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JURADO DICTAMINADOR

_______________________________
Dr. JOSÉ MOSTACERO LEÓN
Presidente

_____________________________________
Dr. MARCO SALAZAR CASTILLO
Secretario

_____________________________________
Dr. FEDERICO GONZALES VEINTIMILLA
Miembro

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 PRESENTACIÓN

SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:

Cumpliendo con el reglamento de graduación de la Escuela de Postgrado

de la Universidad Nacional de Trujillo, someto a vuestra consideración la
tesis doctoral titulada: Extracción y caracterización química y reológica de
hidrocoloide de Opuntia spinulifera con perspectivas de aditivo en la industria de
alimentos.

Trujillo, Perú, marzo, del 2012

Ms. C. Lorena Vargas Rodríguez

3
 EXTRACCIÓN Y CARACTERIZACIÓN QUÍMICA Y REOLÓGICA DE
HIDROCOLOIDE DE Opuntia spinulifera CON PERSPECTIVAS DE ADITIVO
EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

RESUMEN
El hidrocoloide de cladodios de Opuntias, es un metabolito secundario del que se
conoce poco respecto a sus propiedades físicas y químicas. El estudio contribuye a
revalorar al género Opuntia (nopal) como fuente de obtención de aditivos en la industria
de alimentos. Se estableció una metodología de extracción, que implicó la optimización
de varios parámetros de la materia prima y de las etapas para la extracción. Se
seleccionó Opuntia spinulifera debido a su mayor contenido de hidrocoloide;
obteniéndose porcentaje de extracción del 17 % en base fresca. La apariencia del
producto precipitado es de hebras blanquecinos, mientras que el hidrocoloide seco es un
polvo de color blanco aperlado de poco brillo y con una aw de 0,47 que lo protege del
ataque de microorganismos. Se trata de especies polianiónicas, básicamente de
composición carbohidratos. El 9,14 % de su peso son ácidos urónicos, su
comportamiento es de un ácido débil monoprótico (pKa de 7,04). En la caracterización
física, se demostró que las dispersiones acuosas del hidrocoloide son fluidos no
Newtonianos, con alto grado de pseudoplasticidad. Los valores de viscosidad fueron
estables, frente a cambios de pH (4,0, 7,0 y 10,0) y de temperatura (15-65 oC). Al
analizar el efecto de cationes mono y divalentes (I=0,05 M), se determinó que existe un
grupo de efectores negativos de alto impacto para la viscosidad (Cu+2 e Fe+2). Mientras
que otros (Ca+2, Na+1 y K+1) la incrementan ligeramente. El hidrocoloide obtenido tiene
grandes perspectivas de uso en alimentos, como resultado de sus propiedades
determinadas. La aplicación próxima recomendada para este hidrocoloide es de
estabilizante de emulsiones y suspensiones. Contribuciones adicionales son los análisis
químico proximales (AQP) de la O. spinulifera, de un parénquima medular de Opuntias,
de un hidrocoloide ácido no péctico de cladodio.

Palabras Clave: Goma, hidrocoloide, Opuntia

i
 EXTRACTION AND CHEMICAL AND RHEOLOGICAL
CHARACTERIZATION OF Opuntia spinulifera HYDROCOLLOID ADDITIVE
PERSPECTIVE FOR FOOD INDUSTRY

ABSTRACT
The hydrocolloid at cladodes of Opuntia, is a molecule of secondary
metabolism, it´s little known about their physical and chemical properties. The study
developed in this work contributes to reassess the genus Opuntia (prickly pear) as a
source for obtaining from additive at the food industry. In this work were established a
methodology of extraction, which involved the optimization of several parameters of
the raw material stage to extract. The Opuntia spinulifera was selected due to their
higher content of hydrocolloid; it was obtained a extraction percentage of 17 % fresh
basis. The appearance of the precipitated product is whitish strands, while the dry
hydrocolloid powder is a pearly white and low brightness with aw 0.47 that protects it
from attack by microorganisms. The hydrocolloid structure is polyanionic species of
essentially carbohydrate composition. The 9.14% of its weight are uronic acids, their
behavior is a weak monoprotic acid (pKa of 7.04). In the physical characterization, it
was shown that the hydrocolloid dispersions are non-Newtonian fluids a high degree of
pseudoplasticity. The viscosity values were stable thereof to changes in pH (4.0, 7.0 and
10.0) and temperature (15-65 °C). In analyzing the effect of mono and divalent cations
(I=0.05 M), it was determined that a group of negative impact on the viscosity (Cu +2 e
Fe+2). And others cations (Ca+2, Na+1 y K+1) increase slightly. The hydrocolloid
obtained has great prospects for use in foods as a result of their properties determined.
The next recommended for this application hydrocolloid is stabilized emulsions and
suspensions. Additional contributions are the proximal chemical analysis of Opuntia
spinulifera, medullary parenchyma Opuntia, a hydrocolloid acid peptic not of the
cladode.

Keywords: gum, hydrocolloid, Opuntia

ii
 ÍNDICE GENERAL

Página

RESUMEN i

ABSTRACT ii

INDICE GENERAL iii

NOTACIÓN iv

I. INTRODUCCIÓN 1

II. MATERIALES Y MÉTODOS 29

III. RESULTADOS 41

IV. DISCUSIÓN 61

V. PROPUESTA 88

VI. CONCLUSIONES 89

VII. BIBLIOGRAFÍA 90

iii
 NOTACIÓN
Acido 3,5-dinitrosilisílico. DNS

Acido etilendiamino EDTA

Acido trifluoro acético ATF

Análisis químico proximal AQP

Azúcares reductores directos ARD

Base fresca de nopal BFN

Base fresca de parénquima medular BFP

Base fresca BF

Base seca BS

Constante de acidez Ka

Cromatografía de gases CG

Cromatografía en capa fina TLC

Especie de Opuntia Opuntia sp.

Especies de Opuntia Opuntia spp.

Fibra cruda FC

Fibra dietaria insoluble FDI

Fibra dietaria soluble FDS

Fibra dietaria FD

Fuerza iónica I

Humedad relativa en equilibrio HRE

Largo x ancho x grueso lxaxg

Official methods of analysis, ed. Association of Official
Analytical Chemists AOAC

Peso molecular PM

Peso/peso p/p

Peso/volumen p/v

Tensión superficial TS

Velocidad de cizalla 

Viscosidad 

Volumen/volumen v/v

iv
 I. INTRODUCCIÓN

I.1. Hidrocoloides en alimentos

I.1.1. Generalidades de las gomas y los hidrocoloides

La palabra goma, significa sustancia pegajosa o adhesiva, y es derivada del término
egipcio qemai o kami referido a la exudación de la planta Acanthus (Whistler y
BeMiller, 1993). En términos prácticos “las gomas son moléculas hidrofóbicas o
hidrofílicas de alto peso molecular, usualmente con propiedades coloidales, que en un
disolvente apropiado o matriz de alimento produce geles o suspensiones de altas
viscosidades, a bajas concentraciones (0.01-1.0 %) (Quemener et al., 2000a)”.

El término goma es aplicado a una amplia variedad de sustancias con características

gomosas (Whistler y BeMiller, 1993). Las sustancias hidrofóbicas son moléculas
hidrocarbonadas de alto peso molecular y otros productos de petróleo, caucho,
polímeros sintéticos, chicle para gomas de mascar y la savia de resinas que
frecuentemente se exuda de los árboles verdes (algunas veces comercial como es la
goma bálsamo y resina benzoina) (Whistler y BeMiller, 1993). Otro tipo son los
exudados fragantes de plantas, que consisten en mezclas de resinas y carbohidratos con
características gomosas (atributo que le imparte su resina hidrofóbica), en ésta categoría
se tienen las gomas incienso como mirra, huataco, copal y franquincence. A todos estos
exudados y otros polímeros insolubles en agua, se los clasifica como grupo de “resinas”,
también destaca la nueva denominación de coloide hidrofílico preferentemente en su
forma contraída “hidrocoloide”, para sustituir al término de “gomas solubles en agua”.
Los hidrocoloides no son verdaderos coloides, pero son polímeros de tamaño coloidal
(10 a 100 Å) (Glicksman, 1982).

Sin embargo, actualmente subsiste el término goma, para referirse a los polisacáridos de
plantas o microorganismos o sus derivados que son dispersos en agua fría o caliente
para producir mezclas o disoluciones viscosas que incluye derivados solubles en agua o
derivados con modificaciones de otros polisacáridos que son insolubles en la forma
natural Glicksman (1982); Whistler y BeMiller (1993) y Malone et al. (2003b) han

1
citado ciertas propiedades como pegajosidad, adhesividad, mucilaginosidad y
babosidad; adicionales a las características ampliamente reconocidas de espesar y
gelificar, sin olvidar la nutricional en casos específicos (algarrobo) (Glicksman, 1984;
Whistler y BeMiller, 1993).

Las gomas que se emplean en la industria en su mayoría son polisacáridos solubles en

agua, ellos presentan una amplia variedad de aplicaciones tanto en alimentos como no
alimentaria. Estas aplicaciones alimentarias comprenden a los agentes espesantes de
bebidas, salsas, almíbar y jarabes o bien, para proporcionar características de textura, en
muchos productos de panificación (Yang et al., 2004). También como agentes de
suspensión y gelificantes, en la elaboración de mermeladas y jaleas (Mesbahi et al.,
2005). Las múltiples aplicaciones dependen de las propiedades proporcionadas por sus
largas moléculas en varios estados de hidratación, pero sobre todo de las propiedades
que ellas imparten a las soluciones y capacidad de gelificar (Yang et al., 2004). Los
polisacáridos son los hidrocoloides más utilizados en la industria, no tóxicos, por lo
general son de bajo costo e incluso que los sintéticos (Quemener et al., 2000b; Macotte
et al., 2001).

Las principales gomas que se emplean en la industria de alimentos, comprenden a los

almidones, celulosa, derivados de celulosa, goma guar, goma algarrobo, pectina,
alginina, carragenina, xantana, goma arábiga (Glicksman, 1984; Whistler y BeMiller,
1993). Pectinas, alginatos y goma xantana son, de todos los hidrocoloides, los más
significantes en aplicación de alimentos (Quemener et al., 2000). En mucho menor
grado se emplean goma gati, karaya y tragacanto (Glicksman, 1984; Whistler y
BeMiller, 1993). Sin embargo, nuevas gomas, así como formulaciones de mezclas (por
sus efectos sinérgicos) están continuamente siendo estudiadas para su introducción
comercial en múltiples aplicaciones (Quemener et al., 2000a y 2000b).

El empleo de las gomas frecuentemente es como aditivo, para mejorar o controlar las
propiedades de los alimentos. En la industria de alimentos, las gomas deben ser
seleccionadas en base al valor agregado que confieren, por ejemplo, ser materiales no
calóricos, en alimentos fluidos tales como base de frutas (salsas, mermeladas y jugos
concentrados) o productos a base de leche (budines, yogurt), además también pueden

2
ser incorporados en productos cárnicos (Whistler y BeMiller, 1993; Macotte, 2001;
Yang et al., 2004).

El uso industrial de las gomas polisacáridas, es por su fácil hidratación que produce
disoluciones acuosas con altas viscosidades a bajas concentraciones de goma. Las
gomas también producen, bajo condiciones controladas, geles con diferente fuerza y
estabilidad. La mayoría de ellas son útiles como agentes de control de humedad y para
suministrar la consistencia requerida (Quemener et al., 2000b).

Cada goma tiene diversas propiedades que son consecuencia de su estructura molecular
única. La selección científica y exitosa de una goma para aplicaciones particulares en un
producto desarrollado depende esencialmente de la relación propiedad-estructura
molecular y la disponibilidad en el mercado (Malone et al., 2003).

I.1.2. Fuente de obtención de las gomas y clasificación de las gomas tipo hidrocoloide

Las gomas fueron identificadas por primera vez como exudados de árboles de bosques y
extractos de plantas o algas marinas, harinas de semillas o granos, gomosidades de
procesos de fermentación y muchos otros productos naturales (Whistler y BeMiller,
1993).

Se han descubierto nuevas gomas y han surgido otras como producto de modificación
química (derivatización) de gomas naturales, algunas desarrolladas por síntesis química
completa (Quemener et al., 2000 a y b). Una clasificación contemporánea completa de
las gomas comestibles o hidrocoloides basada en el origen y derivatización (Tabla 1).

Esta clasificación comprende “al término de hidrocoloide, definido como todo aquel
polisacárido o derivado que puede dispersarse en agua a bajo contenido de sustancia
seca y producir geles o dispersiones de alta viscosidad” (Whistler y BeMiller, 1993).

3
 Tabla 1. Clasificación de hidrocoloides en alimentos

Categoría Hidrocoloide
1) Exudados de plantas Arábiga
Tragacanto
Karaya
Gati
2) Extractos De Algas
Agar
Alginatos
Carragenina
Furcelaran
De Plantas
Pectina
Arabinogalactana
De Animales
Gelatina
3) Harinas De Semillas
Guar
Algarrobo
De Cereales
Almidones
Celulosa microcristalina

4) Fermentación Dextrana
Xantana
Curdlan
5) Modificación química Derivados de celulosa
Carboximetilcelulosa
Metilcelulosa
Hidroxipropilcelucosa
Hidroxipropilmetilcelulosa
Otros derivados
Almidones modificados
Pectinas de bajo metoxilo
Propilenglicol
Alginato
6) Sintéticas Polivinilpirrolidona (PVP)
Polímeros de Carboxivinil (Carbopol)
Polímeros de Oxido de polietileno

4
I.1.3. Propiedades físicas, químicas y funcionalidad

La utilidad e importancia de los hidrocoloides en la industria de alimentos y otras

industrias está basada en sus propiedades físicas, químicas y funcionales aunque alguna
parte del valor adicional es debido a mejoras organolépticas (Malone et al., 2003 a y b).
Por esta razón es importante el estudio. Estas propiedades son el producto de las
interacciones intermoleculares del polisacárido con las moléculas de su ambiente (los
diferentes ingredientes en alimentos procesados), pero más aun con las moléculas de
agua que generalmente abundan en el medio (Díaz et al., 2004).

Los hidrocoloides son polímeros de cadena larga que se disuelven o dispersan en agua
para dar un efecto viscoso o espesante. Esta propiedad es común en todas las gomas y es
la razón básica de sus usos. El grado de espesamiento varía, pero la mayoría ofrece altas
viscosidades a concentraciones del 1%, además el comportamiento al flujo también
difiere. El comportamiento al flujo de las soluciones de gomas, o sistema líquido
alimenticio, puede ser relacionado a las propiedades organolépticas de la solución y así
tener la aceptabilidad del producto. En este sentido las características reológicas de la
solución de goma son útiles para seleccionar la goma apropiada para una formulación o
aplicación específica (Malone et al., 2003a y b).

Mientras todas las gomas espesan e imparten viscosidad a soluciones acuosas, unas
tienen la capacidad de formar geles. La gelación es un fenómeno que involucra la
asociación o entrecruzamiento de cadenas poliméricas para formar una red
tridimensional continua, la cual atrapa o inmoviliza agua dentro de ella para formar una
rígida y firme estructura que es resistente al flujo bajo presión. Las características del
gel y textura varían ampliamente entre las gomas, lo que hace que se presenten
aplicaciones específicas y pocas veces puedan intercambiarse (Quemener et al., 2000 a
y b). Además del espesamiento y gelificación, los hidrocoloides tienen muchas
propiedades funcionales secundarias que son útiles en las aplicaciones de productos
alimenticios y desarrollo de formulaciones (Tabla 2). Estas son factores clave del éxito
o fracaso de un producto alimenticio, y en muchas aplicaciones más que una de estas
propiedades es utilizada (Yang et al., 2004).

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 Tabla 2
Hidrocoloides y su aplicación en alimentos
Hidrocoloide Aplicación
Guar Estabilizante, espesante y emulsificante
CMC Estabilizante, espesante
Arábiga Estabilizante, espesante y emulsificante
Xantana Estabilizante, espesante, emulsificante, agente
para dar cuerpo y agente espumante
Carragenina Estabilizante, espesante y emulsificante

Alginatos:
Alginato de sodio Estabilizante, espesante y emulsificante
Acido algínico Estabilizante, espesante y emulsificante
Alginato de propilenglicol Estabilizante, espesante y emulsificante

Pectinas Estabilizante, espesante, emulsificante y agente

gelificante

Algarrobo Estabilizante, espesante y emulsificante

Agar Estabilizante, espesante y emulsificante

Metilcelulosa Estabilizante, espesante, emulsificante, agente

para dar cuerpo, aglutinante, y formador de
películas

Tragacanto Estabilizante, espesante y emulsificante

I.1.3.1. Hidratación y solubilidad

En estado sólido todos los polisacáridos tienen regiones donde sus moléculas o
segmentos de cadena están en arreglo desorganizado. Estas regiones amorfas,
consecuentemente tienen numerosas posiciones para enlaces de hidrógeno disponibles
los cuales pueden hidratarse fácilmente. Los polisacáridos secos tienen una pequeña
pero muy fuerte afinidad por agua. En humedades ambientales normales, los
polisacáridos contienen 8 a 10 % de agua (Glicksman, 1984; Whistler y BeMiller, 1993;
Yang et al., 2004).

