M; Bhatti, M; Yepez, J; Zhexin, J. (2017). De- biofeedback system in patients with stroke. Top Stroke sign and implementation of a wireless wearable band Rehabil. 2018;25(1):20–27. for gait analysis. En: International Conference on the 19. Lee, C. N; Fong, V. H; Chu, Y. T; Cheng, L; Chuang, HW; Lo, C Development of Biomedical Engineering in Vietnam. Y. (2018). A Wearable Device Of Gait Tracking For Springer; 2017. p. 693–698. Parkinson’S Disease Patients. En: 2018 International 12. Ibarra, JCP; Williams, H; Siqueira, AA; Krebs, HI. (2018). Real- Conference on Machine Learning and Cybernetics Time Identification of Impaired Gait Phases Using a (ICMLC). IEEE; 2018. p. 462–466. Single Foot-Mounted Inertial Sensor: Review and Fe- 20. Mazumder, A; Vashista, V. (2017). Development of an Adap- asibility Study. En: 2018 7th IEEE International Con- tive Gait Characterizer. En: Proceedings of the Advan- ference on Biomedical Robotics and Biomechatronics ces in Robotics. ACM; 2017. p. 49. (Biorob). IEEE; 2018. p. 1157–1162. 21. Shandilya, S; Meena, MK; Kumar, N. (2015). A low cost wire- 13. Xu, H; Gu, L; Tu, B. (2016). Gait authentication based on less sensor development for assessing ground reaction partial cyclic rotation metric. En: 2016 Chinese Con- force in gait analysis. En: 2015 Annual IEEE India trol and Decision Conference (CCDC). IEEE; 2016. Conference (INDICON). IEEE; 2015. p. 1–3. p. 1143–1148. 22. Mathur, N; Glesk, I; Davidson, A; Paul, G; Banford, J; Irvine, J; 14. Kardos, S; Balog, P; Slosarcik, S. (2017). Gait dynamics sen- et al. (2016). Wearable mobile sensor and communica- sing using IMU sensor array system. Adv Electr Elec- tion platform for the in-situ monitoring of lower limb tron Eng. 2017;15(1):71–76. health in amputees. En: 2016 IEEE International Sym- 15. Wang, B; Rajput, KS; Tam, W-K; Tung, AK; Yang, Z. (2015). posium on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE; 2016. FreeWalker: A smart insole for longitudinal gait analy- p. 1366–1369. sis. En: 2015 37th Annual International Conference of 23. Peña, R. V. (2013). Sistema de detección de movimientos the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society basado en sensores inerciales integrados. Tesis para (EMBC). IEEE; 2015. p. 3723–3726. optar por el título de Maestro en Tecnología Avanzada, 16. Shiao, Y; Chang, T-Y; Lai, C-H. (2017). Gait identification using Instituto Politécnico Nacional, México. https://tesis. inertial sensors for control of adaptive knee orthosis ipn.mx › Tesis Maestria Roberto Vela Peña. device. Sens Mater. 2017;29(11):1657–1665. 17. Caliskan, M; Tumer, AE; Sengul, SB. (2018). Development of a Prototype Using the Internet of Things for Kinetic Gait Analysis. Int J Intell Syst Appl Eng. 2018;6(3):242– 247.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 116 L. V. Rojas Paredes, C. Elena González: Características Oclusales de Alumnos de la Cátedra de Oclusión

RECyT Año 22 / Nº 33 / 2020 / 116–123 Características oclusales estáticas y dinámicas de los estudiantes de la cátedra de oclusión dental

Static and Dynamic Occlusal features of students of the dental occlusion Chair

Lourdes V. Rojas Paredes1, *, Claudia Elena González1

1- Facultad de Ciencias de la Salud. Carrera de Odontología, Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción; Campus Itapuá, Encarnación, Paraguay. *E-mail: [email protected] Recibido el 27 de marzo de 2019, Aprobado el 16 de diciembre de 2019.

Resumen

Con este estudio se pretendió determinar las características oclusales estáticas y dinámicas de 41 estudiantes sanos, de 18 a 21 años de edad, del segundo año de la Carrera de Odontología de la Universidad Católica “Nuestra Señora de la Asunción” de Itapúa-Paraguay en los años 2017 y 2018. Se realizaron modelos completos superior e inferior montados en un articulador semiajustable. La forma de arco más frecuente para ambas arcadas fue la ovoide. Los resultados de las mediciones de Overbite y Overjet tuvieron una tendencia mayoritariamente hacia los parámetros normales. La discrepancia de la línea media está presente en la mitad de los alumnos. Los casos de mordida cruzada son infrecuentes. La clase I de angle molar y canina bilateral es la más frecuente. La desoclusión canina fue el patrón más común de movimiento lateral funcional existiendo en un bajo porcentaje interferencias del lado de no trabajo.

Palabras clave: Oclusión dental; Maloclusiones; Características oclusales.

Abstract

This study aimed at determining the static and dynamic occlusal features among 41 healthy students, who were aged 18 and 21 respectively. They were undergoing the second year of the dentistry career at the Catholic University “Nuestra Señora de la Asunción” in Itapúa-Paraguay during 2017 and 2018. Complete upper and lower models were taken and mounted on a semi adjustable articulator. The most frequent arch shape for both arcades was ovoid. The results of the measurements of both Overbite and Overjet mainly had a tendency towards the normal parameters. The midline discrepancy is present in half of the students. Cross-bite cases are rare. The molar and canine class I is the most frequent. Canine Desocclusion was the most common pattern of functional lateral movement although low percentage interferences existed on the non-working side.

Keywords: Dental occlusion; Malocclusion; Occlusal features.

Introducción patologías de orden oclusal son las más prevalentes luego de las caries y la enfermedad periodontal dentro de las afecciones Millones de personas en todo el mundo están sufriendo bucodentales. Igualmente, según datos de la Organización Pa- de problemas orodentales a pesar de que la mayoría de namericana de la Salud-OPS, el 80% de la población presenta ellos son prevenibles. La maloclusión es uno de ellos y no alteraciones oclusales en Latinoamérica [4]. es una enfermedad, sino una variación morfológica que La mayoría de las investigaciones han defendido que puede o no ser asociada a condiciones patológicas [1]. La el reciente aumento en la aparición de la maloclusión debe maloclusión es un problema de salud pública que afecta atribuirse a la disponibilidad de una dieta más procesada y a un rango que va desde el 39 al 93% de la población a la reducción de la necesidad de una acción masticatoria mundial. Su etiología es multifactorial, considerándose poderosa u otros factores ambientales [5]. la herencia y el factor ambiental los más relevantes, po- La etiología de los trastornos temporomandibulares dríamos precisar como modificaciones en el crecimiento (TTM) siempre ha sido un tema de debate, según lo su- y desarrollo de los maxilares, así como por alteraciones a gerido por las teorías evolutivas sobre Fisiopatología de nivel dental, que generan cambios en la forma, función y los TTM se debe abandonar conceptos enfocados en la estética del sistema estomatognático [2, 3]. oclusión únicamente para abrazar conceptos centrados en Según la Organización Mundial de la Salud-OMS las los pacientes con abordaje biopsicosocial. A pesar de que

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 L. V. Rojas Paredes, C. Elena González: Características Oclusales de Alumnos de la Cátedra de Oclusión 117 el papel de la oclusión dental como factor de riesgo para 10600, Bio art 400-S y Bio art A7 Plus E. Las fichas los TTM ha disminuido progresivamente a lo largo de los clínicas de pacientes fueron obtenidas del libro Manual años, la posibilidad de que las características oclusales de Práctico de Oclusión Dentaria [9]. Planillas Microsoft Ex- un individuo puedan condicionar los efectos del bruxismo cel. La información que fue recogida en las fichas se llevó actuando como un campo de batalla a través del cual las a hojas de Microsoft Excel 2016 y los datos se ordenaron cargas de bruxismo son ejercida sobre las estructuras es- en tablas que facilitaron su procesamiento estadístico en tomatognáticas, por lo que representa un factor potencial dicho programa. que influye en el patrón de los síntomas de TTM en los bruxómanos, y no se puede subestimar [6, 7]. Por lo tanto, el papel potencial de la maloclusión en pacientes con TTM es todavía digno de exploración. Esto es especialmente cierto si se tiene en cuenta la alta prevalencia de rasgos de la supuesta maloclusión y su relevancia clínica, la cual debe ser evaluada mediante su posible aso- ciación con alteraciones funcionales. Por eso, el enfoque se debe poner en la relación entre las diversas características de la maloclusión y las anomalías posicionales de los discos de la Articulación Temporomandibular (ATM), que son signos tempranos de la alteración biomecánica de la ATM [8]. Partiendo de esta premisa, la presente inves- tigación se realizó con el objetivo de determinar algunas características estáticas y dinámicas de la oclusión dental en 41 alumnos del segundo año de la Universidad Católica “Nuestra Señora de la Asunción” Campus Itapúa en los Figura 2: Ficha dental, apartado con datos analizados con los modelos años 2017-2018. en posición intercuspal.

Materiales y Métodos

Materiales

Modelos de arcos superior e inferior montados en arti- culadores semiajustables todos de tipo arcón. Las marcas comerciales utilizadas por los alumnos fueron Dentflex

Figura 1: Ficha dental, unidad con datos observados con los modelos por separados.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 118 L. V. Rojas Paredes, C. Elena González: Características Oclusales de Alumnos de la Cátedra de Oclusión

Figura 3: Ficha dental, sección con datos analizados con los modelos en movimientos excéntricos.

Métodos raciones periodontales crónicas. En cuanto a antecedentes de tratamiento de ortodoncia fueron incluidos en la muestra Se realizaron 41 fichas clínicas de los modelos tomados todos los estudiantes que hayan empleado un tratamiento a los alumnos de ambos sexos, de 18 a 21 años de edad de previo o no, con presencia o ausencia de contención fija segundo año de la Carrera de Odontología de la Universi- o removible. dad Católica, Campus Itapúa, de la ciudad de Encarnación Como criterio de exclusión se menciona a estudiantes entre los años 2017 al 2018. La toma de impresión fue siguiendo tratamiento ortodóntico en el momento de la llevada a cabo por alumnos del segundo año, previa ins- impresión dental, con enfermedades sistémicas, enfer- trucción de la técnica apropiada en la cátedra de Oclusión medades de los tejidos orales o alergia a algún material de la Facultad de Ciencias de la Salud de la Carrera de de impresión o registro, los que cumplía con alguna de Odontología. El vaciado de los modelos de trabajo se estas condiciones no fueron incluidos en la muestra. Se realizó con yeso extraduro tipo 4 en ambas arcadas. Para registraron los siguientes parámetros: el montaje del modelo superior fue utilizado arco facial, se 1. Forma del arco dental: Andrews determina que la acondicionó compuesto de modelar y se colocó en el plano quinta llave de la oclusión es la forma de los arcos dentales de orientación de la horquilla del arco facial, se introdujo la [9]. Estos arcos dentales obtienen su configuración según horquilla en la cavidad bucal del estudiante y se presionó la forma del hueso de soporte, la erupción dental, músculos sobre los dientes superiores de este, las olivas fueron oro-faciales y fuerzas funcionales intraorales [10] Muchas introducidas en los conductos auditivos y se ajustaron las clasificaciones se han desarrollado para describir el arco ramas laterales del arco facial, luego fue ajustado el nasion dental, pero generalmente se clasifican como triangular o en la posición correcta como tercer punto de referencia forma de V, oval o circular y cuadrado [11]. anatómico. Para el montaje del modelo inferior se utilizó 2. Overbite o Sobre mordida vertical: La superposición la Posición de Relación céntrica. La técnica para llegar a vertical de los incisivos medidos en milímetro vertical- esta posición reproducible fue la de Jig de Lucia. Dicho mente desde el borde incisal del incisivo maxilar central desprogramador anterior fue elaborado por los estudiantes derecho al borde incisal del incisivo mandibular derecho bajo la supervisión del docente a cargo de la cátedra. El correspondiente. Los valores fueron separados en overbite desprogramador anterior fue utilizado por 15 minutos antes normal: 1-3 mm; mordida abierta < 0 mm, mordida pro- de la toma del registro interoclusal realizado con cera rosa funda > 4 mm [12]. doble templada con agua tibia. Los modelos montados 3. Overjet o Sobremordida horizontal: se midió con fueron evaluados correctamente y los datos anotados en regla milimetrada la distancia desde el punto más vesti- las fichas. Los datos fueron obtenidos a través de la obser- bular del borde incisal de los incisivos a la superficie más vación de los modelos por separados, en Relación Céntrica, labial del incisivo mandibular correspondiente. El overjet en posición intercuspal y en movimientos excéntricos para se reportó como normal o ideal, cuando la relación de luego ser corroborados con el docente a cargo de la cátedra. los incisivos superior e inferior en sentido horizontal no Como criterio de inclusión se presentaron como requi- excedía los 3 mm; aumentado cuando la distancia entre sitos las siguientes características, estudiantes totalmente ambos incisivos excedía los 4 mm; borde a borde si había dentados en maxila y mandíbula, o con pérdida de pocas contacto de los bordes incisales [13]. piezas dentarias que no afectaran al estudio de las variables 4. Coincidencia de la línea Media dentaria: fue deter- observadas. Ausencia de síntomas de trastornos Temporo- minada por una línea vertical ubicada entre los márgenes mandibulares como dolor o crepitación. Ausencia de alte- interproximales de los Incisivos Centrales Maxilares y

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 L. V. Rojas Paredes, C. Elena González: Características Oclusales de Alumnos de la Cátedra de Oclusión 119 se relacionó con la línea mediana interproximal de los la arcada superior en un 83% como la inferior en un 73%. incisivos centrales mandibulares cuando los modelos La forma de arco cuadrada en el arco superior se presentó mantuvieran la posición de Máxima intercuspidación en un 12,2% y en el arco inferior en un 20,5%. La forma de Habitual (MIH) [14]. arco triangular fue escasamente registrada con un mismo 5. Mordida cruzada: en la normalidad los dientes supe- porcentaje de 4,8% en ambos arcos. riores se posicionan hacia el lado vestibular con relación a Estudios comparativos en México han reportado formas los inferiores. Registramos como mordida cruzada cuando de arco cuadradas en indígenas y ovaladas en mestizos. los dientes mandibulares ocluyen por vestibular de los Respecto a la población colombiana, resultados similares a maxilares, según el lugar donde se ubica en la arcada puede los encontrados en este estudio fueron registrados, siendo los ser anterior o posterior [15]. arcos ovalados los más prevalentes en las tres poblaciones 6. Clasificación de Angle: La Relación molar fue anota- estudiadas en indígenas del Amazonas Colombiano [10]. da para el lado izquierdo y derecho basado en el sistema de En un esudio en Corea, se seleccionaron 50 individuos clasificación de Angle. La relación molar se registró como de 24 a 32 años que visitaron la Universidad Dental de clase I cuando la cúspide mesiobucal del primer molar Kyung Hee Hospital en Gangdong, Seúl. La distribución permanente maxilar ocluye con el surco mesiobucal del de la forma de arco dental más prevalente fue también la primer molar permanente mandibular a ambos lados. Una forma ovoide (maxilar 52% y 56% de mandíbula), seguido relación molar clase II o clase III se registró cuando la por la forma de V o triangular y la forma de U o cuadran- cúspide mesiobucal del primer molar permanente maxilar gular [16]. ocluye al menos medio ancho de la cúspide anterior o posterior al surco mesiobucal del primer molar permanente mandibular a ambos lados, respectivamente. Relación molar asimétrica se registró cuando los lados derechos e izquierdos muestran relación molar diferente. La Relación canina fue anotada para lado derecho e izquierdo. La Clase I canina cuando la punta del canino superior ocluye en la tronera entre el diente premolar canino y primer premolar mandibular a ambos lados. Una relación canina clase II o clase III se registró cuando la punta del canino superior ocluye anterior o posterior a la tronera entre el premolar canino y primer de la mandíbula en ambos lados, respectivamente. Relación canina asimétrica se registró cuando los lados derechos e izquierdos muestran diferente relación canina [9]. 7. Los patrones de contacto dentario durante los movimientos laterales fueron anotados por un examinador entrenado. Los contactos del diente del lado de trabajo y de no trabajo durante la excursión mandibular lateral fueron verificados.

Procesamiento de datos

Los datos obtenidos fueron procesados y analizados con el programa estadístico Microsoft Excel 2016. Se realizaron tablas y gráficos de valores para las variables de forma del arco dental, mediciones de overbite y overjet, Figura 4: Gráficos de prevalencias de formas de arcos dentales supe- discrepancia de la línea media, mordida cruzada, clasifi- riores e inferiores. cación de Angle molar y canina, patrón de desoclusión e interferencias del lado de no trabajo. Overjet y Overbite

Resultados y Discusión El overjet resultó normal o ideal en 30 alumnos representando un 77,2% aumentado en 11 (26,8%), y no se Forma del Arco Dental registró ningún caso de mordida borde a borde u overjet negativo. El overbite fue normal en 35 estudiantes (85,4%), La forma del arco dental más prevalente entre los se presentó un overbite aumentado o mordida profunda en alumnos del segundo año estudiados fue ovoide tanto para 6 de ellos (14,6%).

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 120 L. V. Rojas Paredes, C. Elena González: Características Oclusales de Alumnos de la Cátedra de Oclusión

Resultados similares fueron encontrados en un estudio cuyo objetivo fue determinar la prevalencia de la maloclu- sión en adolescentes de Anatólia Central en donde fueron estudiadas 13 escuelas estatales de la cuidad de Kirikkale, localizada al sur de la capital de Turquía, siendo el overbite normal la característica más común (73,5%); el overbite aumentado fue registrado en un 18,3% de la muestra. EL overjet normal estaba presente en un 64,5%. La prevalencia de overjet aumentado fue de un 25,1%; resultado mayor que la prevalencia del overjet negativo (10,4%) [17].

Figura 6: Coincidencia de la línea media maxilar y mandibular.

Mordida Cruzada

En este estudio, los casos de mordida cruzada son infrecuentes, se registró 4 estudiantes con mordida cruzada que corresponden al 9,7%; de los cuales 3 presentaron mordida cruzada posterior izquierda 7,3% y 1 estudiante presentó mordida cruzada bilateral 2,4%. Datos aproximados fueron encontrados en un estudio que determinó la prevalencia de la maloclusión de adolescentes con edades entre 12,5 y 16,2 realizado entre mayo del 2008 y diciembte de 2012 en Anatólia Central, en donde fueron estudiadas trece escuelas estatales de la cuidad de Kirikkale, localizada al sur de la capital de Turquía donde la prevalencia de los valores de mordida cruzada fue de 8,2% de la muestra [17]. En un estudio realizado en cinco poblaciones indígenas de Amazonas semiaisladas (n = 351) fueron evaluados y comparados con datos publicados previamente de personas de Amazonas urbanas. Se encontró también una baja prevalencia de la mordida cruzada posterior en las aldeas de Koatinemo (4,6%), Pat-Krô (3,5%) y Ploughing-Laranjal (2,3%) [5].