Cuando un polisacárido soluble es colocado en agua, las moléculas de agua penetran

rápidamente a las regiones amorfas y se unen en los sitios disponibles del polímero,

6
compitiendo por las uniones que pueden darse entre polisacáridos (Whistler y BeMiller,
1993). Los segmentos de las cadenas de polisacáridos llegan a ser completamente
solvatados, y solubilizados, mientras que un número reducido de segmentos son unidos
a otras cadenas de polisacáridos que no han sido solvatados completamente (Díaz et al.,
2004).

Esta etapa intermedia en la disolución de una molécula polimérica representa un estado

transitorio del gel que describe una etapa universal en la disolución de todos los
polisacáridos. El polisacárido soluble continúa hidratándose hasta llegar a ser moléculas
completamente rodeadas de moléculas de agua parcialmente inmovilizadas y el
polímero se dice es monodisperso. Muchos polisacáridos no se hidratan más allá de la
etapa de gel intermediario y se mantienen como moléculas dispersadas formando geles
cuyas propiedades físicas dependen del grado de hidratación o del grado de unión
interpolisacárido (Mesbahi et al., 2005).

I.1.3.2. Relación de la estructura molecular y propiedades

Para visualizar claramente el comportamiento de los hidrocoloides, se estudian las

características estructurales enfatizando las interacciones que se desarrollan con el
disolvente. Entre las principales propiedades está aumentar la viscosidad, la estabilidad,
la suspendibilidad, la acción emulsificante y la gelación. En adición a proporcionar
estas propiedades, el polisacárido debe ser compatible con otros polisacáridos, proteínas
y materiales biológicos misceláneos (Uruakpa y Arntfield, 2004). Algunos polisacáridos
son naturalmente aniónicos, poseen grupos carboxilos, sulfatos o fosfatos. Otros son de
carácter catiónico con grupos aminos u otros, los cuales por lo común son
monoacetilados o sulfatados (Glicksman, 1984; Whistler y BeMiller, 1993; Quemener
et al., 2000 a y b; Díaz et al., 2004). Los hidrocoloides existen como cadenas lineales o
ramificadas compuestas de unidades de azúcar, propiamente denominadas unidades
glicosil. Las cadenas lineales pueden contener desde cientos hasta miles de unidades
glicosil. Si todas las unidades de glicosil son del mismo tipo, ejemplo, D-glucosa
(específicamente unidades D-glucopiranosil), se llaman homoglicanos, ejemplos la
celulosa, amilosa y amilopectina en el almidón (Glicksman, 1984; Whistler y BeMiller,
1993).

7
Algunos hidrocoloides son ligeramente ramificados, frecuentemente con una sola
unidad glicosil constituyendo la rama (cadena lateral), como en goma guar o algarrobo,
donde una unidad D-galactopiranosil es conectada a la cadena principal de unidades D-
manopiranosil por enlaces 1 6 glicosídicos (Figura 1).

Figura 1. Tipos de estructura polisacárida.

Los hidrocoloides lineales presentan una tendencia a formar estructuras helicoidales los
cuales son los más abundantes dado que existe enorme cantidad de uno de ellos, la
celulosa. En contra parte los hidrocoloides ramificados son en extremo los más
diversos, de inmensas formas ramificadas y con una variedad de tipos glicosilos en sus
estructuras (Figura 1). Sin embargo, tanto los lineales como ramificados pueden ser
homoglicanos.

8
En las glicanas ramificadas es bastante común que copolimericen dos o más residuos de
azúcar diferentes, por lo que se les ha llamado heteroglicanas. La composición
monosacáridas de los hidrocoloides más empleados en la industria de alimentos es
presentada en la Tabla 3.

La nomenclatura empleada es que si dos tipos de unidades de glicosil se presentan, el

polímero es diheteroglicano, con tres triheteroglicano, y así sucesivamente. Hasta ahora
no se conoce una glicana con más de 7 tipos glicosilos diferentes, tal es el caso del
hidrocoloide tragacanto, pero incluso en ese caso de heptaheteroglicana, la organización
no es al azar sino que conserva cierto orden que hace más fácil el entendimiento de la
función molecular y comportamiento (Whistler y BeMiller, 1993).

En estructuras más complejas, las cadenas laterales deben contener otras cadenas
laterales para dar un complejo de estructura rama sobre rama, también conocido como
“arborescente o arbustiva”, como aparece en la Figura 1-d. Estas moléculas tienden a
ser más estables y menos viscosas que las estructuras lineales (Glicksman, 1984).

Un buen ejemplo es amilopectina, un polímero de glucosa con alto peso molecular, el

cual tiene una estructura arborescente típica. Las gomas arábiga (Jiménez et al., 2005) y
gati, cada una de las cuales está formada por varios y diferentes componentes (Tabla 3),
también presentan estructuras de rama sobre rama (Glicksman, 1984).

Es importante reconocer que una glicana lineal puede producir disoluciones más
viscosas que una glicana ramificada del mismo número de unidades, particularmente la
forma arbustiva. Esto puede ser visualizado considerando el diámetro de la esfera de
giro de una molécula extendida en disolución, como se muestra en la Figura 2.

Las colisiones que se presentan entre éstas moléculas son frecuentes y liberan energía
que contribuye a la viscosidad de la disolución (Whistler y BeMiller, 1993). A
diferencia de las moléculas altamente ramificadas (arbustivas) de peso molecular
equivalente que generan una esfera de giro mucho más pequeña y colisionan con menor
frecuencia, contribuyendo con menos viscosidad en la disolución.

9
 Figura 2. Efecto comparativo de hidratación en polímeros lineales y ramificados de
igual peso molecular. Glicksman (1982)

Cuando existe la mitad de hidrólisis de una molécula lineal, esto puede disminuir la
viscosidad. Para explicar esto es útil considerar una molécula lineal (figura 2) como una
varilla que gira sobre su centro, puesto que el volumen de la esfera proyectada es una
función del cubo del radio, si la varilla se rota a la mitad, el tamaño o volumen de la
esfera de giro ahora será un octavo del tamaño del inicial (Gliksman, 1984). Por lo
tanto, la ruptura de una cadena de polisacárido lineal en el medio puede teóricamente
disminuir la viscosidad de la disolución en un 75 % (Glicksman, 1984). Por lo que se
debe considerar que si las glicanas son fáciles de hidrolizar por ácido, pueden
degradarse mientras permanecen en disoluciones o suspensiones de bajo pH por mucho
tiempo, y afectar con ello la viscosidad (Glicksman et al., 1984; Whistler y BeMiller,
1993).

Si las cadenas son ionizadas como en las moléculas lineales de pectato de sodio y
alginato de sodio, las moléculas nunca se asociarán por las cargas negativas en los
aniones carboxilatos. Las repulsiones coulómbicas permiten que las cadenas sean
extendidas completamente, produciendo disoluciones muy viscosas y lo segmentos
moleculares cargados se repelen uno con otro cuando se presenta la colisión,
proporcionando disoluciones estables. Pero si el pH de la solución es tres donde la
ionización del ácido carboxílico es disminuida, las moléculas aniónicas son convertidas

10
a neutras que se asocian y forman un gel o se precipitan de la disolución (Whistler y
BeMiller, 1993; Uruakpa y Arntfield, 2004).

Tabla 3. Porcentaje de unidades monosacáridos constituyentes en hidrocoloides de uso

en alimentos.
Hidrocoloides Xyl Ara Rha Fuc Glc Gal Man Anh GlcA AGal AMan AGul
Gal

Pectinas 1 2 1 4 52
Algarrobo 1 18 52
Guar 2 29 42
Arábiga 22 8 36 13
Tragacanto 8 24 2 3 7 8 23
Carragenina 29
Agar 41
Xantana 22 18 13
Alginato 38 15

I.1.4. Importancia industrial y económica

Los hidrocoloides son usualmente clasificados como estabilizadores y espesantes. A

pesar de las regulaciones gubernamentales y restricciones, los estudios hechos en
aditivos indican que la demanda crece a velocidad acelerada. Un reporte de
investigación por Frost y Sullivan (citado en Whistler y BeMiller, 1993) predice el
volumen total para crecer de 1.3 billones de dolares en 1976 a 2.1 en 1985 para
estabilizadores y espesantes incrementos de 178 millones de dolares en 1976 a 244
millones en 1985. En 1988, espesantes y estabilizadores constituyeron casi 40 % del
total del consumo de los aditivos en alimentos de los Estados Unidos de Norte América
de 700 mil toneladas y 25 % del total del valor $3.2 billones de dólares (Whistler y
BeMiller, 1993). Los industriales saben que de utilizar una goma, esta debe tener
presentes numerosos factores como 1) propiedades físicas y químicas requeridas, 2)
costo de la goma, 3) constancia del costo, 4) constancia de abastecimiento y
composición y 5) posibilidad de reemplazamiento de la goma por otra; (Whistler y
BeMiller, 1993).

11
Dentro de los factores que favorecen un bajo costo de hidrocoloide crudo están: que
cerca de las ¾ partes del peso de las plantas consiste de carbohidratos, no es
sorprendente que los polisacáridos se obtengan a bajo costo (Quemener et al., 2000 a y
b). También, muchos microorganismos producen polisacáridos, y algunos producen
polisacáridos extracelulares en cantidades, que es económicamente rentable el cultivo
de microorganismos para la producción del polímero (Díaz et al., 2004).

De los factores a señalar en contra, se tiene que en los tejidos de las plantas se tienen
mezclas de polisacáridos de los cuales los componentes individuales pueden ser
separados, pero usualmente el proceso de la separación es complicado. Por tal razón los
costos se elevan, por lo que solamente aquella parte de la plantas rica en un polisacárido
particular es la que conviene procesar (Quemener et al., 2000 b; Mesbahi et al., 2005).
Los hidrocoloides por sí mismos constituyen un producto terminado, pero son usados
más frecuentemente como aditivos para mejorar o controlar las propiedades de los
alimentos. En la industria de alimentos, las gomas son seleccionadas en base al valor
agregado que imparten, por ejemplo, como materiales no calóricos (Glicksman et al.,
1984). La mayoría de los hidrocoloides son útiles como agentes que controlan la
humedad, consistencia y textura que conllevan a una alta aceptación requerida en el
mercado (Malone et al., 2003 a).

La mayor tendencia en la industria de alimentos son las dietas hipocalóricas y de alta

fibra, lo cual permite el uso de polisacáridos como espesantes, estabilizadores y
emulsificantes, también como agentes para voluminosidad en pruebas de crema batida
de aquellos productos bajos en grasa (Quemener et al., 2000 b y Macotte et al., 2001).
El uso de los polisacáridos en alimentos de manera individual o mezclados es
controlado (Code of Federal Regulations, U. S. A., 1958). Ellos deben estar clasificados
y reconocidos generalmente como seguros, afirmados como GRAS. Algunos
polisacáridos tienen un nivel máximo de uso específico; otros no se limitan cuando son
usados de acuerdo a la manufactura de buenas prácticas. Actualmente los niveles de uso
son determinados por el mínimo nivel requerido para proporcionar el efecto deseado
(Normas de alimentos a nivel de cada país).

12
I.2. Hidrocoloide de Opuntia sp.

I.2.1. Propiedades químicas

I.2.1.1. Composición y estructura

El mucílago o sistema hidrocoloidal de Opuntia sp. (nopal) comúnmente denominado

baba de nopal, es una mezcla de sustancias o moléculas hidrocoloidales, básicamente
azúcares de elevado peso molecular y de carácter hidrofílico (Sáenz et al., 2004). El
peso molecular promedio, reportado para las estructuras presentes en la mezcla del
hidrocoloide de nopal Opuntia ficus indica por dos técnicas distintas es variable. A
6
través de ultracentrifugación se obtiene un valor de 4.3 x 10 Da (Trachtenberg y
4
Mayer, 1981), en tanto que con la elusión en columna de HPLC es de 2.3 x 10 Da
(Medina et al., 2000). Un reporte adicional para esta determinación es el de Cárdenas et
al., (1997) con un PM de 3 X 106 Da., con estas cifras de 106 Da se ha sugerido la
formación de grandes agregados moleculares con buena estabilidad, debido a que no se
disocian durante la elución en columnas de tamices moleculares (Cárdenas et al., 1997).

Las diferencias en las técnicas de separación, determinación del PM del hidrocoloide y

la presencia de otros componentes celulares deben explicar la amplia variabilidad de los
estos resultados, así como la contribución específica de la Opuntia utilizada. La
composición química del hidrocoloide ha sido ampliamente estudiada (Saag et al.,
1975; 1981; McGarvie y Parolis, 1981; Trachtenberg y Fahn, 1981; Trachtenberg y
Mayer, 1981; 1982; Gibson y Nobel, 1986; Saenz et al., 1992; Forni et al., 1994). Se
pueden citar a la L-arabinosa, D-galactosa, L-ramnosa y D-xilosa y D-ácido
galacturónico como los constituyentes monosacáridos frecuentemente reportados con
cantidades variables, por lo que el hidrocoloide bajo esta generalización presenta
especies químicas de pentaheteroglicano. En la Tabla 4, se muestra el porcentaje de
composición monosacárida más constante cuali y cuantitativamente.

13
Tabla 4. Composición porcentual promedio de monosacáridos constituyentes del
hidrocoloide de Opuntia spp.
Monosacárido Composición (%)
Arabinosa 42
Xilosa 22
Galactosa 21
Ramnosa 7
Ácido galacturónico 8
Fuente: McGarvie y Parolis, 1981; Trachtenberg y Fahn, 1981; Trachtenberg y Mayer,
1981; 1982; Gibson y Nobel, 1986

A continuación se destacan varios resultados no consistentes que se han obtenido

respecto a la composición química del mucílago de Opuntia spp., los cuales no siempre
son referidos a las mismas especies. En el mucílago de Opuntia ficus indica, Fernández
(1949) citado por Bravo (1978) identificó glucosa y arabinosa principalmente, mientras
que en Opuntia tomentosa además de esos dos, también estuvo la galactosa. Amin et al.
(1970), determinaron que el mucílago es un polisacárido neutral de aproximadamente
55 residuos sin ácido urónico; compuesto de arabinosa, ramnosa, galactosa y xilosa.

En contraste el polisacárido soluble en agua de Opuntia ficus indica presentó fracciones

neutras de glucanas y glicoproteínas, así como fracciones acídicas que contienen
arabinosa, galactosa, ramnosa, xilosa y ácido galacturónico. Srivastava y Pande (1974)
aislaron un polisacárido de cladodios de Opuntia dillenii, la molécula consistió de una
cadena principal de galactosa con cadenas ramificadas de unidades de arabinosa.

La presencia de D-ácido galacturónico ha sido la causa de controversia para varios

autores quienes han referido al hidrocoloide (mucílago) como pectina o pectinoide
(Goycoolea y Cárdenas, 2003). Sin embargo, el bajo contenido de este azúcar ácido en
el hidrocoloide (<15 %) debe clarificar su identidad propia, diferente a las pectinas
(  50 % de galacturónico), aunado a su nula capacidad para gelificar.

Majdoub et al., (2001) identificaron dos principales componentes en la fracción soluble

en agua de corteza de nopal (con edades de 6 a 12 meses), el primero con alto promedio
de masa molar (Mw de 13 x 106 gmol-1) y el segundo con bajo valor (3.9 x 103 gmol-1).
La masa molar mayor corresponde a un polisacárido puro, sin proteína (conteniendo
ácido galacturónico, ácido glucurónico, glucosa, xilosa, galactosa, ramnosa y

14
arabinosa). Los autores proponen que es un miembro de la familia de pectina pero que
presenta un 20 % de azúcares cargados. Esta evidencia para un tipo de pectina con
estructura cargada es referida a la capacidad potencial del polisacárido, para
interaccionar con cationes divalentes (Ca+2 y Mg+2), como es comúnmente descrito en la
literatura científica (Majdoub et al., 2001). El componente de bajo peso molecular en
ese trabajo fue descrito como una proteína.

Los mismos autores (Majdoub et al. 2001), destacan el potencial de las propiedades de
emulsificación y/o estabilización debido a la presencia de proteínas en el producto de
mayor peso molecular. Estudios realizados por Matsuhiro et al. (2001) usando diálisis
para la purificación de hidrocoloide, mostraron que está constituido por al menos 5
fracciones y que por tratamiento con cetrimida produjo 2 fracciones que se
caracterizaron por cromatografía de exclusión molecular. La fracción homogénea que
precipitó con cetrimida comprende un 26% de ácido urónico; pero que luego de una
hidrólisis química total y análisis espectroscópico indicó que no es pectina.
Las primeras estructuras descritas para la molécula del hidrocoloide la sugieren como
un núcleo de cadena lineal con unidades repetidas de (14) -D-ácido galaturónico y
(12) -L-ramnosa y cadenas laterales de (16)- -D-galactosa unidas en residuos de
ramnosa mediante O-4. Los residuos de galactosa presentan substituyentes en las
posiciones O-3, o doble sustitución en O-3 y O-4 (McGarvie y Parolis, 1981) (Figura 3).

Figura 3. Estructura propuesta para el hidrocoloide de Opuntia ficus indica.

15
La composición de las cadenas externas es compleja, al menos 20 diferentes tipos de
oligosacáridos han sido identificados, la mayoría disacárida o trisacárida.
Invariablemente contienen residuos (15) L-arabinosa y D-xilosa como grupos
terminales, dando una proporción de xilosa:arabinosa cercana a 1:2; ramnosa y ácido
galacturónico muestran ser restringidos al esqueleto del mucílago (McGarvie y Parolis,
1981).