Figura 5: Resultados de Overje y Overbite.

Coincidencia de la línea media dentaria

Calificada como uno de los parámetros estéticos principales, la línea media dentaria, nos transmite una percep- ción de armonía (14). La discrepancia de la línea media se encontró en 22 de 41 sujetos (53,6%). En un estudio Figura 7: Resultado de Mordida Cruzada. similar sobre un total de 50 pacientes femeninas de 18 a 50 años en La Universidad Odontológica de Saveetha, se Clasificación de Angle encontró resultados mayores de coincidencia de las líneas medias, 69% de las pacientes presentaban coincidencias de Los estudiantes presentaron en un 39% Clase I Bilateral las líneas medias [18]. molar; de los cuales en la misma cantidad de estudiantes se registró la ausencia de por lo menos un molar 39%, imposibilitando el registro de los mismos dentro de una

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 L. V. Rojas Paredes, C. Elena González: Características Oclusales de Alumnos de la Cátedra de Oclusión 121 clasificación bilateral de Angle; la Clase 2 Bilateral tuvo Patrones de contacto dentario durante los movimientos una prevalencia de 7,3% y la Clase 3 Bilateral un 4,9%; laterales clases molares asimétricas fueron encontradas en un 9,8%. En cuanto a la Clasificación Canina, se registró una Entre los estudiantes se evidenciaron los siguientes prevalencia de 63,4% de Clase I bilateral, 19,5% de Clase esquemas oclusales para los movimientos laterales derechos II bilateral y 17,1% de asimetrías entre lados derechos e e izquierdos respectivamente: oclusión protegida canina en izquierdos. el 58,5% y el 56%; La función de grupo fue encontrada en En el Departamento de Medicina y Radiología Oral del el 22% y el 8,9%, interferencias en el 12,5% y el 24,4%, los Instituto Dasmesh de investigación y Ciencias Dentales, patrones de función de grupo anterior el 7,3% y el 8,9%. Faridkot, Punjab, India, doscientos cincuenta sujetos Resultados diferentes fueron encontrados en un estudio que acudieron al mismo en búsqueda de tratamiento de presentado en el año 2015 por Francová, Eber y Zapleta- ortodoncia de junio de 2014 a enero de 2015 fueron selec- lová donde se analizaron los datos de 100 adultos jóvenes. cionados al azar e incluido en un estudio. En primer lugar, En cuanto al contacto oclusal en el lado de trabajo la guía el tipo de maloclusión se examinó clínicamente en todos canina estaba presente en solamente en el 25% de las los sujetos y se clasificó de acuerdo con la clasificación laterotrusiones; la función de grupo posterior fue la más de maloclusión de Angle. Los resultados encontrados prevalente y estuvo presente en el 56% de laterotrusiones, difieren a los nuestros registrando para la clase II de Angle la función de grupo anterior estaba presente en el 18,5% de un 51,20% de los casos resultando la más común entre las laterotrusiones; Otros esquemas estaban presentes en el ambos sexos, seguida de la clase I en un 43,20% de los 0,5% de las laterotrusiones. Las interferencias estuvieron casos, mientras que la clase III solamente en un 5,60% presentes en un porcentaje más bajo de 1% [20]. de los casos siendo al igual que en nuestro estudio el tipo Similares resultados a los de Francová y colaboradores menos prominente [20]. fueron encontrados un estudio que se realizó en el Depar- Modelos de estudio de pretratamiento de 112 personas tamento de Prostodoncia de la escuela de ciencias médicas entre ellas 84 mujeres con edad media 19.77 años ± 4,86 de la Universidad de Katmandú con 80 sujetos sanos entre y 28 varones con edad media 20.07 ±4,45 años fueron las edades de 18-30 años. Fueron seleccionados al azar de evaluados en un estudio que relacionó las características estudiantes de pregrado y de higienista dental del Colegio oclusales y el tamaño dentario en Malasia. La distribución de ciencia dental con el consentimiento por escrito. Esta de grupos étnicos fueron 50 chinos, 32 indios y 30 malayos edad fue seleccionada debido al desgaste oclusal mínimo. y se agruparon de acuerdo a su maloclusión en 46.4% Los patrones de la mayoría eran función de grupo (84%), clase I, 33% clase II y 20,5% clase III, resultando también los patrones de guías caninas se encontraron que el 12% y mayores los porcentajes de pacientes con Clase I [19]. el patrón inclasificable se encontró que 4% [21].

Figura 10: Patrones de desoclusión en estudiantes para lado de Figura 8: Clasificación Molar de Angle. trabajo derecho.

Figura 9: Clasificación Canina. Figura 11: Patrones de desoclusión de estudiantes para lado de trabajo izquierdo.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 122 L. V. Rojas Paredes, C. Elena González: Características Oclusales de Alumnos de la Cátedra de Oclusión

Conclusiones Biology. 2015 Sep; 60(11): p. 77–86. 6. Manfredini, D; Vano, M; Peretta, R; Guarda-Nardini, L. Jaw clen- Podemos destacar que, la forma del arco dental más ching effects in relation to two extreme occlusal fea- prevalente entre los alumnos del segundo año estudiados tures: patterns of diagnoses in a TMD patient popu- fue la ovoide tanto para la arcada superior en un 83% como lation. CRANIO: The Journal of Craniomandibular & la inferior en un 73%. Los resultados de las mediciones de Sleep Practice. 2014 January 1; 32(1): p. 45. overjet y overbite tuvieron una tendencia mayoritariamente 7. Manfredini, D Semrrgnl[[2M1, Av. Are occlusal features as- hacia los parámetros normales. El overjet resultó normal o sociated with different temporomandibular disorder ideal en 30 alumnos representando un 77,2%. El overbite diagnoses in bruxers? Cranio-The Journal of Cranio- fue normal en 35 estudiantes (85,4%). mandibular Practice. 32(4): p. 283–8. La discrepancia de la línea media está presente en apro- 8. Manfredini, D; Perinetti, G; Guarda-Nardini, L. Dental maloc- ximadamente la mitad de los alumnos, 22 de 41 sujetos clusion is not related to temporomandibular joint clic- (53, 6%). king: a logistic regression analysis in a patient popu- Los casos de mordida cruzada son infrecuentes, regis- lation. Angle Orthodontist. 2014 Marzo; 84(2): p. 310. trándose solo en 4 estudiantes con mordida cruzada que 9. Manns, A; Jorge, B. Manual Práctico de Oclusión Dentaria. corresponden al 9,7%; de los cuales 3 presentaron mordida Segunda ed. Rafael AJ, editor. Caracas: Amolca; 2006. cruzada posterior izquierda 7,3% y 1 mordida cruzada 10. Asiry, M. Occlusal Status among 12-16 Year-Old School bilateral 2,4%. Children in Riyadh, Saudi Arabia. Journal of Interna- La clase I de Angle molar y canina bilateral es la más tional Oral Health. 2015 May; 7(5): p. 20. frecuente. Los estudiantes presentaron en un 39% Clase 11. Bedoya-Rodríguez, A; Montoya-Gómez, J; González-Benavidez, I Bilateral molar. En cuanto a la Clasificación Canina, se V; Tamayo-Cardona, J; Martínez-Cajas, C. Forma y tamaño registró una prevalencia de 63,4% de Clase I bilateral. del arco dental en poblaciones de tres ascendencias La desoclusión canina fue el patrón más común de mo- étnicas colombianas. CES Odontología. 2016 July; vimiento lateral funcional existiendo en un bajo porcentaje 29(2): p. 1-12. interferencias. 12. Paranhos, LR; Adilson, LR; de Novaes Benedicto, E; Àvila Malta- gliati, L; de Almeida Cardoso, M; Capelozza Filho, L. Is there any Agradecimientos association between facial type and mandibular dental arch form in subjects with normal occlusion? Acta A la Carrera de Odontología de la Facultad de Ciencias Scientiarum: Health Sciences. 2014; 36(1): p. 129-134. de la Salud de la Universidad Católica “Nuestra Señora 13. Farheen, F; Mubassar, F; Attiya, S. Reliability of overbite de la Asunción” Campus Itapúa, por el aporte de la in- depth indicator (ODI) and anteroposterior dysplasia fraestructura y los recursos humanos necesarios para el indicator (APDI) in the assessment of different vertical desarrollo de esta investigación. and sagittal dental malocclusions: a receiver operating characteristic (ROC). Dental Press J. Orthod. 2016 Referencias December; 21(5): p. 75-81. 14. Giraldo-Mejía, A; Parra-Ramírez. Características dentales 1. Prashant, M; Nilesh, M; Sumeet, M; Richa, M; Jyoti, R; Olavo, N. y óseas en un grupo de escolares del área urbana de Prevalence of different types of malocclusion in young Manizales según género y tipo de dentición. GCES adults, in Ahmednagar District, Maharashtra (accor- Odontología. January 2014; 27(1): p. 30–43. ding to Angle’s classification). Pravara Medical Re- 15. Weber, B; Fuentes, R; García, N; Cantín, M. Relaciones de view. 2018; 10(1): p. 4–9. Forma y Proporción del Incisivo Central Maxilar con 2. Sánchez-Tito, MA; Yañez-Chávez, EE. Association between fa- Medidas Faciales, Línea Mediana Dentaria y Facial cial biotipe and overbite: Pilot study. Rev. Estomatol. en Adultos. International Journal of Morphology. 2014 Herediana. 2015 January; 25(1). September; 32(3): p. 1101-4. 3. Meneses-Gómez, E; Vivares-Builes, A; Janeth-Rodríguez, M. Perfil 16. Segura Martínez, N; Medrano Montero, J; Moreira Segura, F; epidemiológico de la oclusión estática y hábitos orales Segura Martínez, N; Terán Pérez, S. Prevalencia de mordida en un grupo de escolares de la ciudad de Medellín. Re- cruzada en pacientes de la Clínica Estomatológica Ar- vista Nacional de Odontología. January 2016; 12(22). temio Mastrapa / Prevalence of Crossbite in Patients 4. Normando, D; Almeida, MAO; Quintão, CCA. Dental crowding of Artemio Mastrapa Dental Clinic. Correo Científico The role of genetics and tooth wear. Angle Orthodon- Médico. 2017 June; 21(2). tist. 2013 Enero; 83(1): p. 10-15. 17. Park, SJ; Leesungbok, R; Song, JW; Chang, S; Lee, SW; Ahn, SJ. 5. De Souza, B; Bichara, L; Guerreiro, J; Quintão, C; Normando, D. Analysis of dimensions and shapes of maxillary and Occlusal and facial features in Amazon indigenous: mandibular dental arch in Korean young adults. The An insight into the role of genetics and environment Journal Of Advanced Prosthodontics. 2017 October; in the etiology dental malocclusion. Archives of Oral 9(5): p. 321–7.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 L. V. Rojas Paredes, C. Elena González: Características Oclusales de Alumnos de la Cátedra de Oclusión 123

18. Bílgíç, F; Gelgor, I; Celebi, A. Prevalência de má oclusão e 21. Sapkota, B; Gupta, A. Pattern of Occlusal Contacts in necessidade de tratamento ortodôntico em adolescen- Lateral Excursions (Canine Protection or Group tes da Anatólia Central comparados a adolescentes Function). KUMJ. 2015 October 12; 12(1): p. 43-7. europeus de outras nacionalidades. Dental Press Jour- 22. Francová, K; Eber, M; Zapletalová, J. Clinical Study: Functio- nal of Orthodontics. 2015 November; 20 (6): p. 75–81. nal occlusal patterns during lateral excursions in 19. Priyadharshni, S; Felicita, A. Prevalence of maxillary midli- young adults. The Journal of Prosthetic Dentistry. ne shift in female patients reported to Saveetha Dental 2015 June 1; 113(6): p. 571–7. College. Drug Invention Today. 2019 January; 11(1): 23. M.K. krokida; Kouris, DM. Rehydratation Kinetics of dehy- p. 77–80. drated products. Journal of food Engineering. 2003. 20. Mulimani, P; Azmi, M; Jamali, N; Basir, N; Soe, H. Bolton’s tooth size discrepancy in malaysian orthodontic patients: Are occlusal characteristics such as overjet, overbite, midline, and crowding related to tooth size discrepancy in specific malocclusions and ethnicities? APOS Trends in Orthodontics. 2018 October-December; 8(4).

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 124 INSTRUCCIONES A LOS AUTORES

I. ALCANCE DE LA REVISTA Aurélio da Língua Portuguesa 5ta Edição, aplicándose aquí también, lo expresado respecto del español. 1) La Revista de Ciencia y Tecnología (RECyT) publica 7) El manuscrito se presentará en formato electrónico artículos originales que representan una contribución para como archivo tipo Word, anexo por correo electrónico a la el desarrollo científico-tecnológico. Incluye trabajos de dirección: [email protected]. Todas las comunica- investigación básica y aplicada y de desarrollo tecnológi- ciones con los autores (revisión y aceptación de artículos) co, revisiones bibliográficas de alto impacto, notas técnicas se realizarán por correo electrónico. y, eventualmente, estudios de casos que por su relevancia 8) Los trabajos presentados para publicar serán some- ameriten publicarse1. tidos a una primera evaluación interna de incumbencia, 2) Las áreas de incumbencia de la revista son Ingenie- calidad general y categoría a cargo del Cuerpo Editorial y ría, Tecnología, Informática, Biología, Genética, Bioquí- posteriormente a una evaluación externa de pertinencia y mica, Farmacia, Educación Científica y Tecnológica, con calidad científica por miembros del Comité de Revisión. El su correspondiente tecnología. La decisión última sobre la Comité de Revisión está integrado por reconocidos espe- incumbencia de un artículo presentado, quedará a cargo del cialistas en los temas de incumbencia de la RECyT. Cuerpo Editorial. 9) El proceso general de evaluación consiste en una 3) Los autores interesados en publicar artículos en la exhaustiva revisión crítica de los contenidos y la estructura RECyT, deberán enviar sus trabajos de acuerdo con las del artículo, la recomendación, o no, de su publicación y normas que se estipulan más abajo. eventuales correcciones. 4) Los artículos sometidos para publicación no deberán 10) El Cuerpo Editorial se reserva el derecho de re- tener “Derechos de Autor” otorgados a terceros, a la fecha chazar el trabajo por no ajustarse a las áreas involucradas, de envío del artículo. Caso contrario, el autor deberá ges- no cumplir las normas establecidas o no poseer la calidad tionar, ante quien corresponda, la autorización por escrito científica requerida. para su nueva publicación en la RECyT. También se reserva el derecho de realizar modificacio- 5) Los conceptos y opiniones vertidos en los artículos nes menores de edición para una mejor presentación final publicados y del uso que otros puedan hacer de ellos, son del trabajo. de exclusiva responsabilidad de los autores, la cual se asu- 11) El Cuerpo Editorial notificará al autor la aceptación me con la sola presentación del artículo enviado por los o rechazo del artículo. De ser necesario, le solicitará que autores para su publicación. Los artículos se publicarán realice las modificaciones recomendadas para proceder a en español, inglés o portugués, con resúmenes, títulos y los trámites pertinentes previos a su publicación. palabras clave en los tres idiomas. 12) Los autores deberán realizar las correcciones y modificaciones requeridas por el Cuerpo Editorial y el CE II. PRESENTACIÓN Y REVISIÓN DE ARTÍCULOS en el plazo de 30 días. Los autores podrán solicitar acla- raciones sobre las correcciones. El Cuerpo Editorial deci- 6) Los idiomas oficiales de la RECyT son español, dirá sobre el particular, y realizará la revisión del trabajo inglés y portugués. Los manuscritos en español deberán modificado. ajustarse a las normas y usos gramaticales que establece 13) La aceptación del trabajo en su forma definitiva el Diccionario y la Gramática de la Lengua Española de la será comunicada por escrito a los autores. A partir de ese Real Academia Española en sus últimas ediciones. Se debe momento no se aceptarán modificaciones, salvo solicitud evitar el uso de términos en otros idiomas, si existe uno explícita y fundamentada al Cuerpo Editorial. equivalente en español. Los manuscritos en inglés deberán 14) Los trabajos originales quedarán en poder de la RE- ajustarse a las normas y usos gramaticales que establece el CyT, se publiquen o no. Longman Dictionary of Contemporary English 4th Edi- tion, aplicándose aquí también, lo expresado respecto del español. Los manuscritos en portugués deberán ajustarse a las normas y usos gramaticales que establece el Dicionário

1– Un artículo se considera trabajo cuando representa el resultado y las conclusiones de una investigación completa. Este tendrá categoría de nota técnica cuando trate de cuestiones como calibraciones, propuestas metodológicas, opiniones sobre normas, resolución de problemas operativos, etc.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Instrucciones a los autores 125