La Tabla 5, resume los resultados de peso molecular, azucares y composición de ácido

urónico en el hidrocoloide de Opuntia.

16
Tabla 5. Peso molecular, azucares y presencia de ácido urónico en hidrocoloide de
Opuntia sp.
Autor PM Galactosa Ramnosa Arabinosa Xilosa Acido Galactosa/
Da urónico Arabinosa
Majdoub et 13 x 106 + + + + + ---
al., 2001
Goycoolea et --- + + + + --- 2/3
al. (2000)
Cárdenas et 3X106 ---- --- --- --- --- ---
al. (1997)
Sáenz y --- + + + --- + ---
Sepúlveda
(1993)
Sáenz et al. --- + + + --- + ---
(1992)
Trachtemberg 1.56X106 --- --- --- --- --- ---
y Mayer
(1982b)
McGarvie y --- + + + + + ---
Parolis
(1981a)
McGarvie y --- + --- + + --- 1.5/3
Parolis
(1981b)
Trachtemberg 4.3X106 + + + + + 4.9/3
y Mayer
(1981)
---
McGarvie y + + + + + 1.3/3
Parolis
(1979)
---
Paulsen y + + + + + 2.3/3
Lund (1979)
---
Saag et al. + + + + + 3.5/3
(1975)
---
Srivastava y + -- + -- --- 3/1
Pande (1974)
Amin et al. 55 residuos + + + + --- ---
(1970)

17
I.2.1.2. Carácter ácido o neutro y resistencia química

El carácter ácido en el hidrocoloide no péctico de Opuntias es atribuido a la presencia

de D-ácido galacturónico. Así Trachtenberg y Mayer (1981), han cuantificado este
parámetro para hidrocoloide purificado de Opuntia ficus indica mediante el pKa por
titulación, registrando un valor de 4.8 después de haber confirmado la presencia de
ácido galacturónico en la molécula. Sin embargo, otros autores han confirmado la
ausencia de ácidez, por ejemplo Amin et al. (1970) describen al hidrocoloide de la
misma ficus indica como un polisacárido neutral (sin ácido urónico), así como también
Opuntia dillenii, cuya cadena principal constituida por galactosa y ramificada con
unidades de arabinosa no presentó carácter ácido (Srivastava y Pande, 1974). En otros
casos, se afirma la presencia de al menos una fracción neutra. Así el hidrocoloide de la
Opuntia ficus indica estudiado por Matsuhiro et al. (2001), presentó tanto fracciones
neutras (glucanas y glicoproteínas) como ácidas (constituidas por ácido galacturónico).

El esqueleto principal lineal del hidrocoloide de cladodio de Opuntia ficus indica ha

sido descrito ser muy resistente al ataque por ácidos, dado que no aparecen luego de una
hidrólisis exhaustiva (McGarvie y Parolis, 1981). Para llegar a una hidrólisis completa
de los azúcares se han empleado condiciones drásticas como H2SO4 0.5 M por períodos
de 10 h a 100 oC.

I.2.2. Características reológicas

I.2.2.2. Viscosidad

Las propiedades físicas de los hidrocoloides son importantes ya que imparten ciertos
atributos organolépticos (textura, consistencia y fluidez) de los alimentos procesados,
incluyendo las de tipo reológico. Estas propiedades físicas son el resultado de la
interacción de las moléculas de polisacáridos y con las moléculas de su ambiente (las de
otros ingredientes, pero principalmente con las del agua) (Díaz et al., 2004).

Las propiedades de flujo de las gomas o hidrocoloides dependen de los siguientes

parámetros, varios de los cuales se interrelacionan: comportamiento viscoso,

18
concentración, temperatura, peso molecular, velocidad de cizalla, esfuerzo de corte, pH
e iones (Glicksman, 1984). El comportamiento al flujo (o bien, de la curva de
viscosidad) de las disoluciones de hidrocoloides, o del sistema líquido alimenticio,
puede ser relacionada a las propiedades organolépticas de la disolución y así tener la
aceptabilidad del producto. En este sentido las características reológicas de la solución
del hidrocoloide son útiles para seleccionar la goma o hidrocoloide apropiado para una
formulación o aplicación específica (Quemener et al., 2000 a). El hidrocoloide de
cladodio de Opuntia ficus indica en el agua forma dispersiones espesas o viscosas.
Dichas dispersiones han sido estudiados para su comportamiento al flujo, por Medina
et al. (2000) y revelaron un fluido de tipo no Newtoniano.

La fracción del hidrocoloide de esa misma especie que precipita con centrimida
obtenida por Matsuhiro et al. (2006) presenta dependencia de la viscosidad con el pH y
el ion calcio. Este hidrocoloide podría ser considerado una fuente potencial para la
industria, debido a esta capacidad de afectación (por pH y cargas) que resulta en alto
grado de interacciones.

I.2.3. Hidrocoloide y la Opuntia sp.

I.2.3.1. Síntesis, localización y funciones biológicas del hidrocoloide

El género Opuntia de la familia Cactaceae es ampliamente conocido por su producción

de hidrocoloide, mucílago o también llamado comúnmente baba de nopal. El contenido
de hidrocoloide encontrado en los cladodios del cactus está determinado no solo por el
manejo de la cosecha, sino que también depende de la temperatura del medio ambiente,
irrigación y lluvia (Nobel, 1991).

Las células mucilaginosas se encuentran tanto en el clorénquima como parénquima

medular y es en ellas donde se almacena el mucílago o hidrocoloide (Trachtemberg y
Mayer, 1981 y 1982; Pimienta, 1990). El hidrocoloide está distribuido en la corteza,
pulpa de cladodios y en la fruta de las Opuntias. Mondragón et al. (2000) citan que en
Opuntias cultivadas se encontró hidrocoloide en todos los órganos incluyendo las
estructuras florales. Este hidrocoloide presenta gran capacidad para embeber o absorber

19
agua; esto tiene un papel muy importante en la fisiología de la planta, considerando que
las especies de Opuntia crecen comúnmente bajo condiciones de estrés hídrico, por lo
que participa en la capacidad de resistencia a la sequía para esta planta (Nobel, et al,
1991).

La capacidad de retención de agua del hidrocoloide es muy alta, se alcanza hasta un 75

% del peso seco en una humedad relativa al 100 %, esto se debe a la gran cantidad de
hidroxilos y carboxilos presentes en la molécula (Trachtenberg y Mayer, 1981).
Goldstein y Nobel (1991), estudiaron el papel del hidrocoloide en el proceso de
congelación del tejido de Opuntia ficus indica; ellos concluyeron que el gran contenido
de hidrocoloide extracelular y la fracción de agua apoplástica aparentemente favorecen
la nucleación de hielo cercano a las temperaturas de equilibrio en la congelación, lo
cual hace que el proceso de deshidratación celular sea gradual y así los daños se
minimicen. El hidrocoloide es un metabolito secundario en el cladodio que presenta
también la función de ser reserva de energía (Sutton y Sutton, 1981).

I.2.4. Métodos de obtención

A pesar del potencial estimado de aplicación industrial para el hidrocoloide natural de

Opuntia spp., y pese a su abundante y diversa fuente de obtención (nopal), falta mucho
trabajo de investigación para ser un producto comercial, muy probablemente por el
obstáculo que representan los métodos de obtención. Respecto a ésto, los métodos
extractivos empleados con el hidrocoloide de Opuntia spp. y publicados registran bajos
rendimientos de extracción, no mayores a 1.68 % en base fresca de vegetal; además de
poca selectividad (Amin, et al., 1970; Moyna y Tubio, 1977; Moyna y DiFabio, 1978;
Smestad y Steinar, 1979; McGarvie y Parolis, 1979, 1981; Trachtenberg y Mayer,
1981a, 1981b; Cárdenas et al., 1998a, b; Majdoub, et al., 2001a, b; Alarcón et al.,
2003).

Varios autores han realizado investigaciones sobre las técnicas de extracción y métodos
de purificación para el hidrocoloide o mucílago. En la mayoría de ellos se homogeniza
el cladodio de cactus con agua, usando etanol para su precipitación (Srivastava y Pande,
1974; Trachtemberg y Mayer, 1981, 1982; Saenz et al., 1992; Cárdenas y Goycoolea,

20
1997, Cárdenas et al., 1997). Nobel et al. (1992) cambiaron el agente precipitante
etanol por 2-propanol. Los resultados obtenidos muestran que al menos el 93 % de la
precipitación alcanzada por la técnica debe ser hidrocoloide. Medina-Torres et al.,
(2000) modificaron el procedimiento de extracción reportado por McGarvie y Parolis
(1979); maceraron la pulpa obtenida de los cladodios, centrifugaron, decantaron y
precipitaron con acetona. Majdoub et al., (2001), incluyeron un pretratamiento de
desengrasado con los cladodios mediante éter de petróleo, posteriormente maceraron en
agua desionizada y filtraron al vacío, no reportaron rendimiento de los productos.

El rendimiento de hidrocoloide seco reportado por Cárdenas et al., (1997) para Opuntia
ficus indica fue de 0.07 % en peso fresco del cladodio. A diferencia de Sáenz y
Sepúlveda (1993) con un valor de 1.2 % para la misma especie de Opuntia. Goldstein et
al., (1991) reportaron que el hidrocoloide constituye una fracción importante (9-19 %)
del peso seco de cladodios de Opuntia ficus indica. Fernández, citado por Bravo
(1978), reportó para las cactáceas en general un contenido de hidrocoloide entre 1.09 %
y 4.53 % en peso fresco. Srivastava y Pande (1974) obtuvieron un rendimiento de 0.5 %
también del peso fresco de cladodios de Opuntia dillenii.

Se han citado dos factores ambientales para estimular el incremento del contenido de
hidrocoloide en el cladodio, 1) las bajas temperaturas durante la aclimatación y 2) la
respuesta a la sequía de la planta como un mecanismo de protección que desarrolla la
misma planta (Goldstein et al., 1991). Un hallazgo más al respecto fue que en 1945
Roberts observó que el jugo extraído de cladodios de Opuntia variaba su viscosidad
dependiendo de la cantidad de agua que la planta recibe. Así la tierra que es
extremadamente seca, propicia un jugo más viscoso de hidrocoloide, que aquel derivado
de tierra semiárida. Por lo que la planta muestra un cambio en la producción de
hidrocoloide de acuerdo a la captación de lluvias. Así, podría esperarse jugo más
viscoso de plantas crecidas con precipitación pluvial escasa, por lo que esta idea debe
considerarse para el uso de cladodios como fuente de hidrocoloide.

21
I.2.5. Usos generales

Desde tiempos prehispánicos se reconoce una multitud de usos tradicionales domésticos

para el hidrocoloide de cladodio de Opuntia, destacando en el ámbito de la salud los
siguientes (www.unam.mx, 2000): 1) auxiliar en los problemas digestivos, 2) alivio de
quemaduras, 3) regulación de temperatura corporal, 4) humectación de la piel, 5)
analgésico, 6) prevención de la prostatitis, 7) prevención y tratamiento de la diabetes,
obesidad y colesterolemia, muchos de estos usos sin fundamentos científicos. En tanto
las aplicaciones documentadas comprenden 1) beneficios a la salud y cosmética
(Alarcón et al., 2003; Felker e Inglese, 2003; Sáenz et al., 2004), 2) aditivos de
bebidas y alimentos (Felker e Inglese, 2003), 3) área de construcción (Cárdenas et al.,
1998a), 4) recientes formulaciones de biopelículas comestibles (Del Valle et al., 2005),
y 5) remoción de metales pesados de aguas contaminadas (Felker e Inglese, 2003;
Sáenz, 2004).

I.3. Opuntia spinulifera

I.3.1. Generalidades del género Opuntia

Para la Opuntia sp. o comúnmente denominado nopal, a quienes los aztecas nombraban
como nochtli o nopalli, se tiene a nivel mundial 258 especies reconocidas. El nopal es
una cactácea nativa del norte y sur de América, que crece de manera silvestre en zonas
semiáridas y áridas. El género Opuntia comprende más de 181 especies, sobre las bases
de rasgos morfológicos (Labra et al., 2003). En México se tienen clasificadas 104
especies para el género Opuntia y 10 para el Nopalea y muchas otras dudosas (Bravo,
1978), de las cuales solo 3 son útiles o cultivables para nopal verdura, siendo dos de
ellas de Opuntia (ficus indica y robusta) y una del Nopalea (cochellinifera), sin
considerar las 6 para nopal tunero y las 15 para forraje. Se ha establecido que ninguna
especie de nopal es tóxica, todas son comestibles, sin embargo, se prefieren las
desprovistas de espinas por cuestión práctica (Bravo, 1978; Bravo y Scheinvar, 1985;
Nobel, 1991).

22
Cerca del 60 % (3 x 106 Ha) del territorio nacional corresponde a suelos pobres para
sostener un cultivo tradicional (como puede ser el maíz), pero no así para el cultivo de
nopal, que además se desarrolla ante bajas precipitaciones (Bravo, 1978; Bravo y
Scheinvar, 1985; Nobel, 1991) rindiendo en una excelente opción de ingreso
económico, y que conlleva a un considerable enriquecimiento de los suelos.

I.3.2. Identificación de las especies de Opuntia

La taxonomía del género Opuntia ha mostrado grandes limitaciones por la gran

variación morfológica dentro de las diferentes especies, sugiriendo que las
características fenotípicas presentan grandes limitaciones para proporcionar una
clasificación estable. Esta dificultad para las interpretaciones morfológicas ha
ocasionado gran confusión sobre las especies, en muchos casos se ha publicado
información para especies diferentes, posteriormente en los mejores casos se concluye
que son una misma especie, generando la sinonimia; o bien en otros peores resultan
atribuciones falsas (Scheinvar, 1986), otros aun, quizás no se han descifrado.

Respecto a la ausencia de espinas en el cladodio de nopal, se dice podría ser un rasgo

secundario, seleccionado por productores en el proceso de domesticación. En efecto
todas las variedades cultivadas son libres de espinas para facilitar la cosecha. Por lo que
la presencia de espinas (la principal diferencia morfológica) entre estas dos taxas (según
Britton y Rose, 1919) podría ser no considerado como un parámetro en la taxonomia de
Opuntia. Conjuntamente se tiene en un estudio fisiológico que las espinas son
estrictamente dependientes de factores ambientales (Nobel, 1983).

Por otra parte, existe una alta variabilidad en el número de cromosomas y la ploidia en
las especies de Opuntia que impiden el uso de un análisis de cariotipo para elucidar la
taxonomía de este género. Grandes esfuerzos se están realizando para identificar y
clasificar en base a marcadores moleculares, con ello incluso se ha sugerido que
Opuntia ficus indica puede ser una especie domesticada de Opuntia megacantha. Sin
embargo, señalan que aún se está en la insuficiencia científica y tecnológica para definir
diferencias genéticas entre especies estrechamente relacionadas, o para estimar
variabilidad genética entre individuos de la misma especie, por lo que la estrategia más

23
valiosa debe ser la que incluya también a los rasgos morfológicos y la distribución
biogeográfica.

Recientemente Mondragón et al. (2000) reportan que no existe método de extracción de

DNA de alta calidad para cactus, pese a que estudiaron varios métodos de minipreps
que han sido reportados como rápidos y seguros en otras plantas que poseen
polisacáridos. Ellos encuentran que el principal problema fue el hidrocoloide presente
en el tejido, que originó un gel, e impidió continuar con el protocolo de extracción.
Finalmente la utilización de bromuro de hexadeciltrimetilamonio (CTAB) en el buffer
de extracción les permitió resolver este problema técnico. El método involucra ajustes
en la cantidad de tejidos de acuerdo a la especie y edad (básicamente debido a las
variaciones en el contenido de hidrocoloide).

La Opuntia spinulifera ha sido una especie afectada por la sinonimia (anteriormente

discutida); se trata de una isoforma de la Opuntia oligocantha y precisamente por ello
permanecieron confundidas entre ellas durante 140 años. Scheinvar (1986) cita a
Föster, “Opuntia spinulifera SD es un sinónimo de Opuntia oligacantha (descrito en
1846), sin embargo, más tarde en su libro (2ª ed.) publicado, editado y ampliado por
Rümpler ( Föster y Rümpler, 1886), se aclara que la semejanza solo se da en la primera
edad y que se diferencian perfectamente a medida que maduran. El propio Salm-Dyck
(1850), Labouret (1853) y Schumann (1898) describieron cada una de las especies
considerándolas distintas. Sin embargo, posteriormente en todas las obras cactológicas,
se incluyó ambas como sinónimos, en diferentes series: Piliferae (Backeberg, 1958),
incluso Bravo (1978) describe la Opuntia spinulifera en la serie Streptacanthae
(considerándola sinónimo de Opuntia oligocantha)....” En esta misma cita, la autora
(Scheinvar, 1986) dice haber sido la única en haber determinado estas dos especies
silvestres en el valle de México y en la Altiplanicie Mexicana.
Es así como luego de 140 años (1846-1986) se aclara que Opuntia spinulifera Salm-
Dyck es una especie simpátrica de Opuntia oligocantha Förster (ambas de la serie
Leucothichae Britton et Rose, 1919), las cuales no se diferencian fácilmente en el estado
juvenil.