III. NORMAS DE ELABORACIÓN DE ORIGINALES trabajo. Si los autores pertenecen a distintas instituciones, luego de cada nombre se colocará un número entre parén- Artículos tesis, estableciéndose así la referencia a las instituciones y sus respectivas direcciones. Se sugiere incluir los nombres 15) Los artículos completos deberán tener como máxi- de las secciones y dependencias imprescindibles. Señalar, mo 6.000 palabras, 12 figuras y hasta 20 páginas. El Cuer- entre paréntesis, las direcciones electrónicas personales. po Editorial podrá aceptar trabajos de mayor extensión en 21) Resumen en español: deberá ser una condensación casos especiales. de todas las partes del trabajo en 150 palabras como máxi- En todos los casos deberá utilizarse letra tipo Arial ta- mo, sintetizando los objetivos, los métodos, los resultados maño 11 puntos, y formato de hojas tipo A4, numeradas y las conclusiones. Debe corresponderse al contenido del en el margen inferior derecho, con interlineado doble, sin Resumen en inglés y/o portugués. separación automática de sílabas al fin de línea y con los 22) Palabras clave en español: el artículo deberá conte- cuatro márgenes de 2,5 cm. ner 5 palabras clave en idioma español, que servirán para 16) Las tablas y figuras deberán insertarse en el texto catalogarlo en las bases de datos2. del artículo y deberán ubicarse lo más cerca posible del 23) Título en inglés: deberá ser breve (no mayor a 15 sitio en el que son mencionadas. De acuerdo con su tama- palabras), conciso y reflejar aspectos específicos del tra- ño, podrán presentarse por separado, correctamente iden- bajo. Deberá corresponderse con el título en español y/o tificadas. portugués. Las figuras escaneadas deberán estar en formato TIFF 24) Resumen en inglés (Abstract): deberá ser una con- y EPS, con 300 dpi de resolución. El CD podrá pedir a los densación de todas las partes del trabajo en 150 palabras autores, una vez aceptado el trabajo, que entregue las imá- como máximo, sintetizando los objetivos, los métodos, los genes y los gráficos del artículo, con el formato, tamaño, resultados y las conclusiones. Debe corresponderse al con- dimensiones, resolución, etc. necesarios para la edición. tenido del Resumen en español y/o portugués. 17) Los artículos científico-técnicos escritos en espa- 25) Palabras clave en inglés (Key words): el artículo ñol e inglés se organizarán siguiendo el esquema general deberá contener 5 palabras clave en idioma inglés, que ser- en orden sucesivo: título en español, nombres del (los) virán para catalogarlo en las bases de datos2. autores, nombres y direcciones de la institución a la que 26) Título en portugués: deberá ser breve (no mayor pertenecen, resumen y palabras clave en español, título en a 15 palabras), conciso y reflejar aspectos específicos del inglés, resumen y palabras clave en inglés. Los artículos trabajo. Deberá corresponderse con el título en español e científico-técnicos escritos en portugués se organizarán si- inglés. guiendo el esquema general en orden sucesivo: título en 27) Resumen en portugués (Resumo): deberá ser una español, nombres del (los) autores, nombres y direcciones condensación de todas las partes del trabajo en 150 pala- de la institución a la que pertenecen, resumen y palabras bras como máximo, sintetizando los objetivos, los métodos, clave en español, título en inglés, resumen y palabras clave los resultados y las conclusiones. Debe corresponderse al en inglés, título en portugués, resumen y palabras clave en contenido del Resumen en español e inglés. portugués. Posteriormente, en el idioma que corresponda, 28) Palabras clave en portugués (Palavras-chave): el introducción, materiales y métodos, resultados y discusión, artículo deberá contener 5 palabras clave en idioma portu- (juntos o separados), conclusiones, lista de abreviaturas (si gués, que servirán para catalogarlo en las bases de datos2. corresponde), agradecimientos, referencias y apéndices o 29) Introducción: debe presentar claramente el tema, anexos (si corresponde). haciendo solamente referencia a los antecedentes biblio- 18) Título en español: deberá ser breve (no mayor de gráficos de interés. Los objetivos y las hipótesis deberán 15 palabras), conciso y reflejar aspectos específicos del estar adecuadamente explicados. trabajo. Deberá corresponderse con el título en inglés y/o 30) Materiales y Métodos: el trabajo deberá describir en portugués. forma completa los materiales y metodologías utilizados. 19) Autores: se colocarán los autores separados por Las normas reconocidas deberán ser citadas pero no punto y coma, situando primero el o los apellidos seguidos explicadas. de una coma, y a continuación, el primer nombre e inicial Las técnicas publicadas deberán presentar en forma del segundo con un punto. resumida sus características principales y las referencias 20) Dirección: debajo de los autores se indicará la ins- correspondientes. Deberán detallarse todas las modifica- titución a la que pertenecen o dónde fue llevado a cabo el ciones efectuadas a cualquier norma o técnica3.

2- Si la disciplina que trata el artículo posee tesauros publicados, se sugiere utilizarlos para la definición de las palabras clave. 3- El criterio general es que con los datos de este ítem se pueda replicar correctamente el trabajo experimental. 4- Además de las que poseen signatura, se podrán colocar referencias inéditas o en prensa (indicando la revista en que se publicarán), comunicaciones personales y páginas web.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 126 Instrucciones a los autores

31) Resultados y Discusión: estas dos secciones podrán Las tablas de los apéndices pueden llevar números co- incluirse juntas o separadas. Los resultados se expondrán rrelativos con los del texto o comenzar otra numeración. con estilo conciso y fácilmente entendible. La discusión 36) Figuras: las figuras (gráficos, cuadros, fotografías, de los resultados incluirá la comparación con resultados otros) deberán numerarse correlativamente en orden de previos (propios o de otros autores, con las referencias co- aparición en el texto y deberán incluir un breve título ex- rrespondientes). plicativo en la parte inferior de la figura. Las imágenes y Se deberá evitar la duplicación de información en tablas fotografías se designarán como figuras. y gráficos. 37) Tablas: las tablas deberán numerarse correlativa- 32) Conclusiones: deben presentarse en párrafos cortos mente según su orden de aparición en el texto y en forma y concretos. No deben hacer referencia a trabajos futuros independiente de las figuras. Deberán incluir un título ex- ni a hipótesis no incluidas en el trabajo. plicativo en su parte superior. De ser necesario se agregarán 33) Agradecimientos: podrán incluirse a los organismos al pie notas explicativas para detallar abreviaturas, signos, que financiaron el trabajo, así como a los colaboradores y medidas, otros, de tal manera que el lector pueda compren- al personal técnico o especializado, especificando las tareas der su contenido sin recurrir al texto. realizadas por cada uno. Como referencia institucional de 38) Fórmulas: las fórmulas y expresiones matemáticas los autores se colocará el nombre completo de la entidad y deberán ser escritas dejando dos espacios sobre, debajo y la sigla entre paréntesis, por ejemplo, Fundação de Amparo entre cada una de ellas. Las fórmulas se ajustarán al mar- à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). gen izquierdo y serán numeradas correlativamente y entre 34) Referencias: las citas bibliográficas deberán consig- paréntesis sobre el margen derecho. Debe quedar definido narse con números correlativos colocados entre corchetes el significado y las unidades utilizadas en cada término de o paréntesis, de tamaño igual al del texto. El texto puede las expresiones. incluir nombres de autores, pero conjuntamente figurar el 39) Unidades: debe utilizarse el sistema internacional número de referencia bibliográfica correspondiente. En el de unidades (SI). ítem correspondiente, se consignarán según el orden en que 40) Presentar además: aparezcan en el texto. No se incluirán referencias que no - Un título resumido del trabajo, de 9 palabras como figuran en el texto. Las referencias se colocarán según el máximo. estilo de la disciplina correspondiente, figurando, en todos - Datos de los autores: 80 palabras como máximo. Ape- los casos: apellido e iniciales de los nombres de los autores llido y Nombres; Título de Grado; Estudios de Posgra- en ese orden; nombre de la publicación periódica completo do; Cargo / Posición en el lugar de trabajo; Categoría en o con las abreviaturas oficiales; volumen; número, páginas el Sistema de Incentivos a los Docentes–Investigadores inicial y final, año de publicación4. En el caso de libros: (si es argentino) o similar. Correo electrónico. nombre; capítulo; editorial, páginas y año de edición. Las páginas web deberán tener la fecha de consulta. Notas técnicas Ejemplos orientativos: 1. Atanassov, Z; Zheringe, P y Wharton D., Evalua- 41) La Nota Técnica es el formato recomendado de pre- tion of Wheat Response to Fusarium Head Blight Ba- sentación de investigaciones originales en los siguientes ses on Seed Set., Appl. Environm, Chem. 48: p. 993– casos: divulgación de nuevos métodos, comparación del 998.1994. funcionamiento de instrumentos o técnicas, y descripción 2. Cole, R.J. y Cox R.H., Handbook of Toxic Fungal de los resultados experimentales de interés para la comuni- Matabolites, Assoc.Press, New York. p 356–379.1981. dad científica cuando no se pueden realizar investigaciones 3. Cotty, P.J., Agriculture, Aflatoxins and Aspergillus completas por alguna causa justificada. Deberán limitarse in The genus Aspergillus, K. A. Powll, Editor. Plenum a 10 páginas o 3500 palabras, con no más de 4 figuras y Press, New York. p 1–27.1994. tablas, y no más de 15 referencias, combinando resultados 4. National Agricultural Statistics Service (1997) Crops y discusión en una sola sección. El resto del formato será county data [Online]. Available at http://usda.mannlib. igual al de los artículos. Las Notas Técnicas son sometidas cornell. edu/data–sets/crops/9X100 (verified 30 Nov. al mismo proceso riguroso de revisión por pares que los 1998). artículos. 35) Apéndices o Anexos: se reservan para detallar técni- cas originales utilizadas o análisis teóricos que impedirían seguir fluidamente el trabajo si se incluyeran en el texto.

4- Además de las que poseen signatura, se podrán colocar referencias inéditas o en prensa (indicando la revista en que se publicarán), comunicaciones personales y páginas web.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 127 INSTRUCTIONS TO AUTHORS