24
Bravo (1978) cita que la Opuntia spinulifera estuvo mucho tiempo silvestre sin
conocerse, a pesar de ser muy común en el valle de México, pues fue confundida con
Opuntia Huajuapensis-Bravo, además que Briton y Rose agregaron a la sinonimia de
esta especie a Opuntia candelabriformis Martius.

I.3.3. Descripción de la especie Opuntia spinulifera y distribución geográfica

Opuntia spinulifera contribuye al registro mundial de los 181 nopales clasificados, y de

los 114 con endemismo en México (Bravo, 1978; Labra et al., 2003), se trata de una
especie poco estudiada. Es un nopal que crece en forma arbustiva, densamente espinudo
que produce tuna ácida o xoconostle, con gruesas paredes de hasta ¾ partes del ancho
total (Scheinvar, 1986).

La Figura 4 es una fotografía de esta especie en su hábitat natural (Valle de Apan,

Hidalgo, México). Opuntia spinulifera Pfeiffer junto con otras ocho especies ha sido
señalada como productora de xoconostle en México (Scheinvar et al., 2001).

Figura 4. Opuntia spinulifera en el Valle de Apan Hidalgo (México).

La distribución de Opuntia spinulifera en México de acuerdo con Bravo (1978) se

ubica en la región norte del Valle de México, Valle de Apan, y Valle del Mezquital de
los estados de México, Hidalgo y Tlaxcala respectivamente.

25
En el estado de Hidalgo, crece entre los 2265 y 2295 m, coexistiendo con Opuntia
robusta, Opuntia streptacantha, Cilindropuntia imbricata, Zaluzaina augusta (vara
ceniza o cenicilla) y Mimosa biuncifera. En estas áreas el extracto herbáceo está
compuesto de Graminae (Rzedowski, 1978). También se tiene el dato de que a media
altura de los cerros de Ostol (2,460 m snm de altitud) y de Tepepan (2,320 m snm)
ubicados en el municipio de Tlaxcala existe vegetación abundante secundaria de tipo
matorral, en la que también se localiza Opuntia spinulifera (www.tlaxcala.gob.mx).

La Opuntia spinulifera presenta la característica distintiva de resistir a las heladas.

Guevara et al. (2000, 2002), encuentran que de tres especies forrajeras de Opuntia
estudiadas para este daño a temperaturas de -16 y -17 oC, la Opuntia spinulifera Salm-
Dyck es la que más resistió, con un daño significativo de solo 5 % determinado sobre la
producción de biomasa y contenido de proteína cruda en cladodios jóvenes.

El gobierno municipal de Apan Hidalgo (hábitat natural de esta especie) presenta

información de temperaturas de 14 oC como media anual (10 oC y 17 oC) y con lluvias
de temporada en los meses de junio y agosto, condiciones (temperatura e irrigación)
importantes para la composición en metabolitos de la Opuntia spinulifera endémica del
municipio.

Las características fenotípicas citadas por Scheinvar (1986) y otros autores para Opuntia
spinulifera son citadas en la Tabla 6. Opuntia spinulifera es una especie “redescubierta”
de la que no se puede precisar mucho debido a la confusión con Opuntia oligacantha.

26
 Tabla 6. Características fenotípicas de Opuntia spinulifera
Rasgo Descripción
Pilosidad en el tronco Con manchones de pelos cerdosos.
Pilosidad en cladodios Cladodios jóvenes totalmente cubiertos por largos pelos.
jóvenes
Hoja basal en cladodios Hasta 6mm de largo  0.3 mm de ancho en la base, de color rosa
jóvenes rojizo con la base verdosa.
Color, forma y tamaño de Verde grisáceo. *Verdes un poco galucos, orbicular a oblongo,
los cladodios adultos algunas veces obovate, 20-30 cm de longitud. a Robustos,
obovados hasta casi orbiculados, frecuentemente con el ápice
retuso pero no en forma simétrica, base atenuada, como de 20 a 25
cm de largo por 15 a 20 cm de ancho, a veces mayores, hasta del
doble de estas dimensiones, verde pálido algo glauco.
Tricomas Cónicos, sin lúmen,  4 veces más largos que anchos.
Haces vasculares Pentágonos irregulares de  1.8 cm de largo y  1.5 cm de ancho.
Areolas Distantes  1.5 cm entre sí. a Cercanas, la distancia entre sí de 8 a
18 mm, transversalmente elípticas, de 2 a 3 mm de largo, a veces
mayores, hundidas, provistas de escaso y corto fieltro.
Yema floral Abcónica totalmente recubierta de cerdas conniventes blancas.
Flor De  6.5 cm de largo de color amarillo verdoso brillante. *
Amarilla. a De 5 cm de longitud.
Areolas del pericarpelo Distantes 5 a 6 mm entre sí; glóquidas blancas, pelos setosos
numerosos, crespos, hasta 2 cm de largo; espinas setosas 4.5 una
ascendente de 7-8 mm de largo y las otras divergentes hasta 1.2 cm
de largo.
Segmentos exteriores De 8 a 1.2 mm de largo y de 1.6 a 4.1 mm de ancho en la base; de
color verdoso amarillo con banda mediana castaña.
Segmentos interiores Espátulados, borde aserrado hacia el ápice,  4 cm de largo y  2.2
cm de ancho.
Estambres De  1.7 cm de largo; anteras de  2 mm de largo.
Ovario Oboide.
Estilo De  2 mm de largo y  9 mm de ancho; de color verdoso amarillo
claro
Lóbulos del estigma 11 a 16; de color amarillo. * verdes.
Fruto Xoconostle subgloboso; cicatriz umbilical profunda; de  2.8 cm de
largo y  3 cm de ancho; de color verde grisáceo. *Verde a
amarillento-rojo, comestible, globoso corto, 4-6 cm de longitud
a
Fruto cortante cilíndrico-globoso a ovoide, de 4 a 5 cm de largo,
de color amarillento.
Semilla De  4 mm de largo y  3 mm de diámetro, arilo  0.5 mm de
ancho. a Discoideas, de 2.5 cm a 3 mm de diámetro.
Espinas *1-3 color hueso. a Espinas a veces ausentes en todas las aréolas de
la mitad superior del artículo; cuando presentes, generalmente 1 a 3
pero a veces más, hasta 9, delgadas, subsetáceas, subrígidas,
aplanadas en la base, de longitud desigual, de 5 a 13 mm de largo,
de color blanco a blanco amarillento, generalmente adpresas.
Tamaño de la planta *Como árbol. a Planta erecta, baja, como hasta 13 dm de altura,
muy ramificada desde la base.
*Labra et al. (2003); a Bravo (1978)

27
Por todo lo fundamentado surge una interrogante,

¿Existirá una Opuntia mexicana que brinde abundante hidrocoloide y que al ser extraído
con una metodología sencilla, pero eficaz mantenga propiedades funcionales de interés
para la industria?

Para contestar esta interrogante, se planteó la siguiente

hipótesis de trabajo.

Una Opuntia mexicana determinada, sirve como fuente abundante de obtención de

un hidrocoloide con propiedades funcionales para la industria de los aditivos de
alimentos,

Para la planificación y organización del trabajo experimental se consideraron los

siguientes objetivos:
A) Desarrollar un método extractivo sencillo y eficaz del hidrocoloide de Opuntia.
B) Seleccionar la Opuntia. Para establecer los factores biológicos en la materia
prima que afectan la concentración y el rendimiento de extracción del
hidrocoloide en cladodio de Opuntia sp. Mexicana.
C) Caracterizar física y químicamente el hidrocoloide respecto a algunos
parámetros pertinentes en la industria de las gomas en alimentos.

28
 II. MATERIALES Y MÉTODOS

El trabajo experimental fue dividido en tres etapas, las cuales se presentan en la Figura
5 y se describen a continuación.

Etapa II

A.Q.P
Etapa I
.

Composición

A.Q.P A.Q.P Caracterización

. . Química Carbohidratos

Parénquima Acida
Cladodio
medular Hidrocoloide
Reología

Caracterización Etapa III

Física
TS y aa

aaw
Figura 5. Estrategia experimental general para el desarrollo del trabajo. Se muestra la
Etapa que corresponde al análisis químico proximal de la Opuntia seleccionada, así
como de la fracción del vegetal que se utilizó para la extracción del hidrocoloide.
También aparecen las Etapas II y III que corresponden a las caracterizaciones química y
física del hidrocoloide respectivamente.

Etapa I
Método de extracción del hidrocoloide, selección de la Opuntia y análisis químico
proximal (AQP) del cladodio y la fracción útil.

Se estableció un protocolo para la extracción del hidrocoloide de diversas Opuntias, el

cual se desarrolló en base a los criterios reportados en la literatura científica y a las
observaciones de los experimentos previos; sin embargo, para mejorar la eficiencia de
extracción de hidrocoloide se investigó sobre las características de la materia prima
“ideal”, como son fracción útil del vegetal, la edad, contenido de agua en la planta y la

29
especie de nopal, hasta que se logró un protocolo que garantizó el abastecimiento de
hidrocoloide para la investigación; todo esto, así como los AQP del cladodio y de su
fracción útil (parénquima) quedaron concluidos en la primera etapa de trabajo.

Etapa II
Caracterización química del hidrocoloide de Opuntia spinulifera.

El hidrocoloide pulverizado luego de su precipitación y secado, fue caracterizado

químicamente, realizándose para ello el AQP y de carbohidratos (azúcares reductores
directos y ácidos urónicos), así como del carácter ácido (grado de acidez, curva de
titulación de pH, pKa y resistencia a hidrólisis ácida).

Etapa III
Caracterización física del hidrocoloide de Opuntia spinulifera.

La harina del hidrocoloide de la Opuntia seleccionada fue también caracterizada

físicamente en cuanto a su reología (comportamiento al flujo, referido en términos de su
recíproco “la viscosidad” en función de concentración, temperatura, pH y fuerza iónica).
También se realizaron comparaciones en propiedades importantes como viscosidad y
pseudoplasticidad del hidrocoloide frente a otras gomas de uso alimentario. La
evaluación de la tensión superficial y actividad acuosa fue realizada también, para
complementar los fundamentos respecto a las funciones tecnológicas como la de ser un
aditivo alimentario.

30
II.1. Reactivos

Los reactivos para las técnicas desarrolladas (ácidos, bases, solventes, sales y azúcares)
fueron grado analítico de las marcas Merck, Sigma y Baker. El etanol como agente
precipitante fue grado industrial de Distribuidora Hidalgo. Las gomas pectina cítrica y
xantana fueron grado práctico de Sigma.

II.2. Desarrollo de metodologías para la extracción de hidrocoloide en Opuntia sp.

El nopal verdura de Opuntia ficus indica variedad Milpa Alta que se abastece para los
centros comerciales en el D. F. fue adquirida, de 15 a 22 cm de largo. Este producto fue
cultivado y cosechado en los meses de febrero y marzo de 2004 con una edad de 8 a 10
semanas, fue limpiado del polvo con brocha, desespinado (desguatado) manualmente y
lavado con agua destilada se utilizó en la extracción del hidrocoloide, empleando
diversos métodos. Se probaron siete protocolos diferentes desarrollados en el
laboratorio con base en la información reportada en la literatura, denominados
secuencialmente de A a G, los cuales quedaron establecidos como aparece en la Figura
6, empleando en todos los casos 100 g de vegetal.

a) Tratamiento A.

El nopal verdura, se homogeneizó con agua en una relación 1:1.5 (p/v) para
posteriormente filtrar y lavar con agua; posteriormente se centrifugó a 10,000 rpm por
10 min y se separó el sobrenadante, el cual fue precipitado con acetona en una relación
1:3 (v/v), el material se secó con corriente de aire a temperatura ambiente.

b) Tratamiento B.

El tratamiento B es similar a A, solo se modificó el agente precipitante empleando

etanol a la misma relación optimizada de volumen 1:3 (jugo parenquimatoso:agente
precipitante).

c) Tratamiento C.

31
Al homogenado de nopal verdura A, se le adicionó NaCl a una concentración de 1 %
(p/v); se agitó durante 12 h y el material se filtró y lavó con agua. El filtrado recuperado
se centrifugó a 10,000 rpm por 10 min y precipitó con etanol, de igual manera como
transcurrió en B.

Figura 6. Protocolo general para la extracción de hidrocoloide de diversas Opuntias.

d) Tratamiento D.

El tratamiento es similar a C, excepto que la concentración de NaCl se incrementó a 5%

(p/v).

e) Tratamiento E.

Este tratamiento es similar a C, excepto que el NaCl se sustituyó por EDTA al 0.2%
(p/v).

32
 f) Tratamiento F.

El homogenado vegetal A fue tratado con ácido acético (0.1 M), dejándose en agitación
a temperatura ambiente por 12 h. Al término, el líquido filtrado fue lavado con agua
destilada y centrifugado a 10,000 rpm por 10 min. Se precipitó el mucílago con etanol
igual a B.

g) Tratamiento G.

El homogenado vegetal A se calentó a ebullición durante 5 minutos, el material se

filtró, lavó y centrífugo a 10,000 rpm por 10 min. El sobrenadante se precipitó con
etanol.

II.3. Selección de la materia prima como fuente de hidrocoloide en Opuntia sp.

En virtud que el hidrocoloide se produce y almacena en el parénquima medular, esta

fracción se separó mecánicamente del nopal para utilizarla como materia prima. Se usó
el protocolo descrito como el de mayor porcentaje de extracción (G).

Las variables consideradas para seleccionar la fuente de nopal con mayor contenido de
hidrocoloide fueron, edad del cladodio, irrigación del vegetal y especie de nopal.

II.3.1. Edad del cladodio y transpiración

Para evaluar el efecto de la edad del cladodio o tejido vegetal, se colectaron cladodios
adyacentes (encimados) de una misma rama de la planta, con edad aproximada de tres
años.

II.3.2. Irrigación del suelo durante el desarrollo del cultivo de nopal

Para evaluar el impacto de la irrigación de una planta en el porcentaje de extracción del

hidrocoloide de nopal, se colectaron cladodios de la misma edad, misma especie

33
(Opuntia ficus indica), pero con diferente grado de riego al suelo. Una vez realizada la
limpieza se procesaron para la extracción del hidrocoloide.

II.3.3. Especie de Opuntia

Para la determinación de una especie de nopal abundante en hidrocoloide, se realizaron

diferentes muestreos en zonas semiáridas de tres estados de la República Mexicana,
Guanajuato (Cortazar), de México (Huehuetoca) e Hidalgo (Apan).

II.4. Acondicionamiento de materia prima para la obtención de hidrocoloide en Opuntia

sp.

Se recolectaron cladodios de Opuntia spinulifera de 3 años de edad en el valle de Apan,

Hgo. (México). Esta colección se realizó durante la primavera del 2004 (mes de abril).
Este material fue limpiado de polvo, desespinado y lavado con agua, previo a la
extracción del hidrocoloide. Tanto la extracción, como las cuantificaciones de contenido
de agua en cladodio y parénquima medular se realizaron el mismo día de la colecta.

Las dimensiones de los cladodios estuvieron comprendidas entre 31.79  5.75cm x 25 

3.60cm x 2.46  0.49cm (l x a x g). Otras características fueron densidad, 0.964  0.41
g/mL; peso, 1.38  0.65 Kg; grosor de parénquima medular de 1.29 0.30 cm; y
contenido de parénquima medular, 28.45  2.87 % (en peso fresco).

Los cladodios tiernos (nopalitos) de Opuntia ficus indica (L.) Miller var Milpa Alta
fueron adquiridos de los centros comerciales (D. F., México). Este material vegetal fue
tratado en las mismas condiciones que Opuntia spinulifera, para las determinaciones del
contenido de agua y extracción del hidrocoloide.
II.5. Extracción del hidrocoloide en Opuntia spinulifera y Opuntia ficus indica

Los cladodios limpios tanto de Opuntia spinulifera como Opuntia ficus indica fueron
pesados y cortados longitudinalmente. De las dos caras internas, se retiró
mecánicamente el parénquima medular (materia prima), para posteriormente luego ser

34
cuantificado. El protocolo de extracción presentado en la Figura 7, fue conveniente
realizarlo en lotes de 250 g de tejido vegetal.

Figura 7. Protocolo establecido para la extracción de hidrocoloide en Opuntias

La materia prima obtenida, fue homogenizada en agua destilada en una relación 1:1.5
(p/p), empleando un homogeneizador de la marca Osterizer (México) realizando cinco
pulsaciones de 10 seg con descanso de 10 seg. A continuación se puso a hervir durante
5 min el homogenado en un vaso de precipitados de 1 L, empleando una parrilla
eléctrica en el nivel medio de calentamiento y realizando agitaciones ocasionales con
una espátula tocando fondo. El material aun caliente se transfirió a un tamiz casero solo
para llevar a cabo lavados exhaustivos con agua destilada, hasta la apreciación de nula
viscosidad en el residuo. El filtrado y todos los líquidos de lavados se mezclaron y se
centrifugaron en una centrífuga Hettich (Alemana) a 10, 000 rpm (11,403.6 g) durante
10 min, el sobrenadante fue precipitado con etanol absoluto en una relación de 1:3 (v/v)
en vaso de precipitados de 4 L, para esto fue útil agitar de manera envolvente, luego se

35
retiró el producto del fondo del vaso para secarse durante 24 h en corriente de aire. El
hidrocoloide obtenido fue pesado para la determinación del porcentaje de extracción. El
material se pulverizó hasta un tamaño de partícula entre 250-125 m (con una humedad
del 8.75 %) en un tamiz de acero inoxidable Nework.

II.6. Caracterización química del cladodio, parénquima e hidrocoloide de Opuntia

spinulifera y nopal verdura de Opuntia ficus indica

II.6.1. Análisis químico proximal

El análisis proximal se realizó en cladodio de primavera, parénquima medular e

hidrocoloide de Opuntia spinulifera y nopal verdura de Opuntia ficus indica. Las
determinaciones para este análisis de contenidos fueron: a) agua (14.003.1984 de la
AOAC), b) cenizas (14.006.1984 de la AOAC), c) extracto etéreo en materia secada a 50
o
C (7.062.1984 de la AOAC), d) nitrógeno total orgánico por microKjeldahl
(42.014.1970 de la AOAC) y reportar la conversión a proteína cruda con el factor general
de vegetales de 5.7, e) proteína en el hidrocoloide de Opuntia spinulifera según el método
específico Bradford (1976), f) fibra dietaria (Prosky, 1988) tanto soluble como insoluble
para cladodio de Opuntia spinulifera, g) fibra cruda (Van de Kamer, 1952), h)
carbohidratos totales por el método de fenol-sulfúrico (Dubois et al., 1956), i)
carbohidratos totales por el método de antrona (Deywood, 1946), j) azúcares reductores
directos mediante el método del ácido 3,5-dinitrosalisílico (DNS) (Miller, 1959).

Todas las determinaciones se realizaron por triplicado.

II.6.2. Contenido de ácidos urónicos

La determinación de ácidos urónicos en el hidrocoloide de Opuntia spinulifera se

realizó en la harina tamizada, de acuerdo al método de Kintner y Van Buren (1982) que
utiliza el reactivo 3-fenilfenol. El método es colorimétrico, considera una hidrólisis
química completa con ácido sulfúrico de la muestra para presentar solo monosacáridos
y tener reactividad el m-hidroxifenilo. El color es determinado a 520 nm. La

36
absorbancia es referida a mg de ácido urónico presente al ser interpolada en una curva
patrón de ácido galacturónico.

II.6.3. Caracterización química ácida del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

II.6.3.1. Acidez titulable

La acidez titulable se cuantificó en 20 mL de dispersión del hidrocoloide al 1.0 %

(w/w), preparada horas antes de su uso, con un pH original de 5.39 a 25 oC, y según la
técnica 33.009 de la AOAC (1984). El potenciómetro utilizado fue de la marca
pioneer10 con electrodo para sustancias viscosas. La sustancia valorante fue NaOH.

II.6.3.2. Determinación del pKa y curva de valoración de pH del hidrocoloide

La valoración del pKa para el hidrocoloide se realizó en dispersiones al 1.0 % (w/w)

preparadas horas antes, se emplearon NaOH y HCl para conseguir la titulación
completa. El monitoreo de pH se tuvo a 25 oC con el potenciómetro.

II.6.3.3. Resistencia a hidrólisis ácida del hidrocoloide

Se obtuvo una cinética de hidrólisis ácida química del hidrocoloide, para establecer el
tiempo requerido para una hidrólisis total, el cual resulta útil para la identificación y
cuantificación de azúcares por cromatografía líquida de alta resolución o bien de gases.
Dicha cinética se monitorea por la determinación de ARD. La hidrólisis ácida química,
se realizó en un tubo de vidrio de la marca pirex de 16 x 100 con tapa de rosca, para lo
cual se pesaron 30 mg de harina de hidrocoloide y se les adicionó 4.0 mL de ácido
trifluoroacético 0.5 M, posteriormente se colocó el tubo en una placa de calentamiento
tipo termoblock a 100 oC, durante el tiempo especificado (Lawrence, 1985).

La extracción de los productos de hidrólisis se realizó por adición de 3 veces 1 mL de

amberlita LA-2 preparada en éter dietílico anhidro en una concentración de 20.0 g/L. A
continuación se reextrajo por adición de 4 veces 1 ml de éter dietílico. La fase acuosa

37
fue llevada a sequedad a temperatura de 50-60 oC, para resuspenderse en agua
desionizada hervida.

El monitoreo del % de hidrólisis química del hidrocoloide, se realizó por ensayo de

ARD con la técnica de Miller et al. (1959) en los productos de reacción química
después de filtrar en acrodiscos de 0.45 m.

II.7. Caracterización física del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

II.7.1. Caracterización reológica

La harina de hidrocoloide extraído de cladodios de Opuntia spinulifera de la colecta de enero del 2005, con un contenido de
humedad del 11.53 ± 0.5020 % fue tamizada a un tamaño de partícula <125 µm, y a partir de este polvo se prepararon las
dispersiones en agua desionizada y hervida un día anterior al análisis.

En determinar el efecto de temperatura se empleó agua como fase dispersante y una

concentración de 3.0 % (w/w) de hidrocoloide; para el de pH los reguladores de fosfatos
de sodio a pH de 4.0, 7.0 y 10.0 fueron la fase discontinúa en 0.5, 1.5 y 3.0 % (w/w) de
concentración de hidrocoloide; y en el caso de efecto de iones se emplearon las
disoluciones salinas de cloruro y carbonato de los iones de interés a una I de 0.05 para
dispersar el hidrocoloide a la concentración de 1.5 %. Para el estudio reológico de
comportamiento al flujo de cizalla, se empleo un reómetro marca Paar Physica modelo
LS100 de bajo esfuerzo con una geometría de cilindros concéntricos, donde la
temperatura es controlada por un baño de recirculación marca Julabo F10 Brasileña y de
número serial 9417004 .

II.7.1.1. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la

concentración

Se realizaron curvas de flujo para dispersiones de 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 y 3.0 % de
hidrocoloide de Opuntia spinulifera. Se realizaron también ajustes de los datos
experimentales para cada dispersión a varios modelos matemáticos descriptivos, Cross,
Bird Carreau, Sisko, Ley de la Potencia, Bingham y Herschel Bulkley, encontrando que

38
Cross y Bird Carreau. Son los que mejor se aproximan en todas las concentraciones
ensayadas del hidrocoloide.

II.7.1.1.1. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

respecto al de gomas de empleo en alimentos y al hidrocoloide de Opuntia ficus indica

Se prepararon dispersiones de las gomas de xantana y pectina cítrica ambas en grado

práctico y de la marca sigma a las concentraciones de 1.0 y 3.0 % en peso
respectivamente. Estas dispersiones, así como la obtenida al 5.0 % para hidrocoloide de
Opuntia ficus indica extraído de la misma manera que el de Opuntia spinulifera fueron
ensayadas en su comportamiento de la viscosidad a 25 oC para ser comparadas frente a
la respectiva del hidrocoloide de cladodio de spinulifera. De igual manera se ensayó
para dispersiones del 3.0 y 5.0 % del hidrocoloide de Opuntia ficus indica obtenido con
el mismo protocolo que Opuntia spinulifera.

II.7.1.2. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función del pH

Para el caso de las determinaciones del comportamiento al flujo de dispersiones de

hidrocoloide a diferentes pH, se prepararon buffers de fosfatos de sodio a pH de 4.0, 7.0
y 10.0, los cuales se utilizaron como fase dispersante (1.0 %). Las determinaciones se
realizaron a 25 oC.

II.7.1.3. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la temperatura

Se realizaron curvas de flujo para dispersiones al 1.0 % (w/w) de hidrocoloide de

Opuntia spinulifera a diferentes temperaturas, 15, 25, 37, 40, y 55 oC y pH nativo de
5.39.

II.7.1.4. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la fuerza

iónica

Para el comportamiento al flujo de las dispersiones del hidrocoloide en función de la

fuerza iónica de diferentes iones, fueron preparadas teniendo como medio dispersante

39
las soluciones de las sales de NaCl, KCl, CaCl2, CuCl2, FeCl2 y Na2(CO3), todas ellas a
un valor de fuerza iónica de 0.05 y sin ajuste de pH. Las mediciones se efectuaron a 25
o
C.

II.7.2. Tensión superficial y actividad acuosa del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

II.7.2.1.Tensión superficial

Las dispersiones de hidrocoloide a concentraciones de 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 y 3.0 % (p/v)
fueron preparadas a su pH original. La determinación se realizó con el equipo novasina
(surface tensiometer 2141) a la temperatura de 25 o C.

II.7.2.2. Actividad de agua

Las dispersiones de hidrocoloide a concentraciones de 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 y 3.0 % (p/v)
fueron preparadas a su pH original. Esta determinación se realizó con el uso de novasina
(surface tensiometer 2141) a la temperatura de 25 oC.

40
 III. RESULTADOS

III.1. Etapa I: Método de extracción del hidrocoloide, selección de la Opuntia y análisis

químico proximal (AQP) del cladodio y fracción útil.

III.1.1. Desarrollo de metodologías para la extracción del hidrocoloide en Opuntia ficus

indica

En este capítulo se presentan los resultados experimentales obtenidos de acuerdo al

procedimiento experimental implementado para el desarrollo de la investigación.
La metodología desarrollada para la extracción del hidrocoloide de nopal atendió a
diferentes criterios para lograr su mayor eficacia, además de ajustarse a condiciones de
laboratorio básicas. Las características relativas a precisión de la fuente de obtención del
hidrocoloide empleada, así como sus características fisiológicas y condiciones de
cultivo fueron seleccionadas. Los resultados de la extracción del hidrocoloide para estos
tratamientos utilizando nopal verdura de Opuntia ficus indica de la Región de Milpa
Alta son mostrados en la Tabla 8.

Tabla 8. Porcentaje de extracción del hidrocoloide en nopal verdura Opuntia ficus

indica
Tratamiento % de Extracción de hidrocoloide (BFN)

A 0,21
B 0,16
C 0,23
D 0,33
E 0,24
F 0,39
G 0,89

El tratamiento A, es similar al realizado por Medina-Torres et al. (2000), con la misma

especie de Opuntia, y la única diferencia en el agente precipitante (isopropanol por
acetona). En el protocolo A se obtuvo un valor de 0.21 % (BFN) de hidrocoloide
extraído. En tanto que el tratamiento B similar a A, excepto en el cambio del agente
precipitante (etanol por acetona) el rendimiento logrado fue de 0.16 %.

41
Los tratamientos C y D, solo lograron valores de extracción del 0.23 % y 0.33 %
respectivamente, para las concentraciones ensayadas de 1.0 y 5.0 % de la sal.

El tratamiento E, que implicó la adición del EDTA a la concentración de 0.2 %, registró

un valor de 0.24 % de rendimiento, no produciendo una extracción deseable.

El tratamiento F rindió un valor de 0.39 %, cuando se empleó Opuntia ficus indica.

Por último, el tratamiento G con una etapa de extracción con calor, logró el porcentaje
de extracción más alto de todos los tratamientos, con un valor de 0.89 %. Cuando la
extracción con calor se incrementó por 2 min, el material vegetal presentó
caramelización de los azúcares constituyentes; mientras que al retirar el calor 2 min
antes, esto resulta una condición insuficiente para lograr una extracción óptima del
hidrocoloide (siendo además el mismo valor del porcentaje de extracción que el
determinado para B, es decir 0.18).

Por tanto, se estableció la metodología descrita en el tratamiento G para la extracción

del hidrocoloide de cladodio de Opuntia sp. como la más eficiente y útil para el trabajo
futuro a consecuencia de haber registrado el mayor porcentaje de extracción en Opuntia
ficus indica frente a los diferentes tratamientos.

III.1.1.2. Extracción con calor del hidrocoloide de Opuntia sp.

El tejido de parénquima medular fue utilizado en el desarrollo del tratamiento extractivo

(G), luego de retirar de manera mecánica los contaminantes (clorénquima que lo rodea),
se localiza en la zona central o corazón del cladodio de Opuntia spinulifera ver Figura
8, con una contribución de aproximadamente el 25 % del peso del ejemplar fresco y su
característica peculiar es un aspecto altamente viscoso e hidratado.

42
 Figura 8. Parénquima medular del cladodio de Opuntia spinulifera.

Durante la etapa de precipitación del hidrocoloide la cual se aprecia en la Figura 9 se

generan multitud de hebras o hilos que se enredan.

Figura 9. Hidrocoloide de Opuntia spinulifera durante la precipitación con etanol y

presentación de harina.

III.1.1.3. Selección de la materia prima en Opuntias como fuente de hidrocoloide

Con base a las variables documentadas: edad del cladodio y traspiración, irrigación de
la planta y la especie de Opuntia, que se sospecha tienen implicaciones en la producción

43
del hidrocoloide en el cladodio se determinaron los rendimientos de extracción del
mismo.

La Tabla 9 muestra los resultados de extracción de hidrocoloide para cladodios de 2 y 3

años con valores de 0.71 y 0.92 % BFP respectivamente, así como en el estadío de
verdura (2 meses) con 0.35 %.
Cuando se aplicó el método extractivo en cladodios de edades mayores, el producto
presentaba otras características físicas durante la precipitación, básicamente un aspecto
granulado y no el patrón definido de hebras, además de un color amarillento y nula
viscosidad.

Tabla 9. Extracción del hidrocoloide en tres edades de cladodio de Opuntia ficus indica
Edad del cladodio Extracción (%)1
2 meses 0.35
2 años 0.71
3 años 0.92
1
BFP (Base Fresca de Parénquima)

a) Irrigación durante el desarrollo del cultivo de nopal: se ensayó el método de

extracción para cladodios de cultivo de nopal (Opuntia sp.) con escaso riego
durante su desarrollo y el control (provenientes de cultivo intensivo con saciedad
de riego).

Los resultados determinados para la misma especie y cladodios con la misma

edad e incluso en mismo suelo la plantación, fueron un porcentaje mayor de
extracción de hidrocoloide para el correspondiente a un cultivo con desarrollo en
condiciones de escasez de agua (sin riego artificial y escasas lluvias) (I),
logrando un valor de 1.30 %, mientras que el correspondiente a un desarrollo en
saciedad de agua (mediante irrigación artificial (II) por goteo), fue de 0.34 %,
apreciándose una diferencia de 2.8 veces que favorece la extracción para las
condiciones de escasez de agua (lluvia).

44
 Posterior a este resultado, fue decisivo realizar el muestreo de Opuntias, en
zonas semiáridas donde se presenta baja tasa de transpiración para la cactácea,
así como escasez en la irrigación esperando con ello mejorar el grado de
extracción del hidrocoloide respecto a su contenido total.

b) La especie de Opuntia: Los cladodios de diferentes especies de Opuntias para la

extracción del hidrocoloide fueron colectados en un período de enero-abril
(antes de la temporada de lluvias) en tres zonas semiáridas del país (estados de
Guanajuato, México e Hidalgo) y presentaron amplia variabilidad en los
porcentajes de extracción (1.905  1.396). Los resultados son mostrados en la
Tabla 10, en ella se destacan registros de solo dos especies por cada sitio de
muestreo.

Una nueva especie no documentada, la Opuntia spinulifera (IV), mostró 4.7

veces más hidrocoloide que la especie III con menor porcentaje de hidrocoloide
de este grupo y un 62.6 % más que la inmediata inferior (I), valor que la colocó
como la materia prima para el abastecimiento del hidrocoloide, sumando los
factores que estimulan el incremento de la producción del mismo como ya se
determinó (edad-transpiración del cladodio y condiciones de desarrollo del
cultivo-irrigación).

El promedio de la diversidad de especies de Opuntias y sus variedades

ensayadas que no se incluyeron en la presente tesis, tuvieron un porcentaje de
extracción muy bajo (0.005-0.01 %), además de no haberse realizado la
identificación taxonómica de las mismas.

45
 Tabla 10. Extracción del hidrocoloide en cladodios de Opuntias colectadas en zonas
semiáridas de México
Especie % de Extracción Lugar de
Opuntia
(BFP) origen
I 2.46 Nopal blanco Cortazar,
(denominado así por los
Gto.
locatarios)

II 1.94 NI, con gran contenido Cortazar,

de espinas y color verde
Gto.
brillante

III 0.77 NI, con crecimiento de Apan,

4-6 m y de distribución
Hgo.
abundante en la zona

IV 4.4 Apan,
Opuntia spinulifera*
Hgo.
V 1.04 NI, con desarrollo de la Tula, Hgo.
planta de forma rastrera

VI 0.82 NI, con desarrollo de la Tula, Hgo.

planta tipo arbustivo
(1.5-1.8 m de altura)

NI, No identificada
* Identificación en el Jardín Botánico de la UNAM
En todos los casos (I-VI), la referencia para homologar la edad adulta de los cladodios
fue tres fisuras en su base, que representan los ciclos o etapas de desarrollo para un
tejido parenquimatoso diferenciado.

III.1.2. Análisis químico proximal de cladodio de Opuntia spinulifera

La Opuntia spinulifera caracterizada en este trabajo fue colectada en un clima seco,

antes del período de lluvias (abril 2004), antes de la floración en el Valle Central de
México. Los resultados para la determinación de humedad en el cladodio y otras
determinaciones se muestran en la Tabla 11.