I. Scope of the journal as a Word file, attached by email to: [email protected]. edu.ar. All the communications with the authors (review 1) The Journal of Science and Technology (RECyT) and acceptance of articles) will be carried out by email. publishes original articles which represent a contribution 8) Manuscripts submitted for publication will first -un to scientific and technological development. It includes dergo an internal evaluation regarding its relevance, overall works on basic and applied research and technological de- quality and category, by the Editorial Board and later, to an velopment, high-impact bibliographical reviews, technical external evaluation of relevance and scientific quality by notes, and occasionally case studies which, due to their Members of the Review Committee. The Review Commit- relevance, deserve their publication1. tee comprises recognized specialists of the subject area de 2) The areas of concern are Engineering, Technology, la RECyT. Computer Science, Biology, Genetics, Biochemistry, Phar- 9) The general process of Evaluation consists of a com- macy, Scientific and Technological Education, with their prehensive critical evaluation of the contents and structure corresponding technology. The final decision on the rele- of the article, the recommendation or not, of its publication vance of an article submitted will be the responsibility of and possible corrections. the Editorial Board. 10) The Editorial Board reserves the right to rreject the 3) Authors who are interested in publishing articles in work if it does not conform to the areas involved, does not the RECyT should send their manuscripts in accordance meet the standards established, or does not have the re- with the norms established below. quired scientific quality. It also reserves the right to make 4) The articles submitted for publication should not minor editing changes for a better final presentation of the have “Copyright” granted to a third party at the date of work. submission of the article. Otherwise, the author should re- 11) The Editorial Board will notify the author the ac- quest written permission for a new publication in the RE- ceptance or rejection of the article. If necessary, the recom- CyT. mended changes will be asked to proceed with the pertinent 5) The concepts and opinions expressed in the articles steps previous to its publication. published and their use by others are the sole responsibil- 12) Authors should make the corrections and modifica- ity of the authors, which is assumed by merely submitting tions required by the Editorial Board within 30 days. Au- the paper for publication. Articles will be published in thors could ask for clarification about the corrections made. spanish, english or portuguese, with their abstracts, titles The Editorial Board will decide whereafter, and will carry and keywords in three languages. out the modifications requested 13) The final acceptance of the manuscript will be noti- II. Submission and review of articles fied to authors in written. After this step, no further changes will be accepted, unless explicitly requested and clearly 6) The official languages of RECyT are Spanish, Eng- justified to the Editorial Board. lish and Portuguese. Contributions in Spanish must con- 14) The original manuscripts will be kept by the RE- form to the grammatical rules and practices established by CyT, whether published or not. the Dictionary and Grammar of Spanish Language of the Spanish Royal Academy in its latest edition. It is advisable III. Manuscript writing rules to avoid terms in other languages, as long as there is an equivalent in Spanish. Manuscripts in English should con- Articles form to the grammatical rules and practices established by the Longman Dictionary of Contemporary English 5th Edi- 15) Full papers should be up to 6000 words, 12 figures tion, authours should comply with the norms established and 20 pages. The Editorial Board may accept longer for manuscripts in Spanish. Manuscripts in Portuguese works in special cases. In all cases, authors should use should conform to Dicionário Aurélio da Língua Portu- Arial font, point size 11, and A4 sheets, numbered in the guesa 5ta Edição, authors should also comply with the lower right margin, with double spacing, without automat- norms established for manuscripts in Spanish. ic hyphenation at end of the line, and all margins of 2.5 cm. 7) The manuscript should be submitted electronically 16) Tables and figures should be inserted within the text

1- A manuscript will be considered a full paper when it represents the outcome and conclusions of a full investigation. It will beconsidered a technical note when dealing with issues such as calibration, methodological proposals, opinions about standards, resolution of operational problems, etc

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 128 Instructions for authors of the article and located as close as possible to the para- or Portuguese. graph where they are mentioned. According to their size, 24) Abstract in English: It must be a condensation of all they may be submitted separately, and correctly identified. parts of the work in 150 words or less, summarizing the The scanned figures should be in TIFF and EPS formats, objectives, methods, results and conclusions. It must cor- with a 300 dpi resolution. The EB could ask authors to respond to the content of the Abstract in Spanish and/or submit the images and graphs of the article, with the for- Portuguese. mat, size, dimentsions, resolution, etc. necessary for the 25) Key words in English: The article should contain edition, once the article has been accepted. five key words in English, which will serve to categorize 17) Scientific-technical articles written in Spanish and the work in databases2. English will be organized following a general scheme as 26) Title in Portuguese: It should be brief (no more than follows: title in Spanish, name of author/s, affiliation (name 15 words) and concise, and should reflect the specific as- and address), abstract and keywords in Spanish, title in pects of the work. It must correspond to the title in Spanish English, abstract and keywords in English. Scientific-tech- and English. nical articles written in Portuguese will be organized fol- 27) Abstract in Portuguese (Resumo): it should be a lowing a general scheme as follows: title in Spanish, name condensation of all parts of the work in 250 words or less, of author/s, affiliation (name and address), abstract and key summarizing the objectives, methods, results and conclu- words in Spanish, title in English, abstract and keywords sions. It must correspond to the content of the Spanish and in English, title in Portuguese, abstract and key words in English abstract. Portuguese. Then, in the corresponding language: introduc- 28) Key words in Portuguese (Palavras-chave): The tion, materials and methods, results and discussion (sepa- article should contain five key words in Portuguese, which rately or together), conclusions, list of abbreviations (if will serve to categorize the work in databases2. applicable), acknowledgments, references and appendices 29) Introduction: it should present the subject clearly, or annexes (if applicable) in the corresponding language making reference only to bibliography of interest. The ob- (i.e. Spanish, English or Portuguese). jectives and hypotheses must be adequately explained. 18) Title in Spanish: it should be brief (no more than 15 30) Materials and Methods: The paper must fully de- words) and concise, and should reflect the specific aspects scribe the materials and methodology used. Recognized of the work. It must correspond to the title in English. norms should be quoted but not explained. The techniques 19) Authors: the authors should be separated by semi- published should briefly include their main features and the colons, placing first the last name followed by a comma, corresponding references. Details of all modifications made and then the first name and middle initial. to any norm or technique should be indicated3. 20) Institutional affiliation: affiliation of authors or 31) Results and Discussion: These two sections may be where the work was carried out should be indicated below included either together or separately. The results should the authors. If the authors have different affiliations, a num- be presented concisely and should be easy to understand. ber will be placed in parenthesis after each name, thus es- The discussion of the results should include a comparison tablishing the reference to the institutions and their respec- with previous results (either the authors’ own previous re- tive addresses. It is suggested that only the names of the sults or those of others, with the corresponding references). essential sections and departments be included. The email The authors should avoid duplication of information in addresses of each author should be indicated between pa- tables and graphs. rentheses. 32) Conclusions: the conclusions should be presented 21) Abstract in Spanish: It must be a condensation of in short and concise paragraphs and must not refer to future all parts of the work in 150 words or less, summarizing the work and hypotheses not included in the work. objectives, methods, results and conclusions. It must cor- 33) Acknowledgements: these could include the organ- respond to the content of the Abstract in Spanish and/or isms funding the work, as well as the names of the col- Portuguese. laborators and technical or specialized staff, specifying the 22) Key words in Spanish: The article should contain tasks performed by each. For institutional reference of au- five key words in Spanish, which will serve to categorize thors, the name of the entity in full and the acronym in the work in databases2. parentheses, for example, “Fundação de Amparo à Pes- 23) Title in English: It should be brief (no more than 15 quisa do Estado de São Paulo (FAPESP)” should be. words) and concise, and should reflect the specific aspects 34) References: References should be mentioned with of the work. It must correspond to the title in Spanish and/ consecutive numbers in parentheses or square brackets, and

2- If the article is about a discipline which has published thesauri, it is suggested that they be used to define the key words. 3- The general criterion is that the experimental work could be replicated correctly with the data in this item.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Instructions for authors 129

should be equal in size to that of the text. The text can in- the reader can understand their content without referring to clude authors’ names, but should also include the corre- the text. sponding reference number. They should be listed accord- 38) Formulas: Formulas and mathematical expressions ing to the order in which they appear in the text. Refer- should be written leaving two spaces above, below and ences not mentioned in the text should not be listed. Refer- between each other. Formulas should be adjusted to the left ences will be written according to the style of the corre- margin and should be numbered correlatively and in paren- sponding discipline, mentioning in all cases: the last name theses on the right margin. The meaning and units used in and initials of the authors’ names, the complete name or the each term of the expressions should be defined. official acronym of the journal, the volume, number, initial 39) Units: the International System of Units (SI) should and final pages, and year of publication. For books: name, be used. chapter, publisher, pages and year of publication. The web 40) The authors should also provide: pages must have the date of access4. For books: name; - A short title of the work, comprising nine words or chapter: publishers; pages and year of edition. Web pages less. should include the date they were retrieved. - Authors’ information: 80 words or less. Surname and Examples: Names; degree; postgraduate studies; position in the 1. Atanassov, Z.; Zheringe, P. and Wharton D., Evalu- place of work; category in the Incentive System for ation of Wheat Response to Fusarium Head Blight Lecturers-Researchers (if they are Argentine) or simi- Bases on Seed Set, Appl. Environm., Chem. 48: p 993- lar; email address. 998. 1994. 2. Cole, R.J. and Cox R.H., Handbook of Toxic Fungal Technical Notes Matabolites, Assoc. Press, New York. p 356-379. 1981. 3. Cotty, P.J., Agriculture, Aflatoxins and Aspergillus in 41) A technical note is the recommended format for The genus Aspergillus, K.A. Powll, Editor. Plenum submission of original research in the following cases: de- Press, New York. p 1-27. 1994. scription of new methods, comparison of the performance 4. National Agricultural Statistics Service (1997) Crops of instruments or techniques, and description of the ex- county data [Online]. Available at http://usda.mannlib. perimental results of interest to the scientific community cornell.edu/data-sets/crops/9X100 (verified 30 Nov. when a full investigation cannot be carried out for any rea- 1998). son. They should be limited to 10 pages or 3500 words, 35) Appendices or Annexes: Appendices and Annexes with no more than four figures and tables, and no more than are reserved to describe in detail the original techniques 15 references, combining results and discussion into one used, or theoretical analysis that would prevent the reader section. The rest of the format will be equal to that of the from following the manuscript fluently if they were in- articles. Technical Notes will be subjected to the same rig- cluded in the text. The tables in the appendices may bear orous peer review process as the articles. numbers that correlate to the text or new numbers. 36) Figures: figures (graphs, charts, photographs, etc.) should be numbered in the order in which they appear in the text and should include a brief caption at its bottom. Images and photographs will be designated as figures. 37) Tables: Tables should be numbered in the order in which they appear in the text and independently of the figures. They must include an explanatory title on the top. If necessary, explanatory notes should be added as footer, detailing abbreviations, symbols, dimensions, etc, so that

4- Besides those which have signature, unpublished references or in press (indicating the magazine where they will be published), personal communications and web pages can also be mentioned.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 130 INSTRUÇÕES AOS AUTORES

I. Alcance da revista 7) O manuscrito se apresentará em formato eletrônico como arquivo tipo Word, anexo por correio eletrônico ao 1) A Revista de Ciência e Tecnologia (RECyT) publica endereço: [email protected]. Todas as comuni- artigos originais que representam uma contribuição para o cações com os autores (revisão e aceitação de artigos) se desenvolvimento científico-tecnológico. Inclui trabalhos de realizarão pelo correio eletrônico. investigação básica e aplicada e de desenvolvimento tec- 8) Os trabalhos apresentados para publicar serão sub- nológico, revisões bibliográficas de alto impacto, notas metidos a uma primeira avaliação interna de pertinência, técnicas e eventualmente, estudos de casos que pela sua qualidade geral e categoria a cargo do Corpo Editorial e, relevância mereçam ser publicados1. posteriormente a uma avaliação externa de pertinência e 2) As áreas de incumbência da Revista são Engenharia, qualidade científica pelos integrantes do Comitê de Re- Tecnologia, Informática, Biologia, Genética, Bioquímica, visão. O Comitê de Revisão está integrado por reconheci- Farmácia, Educação Científica e Tecnológica, com sua cor- dos especialistas nos temas de incumbência da RECyT. respondente tecnologia. A decisão última sobre a incum- 9) O processo geral de avaliação consiste numa exaus- bência de um artigo apresentado ficará a cargo do Con- tiva revisão crítica dos conteúdos e da estrutura do artigo, selho de Direção (CE). a sugestão, o não, de sua publicação e eventuais correções. 3) Os autores interessados em publicar artigos na RE- 10) A Corpo Editorial se reserva o direito de rejeitar o CyT, deverão enviar seus trabalhos segundo as normas trabalho por não se ajustar às áreas em referência, não cum- apresentadas mais abaixo. prir as normas estabelecidas ou não possuir a qualidade 4) Os artigos submetidos para a publicação não deverão científica requerida. Também se reserva o direito de realizar ter “Direitos de Autor” outorgados a terceiros, à data de modificações menores de edição para uma melhor apresen- envio do artigo. Caso contrário, o autor deverá gerenciar, tação final do trabalho. ante quem corresponder, a autorização por escrito para sua 11) A Corpo Editorial notificará ao autor a aceitação ou nova publicação na RECyT. rejeição do artigo. Caso ser necessário lhe solicitará que 5) Os conceitos e opiniões expostos nos artigos publi- faça as modificações sugeridas para continuar com os cados e o uso que outros possam fazer deles, são de exclu- trâmites pertinentes prévios a sua publicação. siva responsabilidade dos autores, a qual é assumida com 12) Os autores deverão realizar as correções e modifi- a só apresentação do artigo para sua publicação. Os artigos cações requeridas pela Corpo Editorial num prazo de 30 se publicarão em espanhol, inglês ou português, com resu- dias. Os autores poderão solicitar aclarações sobre as cor- mos, títulos e palavras-chave nos três idiomas. reções. O CE decidirá sobre o particular e realizará a re- visão do trabalho modificado. II. Apresentação e revisão de artigos 13) A aceitação do trabalho em forma definitiva será comunicada por escrito aos autores. A partir desse momen- 6) Os idiomas oficiais da RECyT são o espanhol, o in- to não se aceitarão modificações, exceto solicitude explíci- glês e o português. Os manuscritos em espanhol deverão ta e fundamentada à Corpo Editorial. se ajustar às normas e usos gramaticais que estabelece o 14) Os trabalhos originais ficarão no poder da RECyT, Dicionário e a Gramática da Língua Espanhola da “Real se publiquem ou não. Academia Espanhola” em suas últimas edições. Deve-se evitar o uso de termos em outros idiomas, caso exista um III. Normas para a elaboração de originais equivalente em espanhol. Os manuscritos em inglês de- verão se ajustar às normas e usos gramaticais que esta- Artigos belece o Longman Dictionary of Contemporary English 4th Edition, aplicando-se aqui também, o expresso respeito do 15) Os artigos completos deverão ter no máximo 6.000 espanhol. Os manuscritos em português deverão se ajustar palavras, 12 figuras e até 20 páginas. A Corpo Editorial poderá às normas e usos gramaticais que estabelece o Dicionário aceitar trabalhos de maior extensão em casos especiais. Aurélio da Língua Portuguesa 5ta Edição, aplicando-se Em todos os casos se deverão utilizar letra tipo Arial, aqui também o expresso respeito do espanhol. corpo 11 e formato de folha tipo A4, numeradas na margem

1- Um artigo se considera trabalho quando apresenta os resultados e conclusões de uma pesquisa completa. Este terá categoria de Nota Técnica quando apresente questões como calibrações, propostas metodológicas, opiniões sobre normas, resolução de problemas operativos, etc.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 Instruções aos autores 131

inferior direita, com espaçamento duplo, sem separação 22) Palavras - chave em espanhol: O artigo deverá con- automática de sílabas no fim de línea e com as quatro mar- ter 5 palavras-chave no idioma espanhol, que servirão para gens de 2,5 cm. catalogá-lo nas bases de dados2. 16) As tabelas e figuras se deverão inserir no texto do 23) Título em inglês: Deverá ser breve (no maior a 15 artigo e deverão se colocar o mais perto possível do sitio palavras), conciso e dar conta dos aspectos específicos do no qual são nomeadas. Tendo em conta seu tamanho trabalho. Deverá se corresponder com o título em espanhol poderão se apresentar por separado, corretamente identifi- e/ou português. cadas. 24) Resumo em inglês (Abstract): Deverá ser uma con- As figuras scaneadas deverão estar em formato TIFF e densação de todas as partes do trabalho num máximo de EPS, com 300 dpi de resolução. A Corpo Editorial poderá 150 palavras, sintetizando os objetivos, a metodologia, os pedir aos autores, uma vez aceito o trabalho, que façam resultados e as conclusões. Deve se corresponder com o entrega das imagens e os gráficos do artigo, com o formato, conteúdo do resumo em espanhol e/ou português. tamanho, dimensões, resolução, etc. necessários para a 25) Palavras - chave em inglês (Key words): O artigo edição. deverá conter 5 palavras-chave no idioma inglês, que serão 17) Os artigos científicos - técnicos escritos em espan- de utilidade para catalogá-lo nas bases de dados2. hol e inglês se organizarão seguindo o esquema geral em 26) Título em português: Deverá ser breve (no maior a ordem sucessivo: título em espanhol, nome (s) de o (os) 15 palavras), conciso e dar conta dos aspectos específicos autor (es), nomes e endereços da instituição a qual pert- do trabalho. Deverá se corresponder com o título em es- encem, resumo e palavras-chave em espanhol, título em panhol e inglês. inglês, resumo e palavras-chave em inglês. 27) Resumo em português (Resumo): Deverá ser uma Os artigos científicos- técnicos escritos em português condensação de todas as partes do trabalho num máximo se organizarão seguindo o esquema geral em ordem suces- de 150 palavras, sintetizando os objetivos, a metodologia, sivo: título em espanhol, nome (s) de o (os) autor (es), os resultados e as conclusões. Deve se corresponder com o nomes e endereços da instituição a qual pertencem, resumo conteúdo do Resumo em espanhol e inglês. e palavras-chave em espanhol, título em inglês, resumo e 28) Palavras - chave em português (Palavras - chave): palavras-chave em inglês, título em português, resumo e O artigo deverá conter 5 palavras-chave no idioma portu- palavras-chave em português. Logo, no idioma que cor- guês, que servirão para catalogá-lo nas bases de dados2. responder, introdução, materiais e metodologia, resultados 29) Introdução: Deve apresentar com clareza o tema, e discussão, (juntos ou separados), conclusões, lista de fazendo referência somente aos antecedentes bibliográficos abreviaturas (se corresponder), agradecimentos, referencias de interesse. Os objetivos e as hipóteses deverão estar ad- e apêndices ou anexos (se corresponder). equadamente explicados. 18) Título em espanhol: Deverá ser breve (no maior a 30) Materiais e Metodologia: O trabalho deverá de- 15 palavras), conciso e dar conta de aspectos específicos screver de maneira completa os materiais e metodologias do trabalho. Deverá se corresponder com o título em inglês utilizados. As normas reconhecidas deverão ser citadas mas e/ou português. não explicadas. 19) Autores: Deverão ser nomeados separados por As técnicas publicadas deverão apresentar em forma ponto e vírgula. Primeiro os sobrenomes seguidos de vír- resumida suas características principais e as referências gula, e a continuação, o primeiro nome e inicial do seg- correspondentes. Deverão se detalhar todas as modificações undo com um ponto. realizadas a qualquer norma o técnica3. 20) Endereço: Em baixo dos autores se indicará a insti- 31) Resultados e Discussão: Estas duas seções poderão tuição a qual pertencem ou onde foi desenvolvido o tra- se incluir juntas ou separadas. Os resultados serão expostos balho. Caso os autores pertençam a diferentes instituições, com estilo conciso e facilmente compreensível. A discussão logo de cada nome se escreverá um número entre parênte- dos resultados incluirá a comparação com resultados prévi- ses, se estabelecendo assim a referência as instituições e os (próprios ou de outros autores, com as referências cor- seus respetivos endereços. Sugere-se incluir os nomes das respondentes). Deverá - se evitar a duplicação de infor- seções e dependências imprescindíveis. Indicar, entre mação em tabelas e gráficos. parênteses, os endereços eletrônicos pessoais. 32) Conclusões: Devem se apresentar em parágrafos 21) Resumo em espanhol: Deverá ser uma condensação curtos e concretos. Não devem fazer referência a trabalhos de todas as partes do trabalho num máximo de 150 palavras futuros nem a hipóteses não incluídas no trabalho. sintetizando os objetivos, a metodologia, os resultados e as 33) Agradecimentos: Poderão se incluir os órgãos que conclusões. Deve se corresponder com o conteúdo do Re- financiaram o trabalho, assim como os colaboradores e o sumo em inglês e/ou português. pessoal técnico ou especializado, especificando as tarefas