46
 Tabla 11. Análisis químico proximal de cladodio de Opuntia spinulifera
Determinación Composición (%)
Agua 90.5 0.06
% Base seca

Cenizas 17.62 0.49

Extracto etéreo (grasas) 1.5 0.14
Proteína cruda 12.77
(Nitrógeno total) (2.24 0.11)
Fibra dietaria insoluble 25 0.71
Fibra dietaria soluble 3.5 0.21
Carbohidratos totales1 44.6 0.71
Carbohidratos totales2 23.23 0.91
Azúcares reductores directos 14.09 0.06

1
Dubois et al., 1956; 2 Dreywood (1946)

El contenido de agua en el cladodio de Opuntia spinulifera fue de 90.5 %. En tanto que

el contenido de cenizas o residuo inorgánico obtenido en cladodio de Opuntia
spinulifera fue de 17.62 %.
En Opuntia spinulifera, se realizó la extracción de grasas mediante reflujo constante
empleando un disolvente de baja polaridad (éter de petróleo), determinando un valor de
0.14 % BFN o bien, 1.5 % BS.

El contenido de nitrógeno total por el método Kjeldahl en Opuntia spinulifera fue de

2.24 % BS, lo que representa un valor de 12.67 % de proteína cruda.

El cladodio utilizado de la Opuntia spinulifera presenta un valor en BS de 3.5 % de la

FD soluble (FDS) y 25 % de la insoluble (FDI).

La determinación de carbohidratos totales por el método de fenol-sulfúrico, en el nopal

completo de la Opuntia spinulifera, implicó que los resultados estuvieran
sobreestimados al compararse con la diferencia de la suma de los otros componentes al
100 %. Por lo que se ha tomado el criterio de reportarlos (tabla 11) como la diferencia
de composición al 100 % (como comúnmente se citan).

47
Por último, la fracción de azúcares solubles o azúcares reductores directos (ARD) se
determinó en la Opuntia spinulifera con un valor de 14.09 %, que si lo referimos a base
fresca tiene un valor de 1.34 %.

III.1.3. Análisis químico proximal de parénquima medular de cladodio de Opuntia

spinulifera

El AQP del parénquima de cladodio de Opuntia spinulifera se presentan por primera

vez, y aparecen en la Tabla 12.

El contenido de agua para la fracción parenquimal (ver Figura 5) de la Opuntia

spinulifera, (para la presente tesis, proveniente de cladodios de tres años de edad) fue de
91.5 %.

Tabla 12. Composición química proximal del parénquima medular del cladodio de
Opuntia spinulifera
Determinación Composición (%)

Agua 91.5  0.05%

% Base seca
Cenizas 15.04 0.33
Extracto etéreo (grasas) 0.98 0.09
Proteína cruda 8.66
(Nitrógeno total) (1.51 0.04)
Fibra dietaria soluble ND1
Fibra dietaria insoluble ND1
Carbohidratos totales2 50.72 0.83
Carbohidratos totales3 34.43  4.39
Azúcares reductores directos 10.60 0.14
1
ND, no determinado; 2 Dubois et al., 1956; 3 Dreywood (1946)

La determinación de cenizas en el parénquima medular de Opuntia spinulifera alcanzó

un valor de 15.04 %. Por otra parte, el extracto etéreo (0.98 %) y el contenido de

48
nitrógeno (1.51 %) y proteína cruda de 8.66 % del parénquima son ligeramente
menores en relación a los respectivamente cuantificados en el cladodio.
La FD no pudo cuantificarse en esta fracción parenquimatosa mediante las técnicas
desarrolladas por Prosky (1988) y aplicadas en el cladodio completo de Opuntia
spinulifera. Dichas técnicas están limitadas, en el caso particular por el desarrollo de
altas viscosidades propias del tejido parenquimatoso, las cuales influyeron en la
filtración al vacío posterior a los tratamientos enzimáticos secuenciales.

Nuevamente se presentó la misma variabilidad (que con el cladodio) en el análisis del

parénquima medular para la determinación de los carbohidratos totales utilizando los
métodos convencionales fenol-sulfúrico de Dubois et al. y antrona de Dreywood. Por
último el 10.60 % de contenido de ARD determinado fue similar al encontrado en el
cladodio completo (14.09 %).

III.1.4. Obtención del hidrocoloide de cladodios de Opuntia spinulifera

El método de extracción del hidrocoloide establecido en este trabajo fue aplicado a

cladodios de Opuntia spinulifera silvestre, con tres años de edad, logrando un valor de
extracción del hidrocoloide de 4.5 % BFP o 17.0 % BS, respecto al cladodio es de 1.28
% (o 13.47 % BS), estos resultados se muestran en la Tabla 13.

Tabla 13. Extracción del hidrocoloide en cladodio de Opuntia spinulifera y Opuntia

ficus indica
Material Extracción de
Opuntia utilizado/grado de hidrocoloide (%) Referencias
desarrollo BH BS
1
spinulifera P/D 1.28 (90.5) 13.47 Este trabajo
2
ficus indica P/ND 0.03 0.67 Este trabajo
(95.0)
3
ficus indica C/D 1.67 (NR*) NR* McGarvie y Parolis,
1979
1 2
P/D, parénquima diferenciado; P/ND, parénquima no diferenciado (nopal verdura);
3
C/D, cladodio diferenciado o maduro con diferente protocolo extractivo. * NR, no
reportado.

49
Paralelo a la extracción del hidrocoloide de Opuntia spinulifera se extrajo el de Opuntia
ficus indica verdura colectada de un cultivo con desarrollo acelerado (abundancia de
agua) y también a partir de parénquima. El valor determinado en este caso fue de 0.03
% BFN (95.0 % humedad), o 0.67 % BS.

III.2. Etapa II: Caracterización química del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

III.2.1. Análisis químico proximal

En este trabajo se establece de manera formal el químico proximal del hidrocoloide de
Opuntia spinulifera, practicado en la harina con una humedad de 8.75 %. Los resultados
aparecen en la Tabla 14.

Tabla 14. Composición química proximal del hidrocoloide del cladodio de Opuntia
spinulifera
Determinación Composición (%)
Agua 8.75 0.03
% Base seca
Cenizas 1.21 0.01
Extracto etéreo (grasas) 0.05 0.01
Proteína cruda 9.80
Nitrógeno total 1.72 0.06
Proteína 6.30 0.39
Carbohidratos totales1 63.01 0.1.1
Carbohidratos totales2 33.93  1.93
Azúcares reductores directos 0.16 0.01

Ácidos urónicos 9.14 0.15

1 2
Dubois et al., 1956; Dreywood (1946)

Las cenizas cuantificadas en el hidrocoloide de Opuntia spinulifera fueron de 1.21 %

BS un valor relativamente alto.

La fracción grasa del hidrocoloide, resultó a nivel de trazas luego de determinar un

valor de 0.05 %. Mientras que el contenido de nitrógeno total por Kjeldahl fue de 1.72

50
% BS, que por estimación con el factor de conversión a proteína cruda para vegetales
(5.7) se obtiene un valor de 9.23 %. Este segundo resultado obtenido investigado por el
método Bradford específico para la determinación de proteínas, encontrándose un valor
de 6.30 % BS.

III.2.2. Análisis de carbohidratos

III.2.2.1. Contenido de azúcares reductores directos (ADR)

En cuanto a la determinación de carbohidratos los de tipo soluble, también denominados

ARD presentes en este hidrocoloide, se obtuvo un bajo valor de 0.16 % BS.

III.2.2.2. Contenido de ácidos urónicos

En este trabajo la determinación de ácidos urónicos se realizó empleando el método de

Kintner y Van Buren (1982), obteniendo un valor de 9.14 % de contenido BS.

III.2.3. Caracterización química

III.2.3.1. Resistencia a hidrólisis ácida

Se realizó una cinética de hidrólisis química del hidrocoloide a 100 oC empleando ácido
trifluoroacético, con el propósito de precisar el tiempo requerido para alcanzar una
hidrólisis total, debido a que es un parámetro útil si se tiene contemplada la
identificación y cuantificación de azúcares (monosacáridos) por técnicas cromatografías
de CG y HPLC.

Mediante el monitoreo de ARD con el método químico de Miller (1959), se pudo

revelar el grado de hidrólisis química ácida en el hidrocoloide de cladodios a diferentes
tiempos de reacción evaluados. El porcentaje de ARD en el hidrocoloide no tratado fue
de 0.469. La cinética de hidrólisis es presentada en la Figura 10.

51
Durante el desarrollo de la técnica para la cuantificación de ARD, se presentó una
variabilidad (de lote a lote) con las determinaciones del hidrocoloide leídas en curva
patrón con glucosa (hexosa) como estándar, por lo que se realizaron otras dos curvas
patrón, una con arabinosa (pentosa) y la otra con cantidades equimolares de glucosa y
arabinosa; sin embargo, todos los valores (derivados de las tres curvas patrón) se
mantuvieron en el rango de las desviaciones estándar.

140

120

100

80
ARD (%)

60
ARD (Lote I)
ARD (Lote II)
40 ARD (Lote III)

20

0 100 200 300 400 500

tiempo de hidrólisis ácida (min)

Figura 10. Cinética de hidrólisis química ácida del hidrocoloide

de Opuntia spinulifera a 100 oC.

De acuerdo al análisis es factible concluir, que a un tiempo no mayor de 180 min de

reacción química se logra el 100 % de hidrólisis de hidrocoloide.

III.2.3.2. Acidez titulable

La acidez total para 0.2 g de hidrocoloide de Opuntia spinulifera, resultado de la

valoración potenciométrica, es reportado en porcentaje de ácido láctico equivalente en
100 g de hidrocoloide, con un valor de 0.469 %,

52
III.2.3.3. Determinación del pKa y curva de valoración de pH

La valoración del pH del hidrocoloide de Opuntia spinulifera se efectúo a 25 oC en una

dispersión al 1.0 %, empleando disoluciones valorantes de NaOH y HCl para cubrir un
amplio rango del perfil de pH. La curva de titulación se muestra en la Figura 11.

12

10

8
pH

0 50 100 150 200 250 300 350

equivalentes de NaOH adicionados

Figura 11. Curva de titulación de pH a 25 oC para una dispersión del hidrocoloide de

Opuntia spinulifera a 1.0 %.

La figura 12 muestra un ajuste a la ecuación de Boltzman para determinar por medio de

ecuación el punto de equivalencia.

53
 12

10 Valor experimental
pH'
8 pH''
Ec. Botzman
6
pH

0 50 100 150 200 250 300 350

equivalentes de NaOH adicionados

Figura 12. Determinación del punto de equivalencia en el hidrocoloide de cladodio de

Opuntia spinulifera.

III.3. Etapa III. Caracterización física del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

III.3.1. Caracterización reológica

III.3.1.1. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la

concentración

III.3.1.1.1. Curvas de viscosidad

Se obtuvieron curvas de viscosidad (como la resistencia al flujo) para dispersiones de

hidrocoloide a 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 y 3.0 % (p/v), las cuales se muestran en la Figura 13, se
grafica la viscosidad en función de la velocidad de cizalla.

54
 105

104 0.5 %
1.0 %
1.5 %
viscosidad (Pa.s)

103 2.0%
3.0 %

102

101

100

10-1
10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104

velocidad de cizalla (s-1)

Figura 13. Curvas de viscosidad de dispersiones de hidrocoloide del Opuntia
spinulifera, en pH natural 5.39 a 25 oC.

III.3.1.2. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide respecto al de gomas de

empleo en alimentos

Para referir el comportamiento del hidrocoloide del cladodio de Opuntia spinulifera en

el área de alimentos y asociar un posible uso en este ámbito, se obtuvieron las curvas de
viscosidad para hidrocoloides comerciales como la goma xantana y la pectina cítrica (a
1.0 % y 3.0 % respectivamente), ambas de grado técnico. Adicionalmente se realizó la
comparación con el hidrocoloide de Opuntia ficus indica, obtenido bajo el mismo
protocolo que Opuntia spinulifera.

Los comportamientos de la viscosidad o bien, en su recíproco al flujo para todos los

casos se aprecian en la Figura 14 frente al hidrocoloide de Opuntia spinulifera.

55
 105

104
viscosidad (Pa.s)

103

102
O. ficus indica 5.0 %
O. ficus indica 3.0 %
101 O. ficus indica 1.5 %
O. spinulifera 2.0 %
O. spinulifera 3.0 %
100 Pectina citrica 3.0 %
Xantana 1.0 %

10-1
1e-3 1e-2 1e-1 1e+0 1e+1 1e+2 1e+3

velocidad de cizalla (s-1)

Figura 14. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

frente al de Opuntia ficus indica y a otras dos gomas de uso en la industria de alimentos.

III.3.1.3. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de pH y

concentración

El efecto de pH en curvas de viscosidad de dispersiones del hidrocoloide preparadas a

0.5, 1.5 y 3.0 % (p/p) fue comparado para los valores de 4.0, 7.0 y 10.0. La dispersión al
3.0 % y pH 10.0 presentó problemas en su manejo debido a una gran consistencia (poca
fluidez). Los patrones experimentales obtenidos de las demás dispersiones se presentan
en la Figura 15.

56
 105

M 0.5 % pH 4.0
M 0.5 % pH 7.0
104
M 0.5 % pH 10.0
M 1.5 % pH 4.0
M 1.5 % pH 7.0
viscosidad (Pa.s)

103
M 1.5 % pH 10.0
M 3.0 % pH 7.0
M 3.0 % pH 4.0
102

101

100

10-1
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104

velocidad de cizalla (s-1)

Figura 15. Curvas de viscosidad en función de diferentes pH´s del hidrocoloide de

Opuntia spinulifera a 25 oC. M, significa dispersión de mucílago a la concentración
“de”

III.3.1.4. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la

temperatura

La viscosidad en los fluidos generalmente presenta gran dependencia con la

temperatura. Por lo cual se analizó el comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide
de Opuntia spinulifera vs la temperatura, se obtuvieron las curvas de viscosidad para las
dispersiones del hidrocoloide a 3.0 % (p/p) a las diferentes temperaturas de 15 (288.15
K), 25 (298.15 K), 37 (310.15 K), 40 (313.15 K), y 55 (328.15 K) oC, el perfil obtenido
en todos los casos se muestra en la gráfica de la Figura 16.

57
 104

o
25 C
o
103 37 C
o
40 C
o
viscocidad (Pa.s)
55 C
o
15 C

102

101

10-2 10-1 100 101 102

-1
velocidad de cizalla (s )

Figura 16. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide de Opuntia spinulifera en

función de la temperatura.

III.3.1.5. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la fuerza

iónica

Para evaluar el efecto de la I en curvas de viscosidad de las dispersiones de hidrocoloide

de Opuntia spinulifera al 1.5 % (p/p), se adicionaron individualmente diferentes
cloruros (Na+, K+, Ca+2, Cu+2 y Fe+2) además del Na2CO3, todos a una fuerza iónica de
0.05 M. El efecto de la sal respectiva en la viscosidad se presenta en la Figura 17.

58
 100

Control
viscosidad (Pa.s)

NaCl
KCl
CaCl2
CuCl2
FeCl2
10 Na2CO3

0 200 400 600

velocidad de cizalla (s-1)

Figura 17. Efecto de la naturaleza de los iones en el comportamiento de la viscosidad de

dispersiones de hidrocoloide de Opuntia spinulifera.

III.4. Tensión superficial y actividad de agua

III.4.1. Tensión superficial

Los valores de tensión superficial se presentan en la Figura 18 para dispersiones del

hidrocoloide de Opuntia spinulifera del 0.5 a 3.0 % (p/p) y corresponden a un rango
desde 42.2 hasta 52.23 mN/m.

En la Figura 18, se muestra la tendencia de incremento de tensión superficial con la

concentración.

59
Figura 18. Tensión superficial de dispersiones de hidrocoloide de Opuntia spinulifera a
25 °C

III.4.2. Actividad de agua

Para el hidrocoloide de Opuntia spinulifera obtenido, es importante ponderar su aw para

estimar y prever su estabilidad. La determinación de HRE para el hidrocoloide de
Opuntia spinulifera (con un contenido de agua de 8.75 %) realizada en el novasina a 25
C fue de 46.3  0.05, por lo que su aw es de 0.463.
o

60
 IV.- DISCUSIÓN

IV.1. Etapa I: Método de extracción del hidrocoloide, selección de la Opuntia y análisis

químico proximal (AQP) del cladodio y fracción útil.

IV.1.1. Desarrollo de metodologías para la extracción del hidrocoloide en Opuntia ficus

indica

En este capítulo se discuten los resultados experimentales obtenidos para el desarrollo

de la investigación.
Los valores porcentuales que hasta la fecha se han reportado en la literatura para la
extracción del hidrocoloide en Opuntias son en general bajos y variables, desde 0.012
hasta 1.67 % BFN. En la Tabla 15 se presentan los valores publicados al respecto por
varios autores.