2- Caso a disciplina que é abordada pelo artigo possua tesauros publicados, se sugere utilizá-los para a definição das palavras-chave. 3- O critério geral é que com os dados deste item se possa replicar corretamente o trabalho experimental.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 132 Instruções aos autores realizadas por cada um. Como referência institucional dos 38) Fórmulas: As fórmulas e expressões matemáticas autores se escreverá o nome completo da entidade e a sigla deverão ser escritas deixando dois espaços sobre, embaixo entre parênteses, por exemplo: Fundação de Amparo à Pes- e entre cada uma delas. As fórmulas se ajustarão à margem quisa do Estado de São Paulo (FAPESP). esquerda e serão numeradas correlativamente e entre parên- 34) Referências: As citas bibliográficas deverão se con- teses sobre a margem direita. Deve ficar definido o signifi- signar com números correlativos, entre parênteses, de ta- cado e as unidades utilizadas em cada termo das ex- manho igual ao do texto. O texto pode incluir nomes de pressões. autores, mas conjuntamente figurar o número de referência 39) Unidades: Deve se utilizar o sistema internacional bibliográfica correspondente. No item correspondente, se de unidades (SI). consignarão segundo a ordem na que apareçam no texto. 40) Apresentar também: Não se incluirão referências que não figuram no texto. - Um título resumido do trabalho, no máximo de 9 pa- As referências se colocarão segundo o estilo da disciplina lavras. em questão, figurando, em todos os casos: sobrenome e - Dados dos autores: No máximo de 80 palavras. So- iniciais dos nomes dos autores nessa ordem; nome da pub- brenome e Nomes; Título de Graduação e Pós-gradu- licação periódica completa ou com as abreviaturas oficiais, ação; Cargo / Posição no local de trabalho; Categoria volume, número, página inicial e final, ano de publicação4. no Sistema de Incentivos de Docentes–Pesquisadores No caso de livros: nome, capítulo, editorial, página e ano (se é argentino) ou semelhante. Correio eletrônico. de edição. As páginas web deverão ter a data de consulta. Exemplos: Notas técnicas 1. Atanassov, Z; Zheringe, P y Wharton D., Evaluation of Wheat Response to Fusarium Head Blight Bases on 41) A Nota Técnica é o formato de apresentação sug- Seed Set., Appl. Environm, Chem. 48: p. 993– erido para pesquisas originais nos seguintes casos: Divul- 998.1994. gação de novas metodologias, comparação do funciona- 2. Cole, R.J. y Cox R.H., Handbook of Toxic Fungal mento de instrumentos ou técnicas, e descrição dos resul- Matabolites, Assoc.Press, New York. p 356–379.1981. tados experimentais de interesse para a comunidade cientí- 3. Cotty, P.J., Agriculture, Aflatoxins and Aspergillus in fica, quando não se possam realizar pesquisas completas The genus Aspergillus, K. A. Powll, Editor. Plenum por alguma causa justificada. Deverão se limitar a 10 pági- Press, New York. p 1–27.1994. nas ou 3500 palavras, com não mais de 4 figuras e tabelas, 4. National Agricultural Statistics Service (1997) Crops e não mais de 15 referências, combinando resultados e county data [Online]. Available at http://usda.mannlib. discussão numa só seção. As demais características do for- cornell. edu/data–sets/crops/9X100 (verified 30 Nov. mato serão iguais às dos artigos. 1998). As Notas Técnicas são submetidas ao mesmo processo 35) Apêndices ou Anexos: Reservam-se para detalhar rigoroso de revisão por pares que os artigos. técnicas originais utilizadas ou análises teóricos que seriam de impedimento para seguir fluidamente o trabalho caso foram inclusos no texto. As tabelas dos apêndices podem levar números correlativos com os do texto ou iniciar outra numeração. 36) Figuras: As figuras (gráficos, Quadros, fotografias, outros) deverão se numerar correlativamente em ordem de aparição no texto e deverão incluir um breve título explicativo na parte inferior da figura. As imagens e fotografias se designarão como figuras. 37) Tabelas: As tabelas deverão se numerar correlativamente segundo sua ordem de aparição no texto e de maneira independente das figuras. Deverão incluir um título explicativo na parte superior. Caso ser necessário se somará no rodapé notas explicativas para esclarecer abreviaturas, signos, medidas, outros, de maneira que o leitor possa compreender seu conteúdo sem ter que ir para o texto.

4- Além das que possuir assinatura, se poderão colocar referências inéditas ou em imprensa (indicando a revista em que se publicarão), comunicações pessoais e páginas de Internet.

RECyT / Año 22 / Nº 33 / 2020 CONFIRMACIÓN DE AUTORÍA Y DERECHOS DE PUBLICACIÓN al presentar un trabajo, completar y enviar por fax a la revista

Fecha: ______

Los autores del trabajo titulado:

confirman a través de sus firmas al final del texto que:

1. Este trabajo no fue enviado para publicación a ninguna otra revista científica; 2. Cada autor leyó y aprobó el trabajo enviado; 3. Si el trabajo pudiera afectar los derechos humanos, o ser causa de un eventual daño al medio ambiente, a los animales y/o a las generaciones futuras, los autores deberán informar las previsiones tomadas para evitar riesgos emergentes y garantizar el buen uso y manejo de la información; 4. Eventuales contenidos del texto o figuras u otras partes del manuscrito tomados de otras publicaciones están debidamente citados y en caso necesario, los permisos para publicaciones de tales partes son de responsabilidad de los autores; 5. En el caso específico de la Investigación Biomédica, los investigadores deben conocer y realizar las salvaguardas previstas en todos los requisitos éticos, legales y jurídicos, establecidos en las normas bioéticas nacionales e internacionales¹; 6. Los autores no tienen conflictos personales, financieros u otro tipo de conflictos de intereses y no han realizado ningún acuerdo que pueda interferir con el acceso a los datos de la investigación.

Nombre completo Firma Dirección electrónica

CONFIRMATION OF AUTHORSHIP AND PUBLICATION REGULATIONS When submitting a manuscript, please complete and fax to the journal

Date: ______

The authors of the manuscript entitled:

by signing at the end of this text, certify that:

1. This article has not been previously published and is not under consideration for publication elsewhere; 2. All authors have seen and approved the manuscript being submitted; 3. If the article affects the human rights in any way, or is a reason of possible damage to the environment, animals and/or future generations, the authors will have to inform the precautions taken to avoid consequent risks and to guarantee the good use and managing of the information; 4. Contents of the text or fgures or other parts of the manuscript taken from other publications should be declared when submitting; and in such a case, the permissions for publications of those parts are the author’s responsibility; 5. In the specifc case of the Biomedical Research, the investigators must know and be sure about all the ethical, legal and juridical requirements, established in the national and international bioethical procedures2; 6. The authors have no personal, fnancial or another type of conficts of interests and have not assumed any agreement that could interfere with the access to the information of the research.

Full Name Signature e–mail

1– Nacionales: Disposición ANMAT 5330/97. Internacionales: Código de Nüremberg, Declaración de Helsinski y sus modificaciones, Declaración Universal sobre Genoma Humano y Derechos Humanos aprobada por la Conferencia General de la UNESCO, del 11 de noviembre de 1997. 2– National: ANMAT 5330/97 file. International: Nüremberg Code; Helsinski’s declaration with modifications, Universal Declaration about Human Genome and Rights prooved by UNESCO General Conference; on November 11th, 1997. CONFIRMAÇÃO DE AUTORIA E DIREITOS DE PUBLICAÇÃO Para apresentar um trabalho, preencher e enviar por fax à revista

Data: ______

Os autores do trabalho titulado:

Confirmam através de suas assinaturas no final deste texto que:

1. Este trabalho não foi submetido para a publicação em nenhuma outra revista científica; 2. Cada autor leu e aprovou o trabalho submetido; 3. Caso o trabalho pudesse afetar os direitos humanos, ou ser causa de um eventual dano ao médio ambiente, a os animais e/ou as gerações futuras, os autores deverão informar as previsões necessárias para evitar riscos emergentes e garantir o bom uso e emprego da informação; 4. Eventuais conteúdos do texto ou figuras ou outras partes do artigo retiradas de outras publicações estão devidamente referenciados e, caso necessário, as permissões para publicações desses conteúdos são de responsabilidade dos autores; 5. No caso específico da Investigação Biomédica, os pesquisadores devem conhecer e realizar as salvaguardas previstas em todos os -req uisitos éticos, legais e jurídicos, estabelecidos nas normas bioéticas nacionais e internacionais3; 6. Os autores não tem conflitos pessoais, financeiros ou outro tipo de conflitos de interesses nem tem realizado nenhum convênio que possa interferir com o acesso aos dados da pesquisa.

Nome e Sobrenome Assinatura Endereço eletrônico

3- Nacionais: Disposição ANMAT 5330/97. Internacionais: Código de Nüremberg, Declaração de Helsinski e suas modificações, Declaração Universal sobre Genoma Humano e Dereitos Humanos aprovada pela Conferência Geral da UNESCO, do 11 de novembro de 1997.