Tabla 15
Extracción del hidrocoloide en cladodio de Opuntias
Extracción Opuntia Referencia
(%)*

1.67 dinelli Srivastava y Pande

(1974)
0.5 dinelli Srivastava y Pande
(1974)
0.085 ficus indica Majdoub et al.
(2001)
0.07 ficus indica Cárdenas et al.
(1997)
0.012 ficus indica Trachtenberg y
Mayer (1981)
* % en peso de la BFN

Dichas publicaciones en general comprenden confusión respecto a la identificación de

especie de Opuntia. En este sentido algunos autores han publicado sus investigaciones
bajo la denominación general de nopal como “Opuntia sp.”, a saber existe un registro
oficial de aproximadamente doscientas especies de nopal en el mundo; en ese mismo
contexto la contribución por la imprecisión o bien, la no especificidad de la amplia
variedad dentro de cada especie. Otro factor relevante en la obtención del hidrocoloide

61
de nopal, es la etapa del desarrollo del cladodio de nopal, lo cual ha sido poco
considerado durante la presentación de la descripción del vegetal, frecuentemente
aparecen indefiniciones no comentadas sobre la edad del cladodio utilizado como fuente
de obtención. Las condiciones del cultivo de la planta, son otro de los factores
significativos para el rendimiento del hidrocoloide, por ejemplo, la disponibilidad de
agua en la irrigación (vs estrés hídrico), si la plantación es un cultivo intensivo o
nopalera silvestre, estación de año, etc. Por último, respecto a las metodologías
extractivas, se han realizado innumerables estrategias metodológicas únicas, que han
obstaculizado la posibilidad de comparación de resultados e incrementado la
inconsistencia y avances en las investigaciones sobre esta sustancia coloidal.

Los resultados de la extracción del hidrocoloide en los diferentes tratamientos

ensayados utilizando nopal verdura de Opuntia ficus indica de la Región de Milpa Alta
son bajos, sin embargo, pudo destacarse el tratamiento G para establecerse como
metodología optimizada.

Los tratamientos C y D fueron establecidos sobre la base que en las células del
parénquima medular se produce y almacena el hidrocoloide del cladodio de las
Opuntias (Trachtenberg y Mayer, 1981), por lo que se diseñaron con el objetivo de
hacer disponible al hidrocoloide durante la extracción, mediante la ruptura de
membranas de dichas células empleando cloruro de sodio. Sin embargo, no fue
significativo el grado de extracción a través de este fundamento.

El tratamiento E, su diseño se fundamentó bajo la consideración que el hidrocoloide

puede presentar afinidad por iones metálicos, similar a lo que ocurre con el ácido
poligalacturónico de las pectinas de bajo metoxilo (Forni, et al., 1994; Goycoolea y
Cárdenas, 2003). Dicho ácido une calcio durante la gelificación originando con ello las
estructuras que cimentan el modelo denominado “caja de huevo” (Grant et al., 1973).
Así, de ocurrir esto para el hidrocoloide de Opuntias, la presencia de un agente quelante
como EDTA desencadenaría la formación de complejos EDTA-calcio o EDTA-metal,
manifestándose en una mayor liberación de hidrocoloide y por ende el incremento del
porcentaje de extracción del mismo. Sin embargo, el EDTA no produjo una extracción
deseable.

62
El tratamiento F fue el utilizado por Srivastava y Pande (1974) quienes lograron un 0.5
% de extracción sobre peso fresco de Opuntia dinelli; mientras que en este trabajo se
obtuvo un valor de 0.39 %, cuando se empleó una Opuntia diferente, la ficus indica.

Por último, el tratamiento G fue similar a B, con la única diferencia de haber incluido
una etapa de extracción con calor, lo cual influyó para lograr el porcentaje de extracción
más alto de todos los tratamientos (0.89 %, vs 4.6 veces mayor que B).

Por tanto, la metodología del tratamiento G quedo establecida para la extracción del
hidrocoloide de cladodio de Opuntia sp. como la más eficiente y útil.

IV.1.1.2. Extracción con calor del hidrocoloide de Opuntia sp.

Para contribuir a la eficiencia del método de extracción del hidrocoloide se consideró

importante analizar la fracción útil o potencial del cladodio de Opuntias, es decir
aquella fracción que exclusivamente contenga al hidrocoloide. El parénquima medular
es el apto para utilizarse en el desarrollo del tratamiento extractivo (G), luego de retirar
de manera mecánica los contaminantes (clorénquima que lo rodea).

La apariencia o aspecto de hebras del hidrocoloide al precipitar sin duda recuerda su

asociación (no demostrada) con la fibra dietaria soluble (FDS). Tales formas sugieren la
presencia de estructuras poliméricas de elevado peso molecular.

IV.1.1.3. Selección de la materia prima en Opuntias como fuente de hidrocoloide

Diferentes variables documentadas aisladamente se sospecha tienen implicaciones en la

producción de hidrocoloide en el cladodio y por consiguiente en su rendimiento de
extracción.

a) Edad del cladodio y transpiración: La intensidad de la transpiración en las

cactáceas y plantas en general está en razón inversa al espesor de la cutícula y
por ende de la edad. El hidrocoloide puede ser abundante en plantas que
presentan por tanto escasa transpiración. Se ha documentado en general (Ruiz,
1974), que una baja transpiración corresponde a plantas con gruesas cutículas

63
 (del grupo denominadas xerófitas) y a una edad adulta (a interpretarse del
cladodio para el caso de interés). Ambas condiciones conllevan a una
concentración de los metabolitos en los jugos celulares de los tejidos vegetales.
Fundamentado en esto, se efectúo la extracción del hidrocoloide en cladodios de
diferentes edades de la misma especie ficus indica, esperando verificar que
aquellos de mayor edad aportaran un porcentaje mayor de extracción.

Los resultados al ensayar estas variables concluyen que cladodios de 2 y 3 años

son la edad pertinente para la extracción del hidrocoloide, esto es un desarrollo
diferenciado pues superan en más del 100 % los niveles de extracción respecto
al nopal verdura , edades mayores de cladodios presenta valores menores, para
lo que se especula sea una manifestación no documentada de un fenómeno de
degradación intracelular del hidrocoloide a consecuencia de la edad de la
muestra.

b) Irrigación durante el desarrollo del cultivo de nopal: Existen reportes que hacen
aseveraciones sobre la relación del contenido de humedad en las plantas y la
concentración de metabolitos, por ejemplo Ruiz (1974). Este autor cita también,
que los vegetales que presentan mayor dificultad para la evaporación de agua y
mayor retención energética de la misma (es decir menor transpiración) contienen
un jugo celular rico en vacuolas con abundancia de glúcidos, mucílagos, grasas,
gomas y cristaloides. Con estos argumentos y con base a los resultados para
cladodios cultivados de la misma especie y variedad en condiciones de riego
diferente, se propone que un cultivo de nopal (Opuntia sp.) con escaso riego
durante su desarrollo, disminuye su tasa de transpiración respecto a otro con
abundancia de agua y por tanto concentre metabolitos como puede ser el caso
del mucilago.

IV.1.2. Análisis químico proximal de cladodio de Opuntia spinulifera

Actualmente no existe AQP documentado para la Opuntia spinulifera, por lo que la

discusión de los resultados se realizó en función de Opuntia ficus indica, que si bien no
es una especie taxonómicamente cercana a la Opuntia spinulifera, se trata de la Opuntia

64
más documentada (Bravo, 1978; Muñoz et al., 1996; Goldstein y Nobel, 1991; Barros y
Buen rostro, Zambrano et al, 1998; 1999; Malaine et al., 2003).

El contenido de agua en el cladodio de Opuntia spinulifera (90.5 %) reveló la

característica de suculenta. El contenido de agua en el reino vegetal, se ha establecido
como una función de la especie, condiciones de cultivo (clima-suelo) (Spoehr, 1919 y
Fernández, 1949 citados en Bravo, 1978) y la etapa de madurez que implica al
desarrollo y comprende al metabolismo y fisiología, tanto de la planta como del propio
tejido u órgano que se cuantifica.

Las Opuntias almacenan alto contenido de agua en sus tallos modificados (cladodios),
de aquí que se les denomine también plantas suculentas (Bravo y Scheinvar, 1999).
Barros y Buenrostro (1999), han demostrado que las partes jóvenes y en proceso de
desarrollo de las Opuntias (brotes), pueden contener de 90 a 95 % de agua, valores por
arriba de los determinados para otras partes o tejidos ya diferenciados. Más aún ciertos
tejidos al envejecer se endurecen proporcionando la rigidez estructural, creando el
soporte que la planta necesita y por lo tanto el contenido de agua se minimiza.

El contenido de agua para varias frutas y verduras, ha sido reportado en las tablas de
valor nutritivo de los alimentos del Instituto Nacional de Nutrición Salvador Zubirán
(Muñoz et al., 1996) y se citan algunos valores en la Tabla 16.

Como puede apreciarse el cladodio de Opuntia spinulifera con 90.5 % de contenido de

agua es equivalente a lo aportado por los productos frescos de cebolla o tuna, pese a
que se trata de un cladodio en estado adulto, e incluso sorprende que su contenido sea
similar al determinado en nopal verdura o comestible por ese Instituto. Granados y
Castañeda (1991), citan “…en el nopal varía la concentración de su composición
química de acuerdo a la época del año; además de la edad también varía según la edad
del tallo”. En esa misma obra se presenta el valor de la composición humedad para
nopal realizada por Palomo (1963) y Suárez et al. (1954) determinada con 91.80 % y
91.25 % respectivamente.

65
 Tabla 16
Contenido de agua en frutas y verduras
Fruta o verdura Contenido de agua (%)
Lechuga romana 96.00
Pepino 95.20
Jitomate 94.60
Sandía 91.50
Tuna 91.00
Nopal 90.10
Cebolla 90.00
Jícama 89.10
Chayote sin espinas 85.00
Xoconostle 86.30
Papa 81.20
Muñoz et al., 1996

El contenido de cenizas o residuo inorgánico obtenido en cladodio de Opuntia

spinulifera refleja una alta salinidad del suelo que alimentó a la planta, así como la
biodisponibilidad de los minerales. Por otra parte, este contenido es también
dependiente de la Opuntia que se trate. Las características que enmarcan la calidad y
tipo de suelo en que se desarrolla la planta son la acidez, salinidad, conductividad, grado
de disociación o ionización, humedad y textura del suelo (Granados y Castañeda, 1991).
Los principales minerales descritos en Opuntia ficus indica son calcio y potasio, en
menor cantidad se encuentran magnesio, silicio, sodio y menor aún hierro, aluminio y
manganeso, predominando todos en la forma de carbonatos (Bravo, 1978; Barros y
Buenrostro, 1999).

En Opuntia spinulifera, resulta sorprendentemente bajo el valor determinado para el

extracto graso se esperaba que la capa cérea del cladodio maduro de Opuntia spinulifera
fuera más abundante en esta fracción grasa ensayada, debido a la poca transpiración. En
general las Opuntias presentan bajo contenido de grasas o extracto etéreo; según Bravo
(1978) los valores fluctúan para Opuntia ficus indica entre 0.11 y 0.33 % BFN verdura.

66
Muñoz et al. (1996) en su tabla de valor nutritivo de los alimentos reporta un valor de
0.30 % BFN para la misma especie en edad verdura.

Los constituyentes principales de la fracción grasa en cladodios de nopal son los ácidos
orgánicos. Se ha citado al ácido oxálico como el más abundante para el caso de
cladodios viejos en las Opuntias, el cual se encuentra precipitado en forma de sal de
calcio y llega a ocupar hasta el 85 % de las cenizas totales (Malaine et al., 2003).

El contenido de nitrógeno total por el método Kjeldahl en Opuntia spinulifera (2.24 %

BS, o 12.67 % de proteína cruda), resultó numéricamente cercano a lo reportado para la
especie tradicionalmente comestible de Opuntia ficus indica (18.68 % BS) en edad
verdura por Zambrano et al. (1998). En otro reporte (Chávez, 1953, citado por Bravo,
1978) para Opuntia megacantha (comúnmente denominado nopal de castilla), se
cuantificó el valor de 1.07 % para el nitrógeno total, obteniéndose por consiguiente 5.53
% de proteína cruda, es decir una especie proteínicamente menor incluso en su forma de
verdura que la Opuntia spinulifera en edad adulta.
Aun cuando las Opuntias poseen un contenido bajo de proteínas, por ejemplo Muñoz, et
al. (1996) reportan 1.7 % en base de producto fresco para verdura de Opuntia ficus
indica (o bien, cercano al 16.83 % BS); se cita que las proteínas del nopal presentan alta
calidad nutricional (Barros y Buenrostro, 1999). En Opuntia ficus indica se han podido
determinar 17 aminoácidos de los cuales 8 son esenciales (isoleucina, leucina, lisina,
metionina, fenilalanina, treonina, triptofano y valina) (Zambrano, et al., 1998).

En el ámbito de la nutrición y la salud, el nopal se reconoce por su alto contenido de

fibra dietética, la cual se ha definido (Muñoz et al., 1996) como la fracción vegetal
indigerible en el estómago e intestino delgado (es decir inerte a la hidrólisis enzimática
normal) además de la fibra cruda, como son gomas y pectinas. Por su parte la fibra
cruda es la fracción indigerible por métodos químicos, básicamente la celulosa,
hemicelulosa y lignina. El cladodio utilizado de la Opuntia spinulifera presenta una
relación de 1:7.14 para FDS:FDI. Esta misma relación ha sido establecida para Opuntia
ficus indica por Zambrano (1998), con un valor de 30:70 (1:2.33).
La determinación de carbohidratos totales ha sido documentada por Muñoz et al. (1996)
para Opuntia ficus indica un valor de 5.6 % BFN o bien cerca del 55.44 % BS, para

67
estos constituyentes, en este trabajo se tuvieron limitaciones técnicas por lo que solo se
reporta la diferencia al 100 % de composición.

Los azúcares solubles o azúcares reductores directos (ARD) para la Opuntia spinulifera
presentaron un valor (1.34 %), el cual es comparable con lo estimado por Chávez (1953,
citado por Bravo, 1978) en la especie Opuntia megacantha, quien reportó un valor de
3.93 % BF de nopal verdura; en ese mismo trabajo los azúcares totales fueron
determinados con un valor de 28.44 %. La interpretación del bajo contenido de azúcares
reductores o solubles es que existe poca cantidad de carbohidratos solubles en
contraparte con los de elevado peso molecular.

IV.1.3. Análisis químico proximal de parénquima medular de cladodio de Opuntia

spinulifera

El AQP del parénquima de cladodios de Opuntia ha sido poco documentado (Goldstein

et al., 1991). Los resultados del análisis para la correspondiente fracción del cladodio en
la “especie spinulifera” son documentados por primera vez (tabla 13).

El contenido de agua para la fracción parenquimal respecto al del cladodio completo,

resulto estar en el mismo valor, por lo que este resultado solo permite apoyar la
participación parcial del hidrocoloide en la función de reserva de agua; dejando la
posibilidad de que otros hidrocoloides compartan también esta propiedad, pues se
esperaba fuera con mayor contenido de agua por ser un tejido descrito para almacenar el
agua en el cladodio.

El parénquima, presenta las funciones de reserva energética y la controversial de

almacenamiento de agua. Nobel (1988 citado por Goldstein et al., 1991) es un autor a
favor de la hipótesis que el parénquima realiza la función de almacenar agua, e
igualmente Amin et al., (1970) asumen que el hidrocoloide, concentrado en este tejido
es el que soporta esa función; mientras que Trachtenberg y Mayer (1982), discuten que
la capacidad de retención de agua por el hidrocoloide es muy pobre para considerar que
mantenga la función.

68
Respecto a la determinación de cenizas en el parénquima medular de Opuntia
spinulifera (15.04 %), se concluye que este tejido concentra 21.73 % del total de los
minerales y aniones del cladodio. Actualmente, la explicación fisiológica de la
presencia de este abundante contenido mineral, en el parénquima, aun no se conoce. Sin
embargo, se puede argumentar en términos de la función de almacenamiento de agua
para el parénquima, debe participar de las funciones de transporte de la misma, las
cuales implican también el movimiento de los iones (Amin et al., 1970).
Por otra parte de las determinaciones correspondientes (contenido de nitrógeno y
extracto etéreo), se concluye que este tejido presenta pobre contenido de proteínas y
grasas en este tejido diferencial.

Por último el contenido de ARD determinado (10.60 %) fue similar al encontrado en el

cladodio completo (14.09 %), lo que indica conserva su concentración de los azucares
solubles (reflejo de los monosacáridos tipo aldosas) del nopal completo.

IV.1.4. Obtención del hidrocoloide de cladodios de Opuntia spinulifera

Las especies de Opuntias reportadas para el estudio del hidrocoloide en cladodio han
sido dillenii, cholla, tomentosa, ficus indica, streptacantha (Amin, et al., 1970;
Srivastava y Pande, 1974; Moyna y Tubio, 1977; Smestad y Steinar, 1979;
Trachtenberg y Mayer, 1981b, 1982b; McGarvie y Parolis, 1979; 1981; Cárdenas et al.,
1998a, b; Goldstein et al., 1991; Medina et al., 2000; Majdoub, et al., 2001a, b), en
general el rango de los valores de extracción está entre 0.012 y 1.67 % en base a
producto fresco, empleando diferentes métodos.

El método de extracción del hidrocoloide establecido en este trabajo fue aplicado a

cladodios de Opuntia spinulifera silvestre, con tres años de edad, estuvo tan alto como
el mejor reportado en la bibliografía (4.5 % BFP/1.28 % BFN).

Los valores porcentuales de extracción del hidrocoloide en todos los casos deben
reflejar un efecto complejo multifactorial debido a la especie, condiciones de desarrollo
del cultivo de la planta (temperatura, irrigación y nutrientes), o desarrollo (del ciclo de
vida de la planta y edad propia del cladodio), así como el método extractivo. Por lo que

69
las atribuciones de los efectos para cada factor son poco claras. Adicional a esta
complejidad, se tienen serias omisiones en la literatura sobre características útiles de las
Opuntias investigadas como contenido de agua en el tejido vegetal, edad del cladodio,
especie estudiada, condiciones de desarrollo de la planta básicamente en irrigación
(cultivada o silvestre), etapa del ciclo de desarrollo (floración, fructificación), lo cual
hace más difícil realizar comparaciones.

En 1991, Goldstein et al., reportaron la extracción del hidrocoloide de cladodios de

Opuntia ficus indica utilizando como materia prima el parénquima medular, ellos
obtuvieron un porcentaje de 13.9 para la extracción en BS respecto al parénquima, valor
por abajo al determinado en este trabajo para Opuntia spinulifera (17.0 %). Por otra
parte, McGarvie y Parolis (1979) con su propia metodología de extracción del
hidrocoloide de Opuntia ficus indica, utilizaron cladodios completos de edad adulta con
un peso del ejemplar de 1.01 Kg; dichos autores refieren un porcentaje de extracción de
1.67 BFN, valor que se encuentra muy cercano al determinado para Opuntia spinulifera
(1.28 %). Sin embargo, la característica física del color del hidrocoloide obtenido por
esos autores es café pálido, mientras que con la Opuntia spinulifera en este trabajo se
extrajo un polvo blanco con ligera tonalidad perla. Por lo que tal vez, esto encierre la
explicación del porcentaje de extracción superior obtenido por esos autores con respecto
a Opuntia spinulifera, pese que con esta especie se utilizó exclusivamente la fracción
enriquecida de hidrocoloide; es decir se sospecha que el producto obtenido por aquellos
autores con Opuntia ficus indica contenga una mayor cantidad de contaminantes
(evidenciados por el color) los cuales además estén contribuyendo con el peso del
hidrocoloide. Dichos contaminantes pueden ser principalmente proteínas, cuya
composición está aun en controversia para los hidrocoloides de Opuntia spp. en general.

La aplicación del método en nopal verdura de Opuntia ficus indica colectada de un

cultivo con (también a partir de parénquima), está 41.26 veces por abajo del logrado
para Opuntia spinulifera (17 % BS). Los factores identificados como responsables de
esta marcada diferencia extractiva son los ya comentados anteriormente (edad del
cladodio y traspiración, irrigación de la planta y tipo de especie). Sin embargo, a pesar
de esta complejidad en la interpretación de los resultados, se puede señalar como

70
estrategia exitosa la propuesta de esta metodología “método-materia prima” para la
extracción del hidrocoloide en cladodios de Opuntias.

IV.2. Etapa II: Caracterización química del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

IV.2.1. Análisis químico proximal

El análisis químico proximal del hidrocoloide de cladodio de Opuntias de acuerdo a la

literatura científica, hasta la fecha no ha sido reportado de manera completa. La única
información ha sido sobre la identificación y contenido de carbohidratos.

El análisis elemental del hidrocoloide ha sido reportado por Trachtenberg y Mayer

(1981), ellos reportan 42.57 % de la composición para C, 6.31 % de H, 51.2 % de O,
0.022 % de Ca y 0.013 % de Mg. No encontraron N y S con lo que se descarta presencia
de proteínas. Comentan también que el tratamiento con ácido tricloroacético pudo
descomponer la sal de mucilaginato de calcio reduciendo los niveles de determinación
de calcio. En contraparte, Amin et al., 1970, han determinado 0.03 % de nitrógeno, lo
cual sugiere un muy bajo valor de proteína cruda.

Las cenizas en el hidrocoloide de Opuntia spinulifera fueron determinadas con un alto

valor (1.21 % BS), que permite plantear la hipótesis de si algún catión, por ejemplo
calcio que abunda en estas especies (Bravo, 1978; Barros y Buenrostro, 1999), pueda
estar asociado a las estructuras poliméricas presentes en el hidrocoloide de Opuntia
spinulifera. El antecedente para fundamentar el planteamiento anterior se encuentra en
lo publicado por Trachtenberg y Mayer (1982) con su autocita (1981) “...el mucílago de
Opuntia ficus indica contiene 10-12 % de ácido galacturónico y aparece en las células
como una sal de calcio. Durante la purificación es decalcificado...”. En esa publicación,
los autores demuestran la dependencia del hidrocoloide con ese catión divalente. Un
argumento que debe integrarse es el emitido por Amin, et al. (1970), “...el hidrocoloide
está involucrado en la economía del agua de la planta, por lo tanto debe asumirse
también el transporte de iones y agua en él...", éstos autores registraron valores de 0.06
% de contenido de cenizas. Así que tal vez aclarando el mecanismo de transporte de
iones en el hidrocoloide se justifiquen las altas concentraciones de residuos inorgánicos

71
en él; por lo que resulta interesante investigar de manera individual los principales
minerales presentes en este residuo para establecer las formas tentativas de sales de
hidrocoloide prevalecientes.

La fracción grasa del hidrocoloide, se puede considerar a nivel de trazas(0.05 %), o bien
ser parte de los contaminantes obligados con el método de extracción poco selectivo.
Mientras que la presencia de proteínas no puede ser considerada como contaminante por
el valor determinado y verificado con 2 métodos ( Kjeldahl 9.23 % proteína cruda y
Bradford 6.30 % ambos BS).

En general la literatura científica presenta al hidrocoloide de las Opuntias con

composición de carbohidratos por lo que se dirige la investigación hacia éstos
constituyentes químicos exclusivamente. Así Goldstein et al. (1991), dicen “...que el
producto obtenido de Opuntia ficus indica es mucílago, dado que el 93 % de la
composición fue determinado como carbohidratos”. Trachtenberg y Mayer (1981b) han
afirmado que el hidrocoloide localizado en células mucilaginosas en su estado final no
contiene proteínas, sino más bien una gran cantidad de polisacáridos ácidos.

En el hidrocoloide de Opuntia spinulifera, se tiene que de la obtención de cenizas,

componentes grasos y proteínas al 100 %, el remanente es cerca del 90 % que a suponer
corresponde a carbohidratos. Sin embargo, no se puede discutir mayormente al respecto
debido a la carencia de un análisis instrumental minucioso.

IV.2.2. Análisis de carbohidratos

IV.2.2.1. Contenido de azúcares reductores directos (ADR)

Los carbohidratos de tipo soluble (ARD) en el hidrocoloide son escasos (0.16 % BS), es
decir la abundancia favorece a los no reductores o de alto peso molecular. Los azúcares
no reductores exclusivamente son los que presentan traslocación durante la
fotoasimilación del floema en vegetales, al parecer ésta es consecuencia de su gran
estabilidad química, de allí que su contenido sea elevado en este tipo de tejido que
funciona como reserva energética (Hopkins y Hüner, 2004). Es notable el menor

72
contenido de los azúcares reductores directos en el hidrocoloide de Opuntia. spinulifera,
respecto a su cladodio completo y parénquima medular, lo que conlleva por lo tanto a
un mayor contenido de la fracción de no reductores, sugiriendo con ello que el
hidrocoloide debe presentar una intensa actividad de traslocación de azúcares en el
parénquima del cladodio, confirmando su función de reservorio energético.

IV.2.2.2. Contenido de ácidos urónicos

El carácter ácido y no neutro del hidrocoloide de cladodio de Opuntia spinulifera quedó

demostrado (9.14 % BS de ácidos urónicos). Otros autores (McGarvie y Parolis, 1979;
Trachtenberg y Mayer, 1981, 1982; Majdoub et al. 2001; Medina et al., 2001) han
identificado y cuantificado azúcares ácidos en el hidrocoloide mediante técnicas
cromatográficas (HPLC, CG, TLC, etc.), en especial el contenido del ácido
galacturónico dentro de un intervalo de valores de 6.38 a 13.1 % (Smestad y Steinar,
1979; McGarvie y Parolis, 1979, 1981; Trachtenberg y Mayer, 1981b, 1982b; Medina et
al., 2000, Majdoub et al., 2001). En casos aislados, también se ha confirmado la
presencia de ácido glucurónico (Majdoub et al., 2001a). En variadas ocasiones se
confunde al hidrocoloide de cladodio (término no preciso aún) con las ya muy
conocidas pectinas (que también son hidrocoloides). Una característica esencial de las
pectinas es su alto contenido de ácido poligalacturónico, que para el caso de cladodio de
Opuntia ficus indica presenta un valor de 56.3 %, en términos de su monómero el ácido
galacturónico (Goycoolea y Cárdenas, 2003). En este trabajo, se corroboró que el
hidrocoloide de Opuntia spinulifera está fuera de la clasificación de las pectinas a
consecuencia de su bajo valor porcentual de ácidos urónicos (9.14 %).

IV.2.3. Caracterización química

IV.2.3.1. Resistencia a hidrólisis ácida

A través de la cinética de hidrólisis química del hidrocoloide a 100 oC empleando ácido

trifluoroacético, se logró precisar el tiempo requerido para alcanzar una hidrólisis total,
debido a que es un parámetro útil si se tiene contemplada la identificación y
cuantificación de azúcares (monosacáridos) por técnicas cromatografías de CG y

73
HPLC.El parámetro indicador del avance de hidrólisis fue cuantificar ARD según
metodología de Miller (1959).

De acuerdo al análisis es factible concluir, que a un tiempo no mayor de 180 min de

reacción química se logra el 100 % de hidrólisis de hidrocoloide. El establecimiento del
tiempo óptimo de exposición de la muestra al calor, tratamiento previo al análisis de
identificación azúcares, elimina la posibilidad de reacciones inespecíficas entre los
azúcares que impidan su detección, así como el rompimiento de todos los enlaces
glicosídicos intramoleculares incluso (Lawrence y Iyengar, 1985).

Con el resultado obtenido de los 180 min necesarios para la hidrólisis química ácida
total del hidrocoloide de Opuntia spinulifera y las condiciones de reacción (ácido
trifluoroacético al 0.5M), se demuestra lo lábiles o frágiles que son las estructuras
presentes en el hidrocoloide (mezcla de compuestos) frente al carácter ácido, pues para
el correspondiente en Opuntia ficus indica, McGarvie y Parolis (1979) han utilizado un
tiempo muy superior (16 h) a la misma temperatura, incluso con una concentración
mayor de un ácido más fuerte (H2SO4 0.5 M); de manera similar Medina et al., (2000)
emplean 1 M de H2SO4 durante 24 h a 80 oC, para lograr el mismo resultado de
hidrólisis total, sin embargo, los anteriores autores no presentan cinética para justificar
el tiempo requerido, pudiendo ser el valor utilizado en extremo.

Tal vez esto tenga sentido sobre las condiciones limitadas o estrés nutricional del
desarrollo de la planta por ejemplo en Opuntia spinulifera silvestre colectada de su
hábitat natural semiárido, donde la economía o regulación energética suceda a base de
un mucílago o hidrocoloide (debido a su función de reserva energética) con poca
resistencia a la hidrólisis y cuyos enlaces glicosódicos sean lábiles al calor y pH para
mantener un sistema eficiente en cuanto a la disponibilidad, no obstaculizando el
abastecimiento de energía, en contra parte con lo que puede presentarse en un cultivo
con desarrollo óptimo (Opuntia ficus indica cultivada).

IV.2.3.2. Acidez titulable

74
Además de los ácidos urónicos (galacturónico y glucurónico) identificados en general,
los posibles ácidos en el hidrocoloide de Opuntias responsables de la acidez, son los
orgánicos, acumulados en estas plantas a consecuencia de un metabolismo ácido
crasuláceo (Goldstein et al., 1991; Granados y Castañeda, 1991). Entre ellos se
describen a los ácidos ascórbico (azúcar ácido) y deshidroascórbico en Opuntia
vulgaris; málico y succínico en Opuntia dillenii; y cítrico y piscídico en Opuntia ficus
indica (Meyer y McLaughlin, 1981, citados en la obra de Granados y Castañeda, 1991).

La acidez total de hidrocoloide de Opuntia spinulifera en porcentaje de ácido láctico

equivalente en 100 g de hidrocoloide, fue de 0.469 %, que comparado con los ácidos
urónicos (9.14 %) presentes en el mismo hidrocoloide, resultó ser subestimado. Esto
puede sugerir que una minoría de las especies urónicas en el hidrocoloide presentan sus
grupos carboxilo (ionizables) disponibles a la titulación directa, mientras que la mayoría
pueden estar ocupados, pudiendo con esto apoyar la o las hipótesis que el hidrocoloide
se encuentre como sal de calcio (Trachtemberg y Mayer, 1982) o bien, que los grupos
ionizables estén “protegidos” o impedidos estructuralmente como ocurre en xantana
(Glicksman, 1984; Whistler y BeMiller, 1993; Quemener et al., 2000; Miller, 2004;
Silva et al., 2004).

IV.2.3.3. Determinación del pKa y curva de valoración de pH

De la curva de valoración del pH del hidrocoloide de Opuntia spinulifera (T=25 oC y al

1.0 % p/v), se concluye el hidrocoloide adopta comportamiento típico de un ácido
monoprótico débil (un solo átomo de hidrógeno ionizable), aun cuando resulte extraño
debido a su complejidad en composición (mezcla de especies químicas). Con este
patrón fue válido realizar el cálculo del pKa, como consecuencia de una disociación
ácida global del hidrocoloide. Para esto, se investigó el ajuste del comportamiento
experimental con modelos matemáticos, encontrando un ajuste con la ecuación de
Boltzman en la zona del único punto de equivalencia, esto se muestra en la Figura 12.
Mediante la derivada de esa ecuación, se determinó el punto de inflexión en la curva, el
cual corresponde al punto estequiométrico (por definición), ver Figura 12. Un valor de
7.04 de pKa (Ka de 9.1 x 10–8) fue establecido para el hidrocoloide de Opuntia
spinulifera (con un gasto de 4.37 µequivalentes de NaOH).

75
De acuerdo a los resultados obtenidos se puede considerar la existencia de un tipo de
grupo ionizable, éste puede ser el carboxilo de ácidos urónicos disponible o libre para la
titulación, además éste puede estar en una posición (entorno configuracional)
extremadamente constante en todas las moléculas que estén presentes (las más
pequeñas, más grandes y/o con diferente composición) para garantizar que las
diferencias entre las Ka de todas las moléculas, fueran insignificantes y que en el
momento de ocurrir la disociación protónica la mezcla (hidrocoloide) se comporte como
una sola especie ácida, con un solo grupo ionizable, dando un único valor de Ka como
se aprecia en la Figura 12.

A pesar de no haber identificado especies ácidas en el hidrocoloide de Opuntia ficus

indica, por las técnicas de CG y TLC, Trachtenberg y Mayer (1981) determinaron
mediante titulación con NaOH un valor de pKa de 4.8 esto es para un ácido más fuerte
que el encontrado para Opuntia spinulifera en esta investigación. Comparando el valor
del pKa determinado para el hidrocoloide ácido de Opuntia spinulifera frente a otros
ácidos (Mathews y Holde, 2000; Brown et al., 1998), se observa que es 2 veces más
fuerte que el ácido hipocloroso (Ka de 3.0 x 10–8) o bien, 3.69 y 196.8 veces menos
fuerte que el ácido carbónico y acético respectivamente (4.27 x 10-7 y 1.8 x 10-5) cuando
ocurre la primera disociación.

IV.3. Etapa III. Caracterización física del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

IV.3.1. Caracterización reológica

IV.3.1.1. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la

concentración

IV.3.1.1.1. Curvas de viscosidad

Las curvas de viscosidad (resistencia al flujo, figura 13) para dispersiones de

hidrocoloide (0.5- 3.0 % (p/v)), en función de la velocidad de cizalla demuestran que la
viscosidad no es constante, lo cual permite reconocer un comportamiento no
Newtoniano. Considerando que la viscosidad disminuye en función del incremento de

76
dicha velocidad, se establece que este biopolímero se comporta como un fluido
pseudoplástico o reofluidificante (Steffe, 1996; Núñez et al., 2001; Díaz et al., 2004).

La pseudoplasticidad se ha explicado para el polímero de xantana (Glicksman, 1984;

Whistler y BeMiller, 1993), en términos de asociaciones intermoleculares que forman
una red compleja de hilos enmarañados (cadenas del biopolímero). Estos agregados
débilmente unidos pueden destruirse progresivamente bajo la influencia de una
velocidad aplicada, explicando así la pronunciada pseudoplasticidad de las soluciones
de goma xantana frente a los cambios de velocidad de cizalla (Glicksman, 1984;
Whistler y BeMiller, 1993).
Glicksman (1982), señala que las altas viscosidades de xantana en reposo a bajas
concentraciones le permiten ser un aditivo con gran capacidad estabilizante de
emulsiones y suspensiones, en tanto que su alto grado de pseudoplasticidad es casi
independiente de la concentración y de la velocidad de cizalla. Debido a estas
propiedades, la xantana es una goma con múltiples aplicaciones. La pseudoplasticidad
parece ser importante en la contribución de las buenas cualidades sensoriales (por ej. la
sensación en la boca y la liberación de sabor) en los alimentos (Glicksman, 1984; Silva
et al., 2004).

La magnitud de los valores máximos obtenidos para la viscosidad en el hidrocoloide de

Opuntia spinulifera es realmente interesante (104 Pa.s máx.), y a pesar de que el
hidrocoloide obtenido en este proyecto no se le ha practicado ningún método de
purificación sus propiedades son comparables cuali y cuantitativamente únicamente con
la peculiar goma industrial de alimentos, xantana. Ambos hidrocoloides a
concentraciones bajas presentan elevadas viscosidades, que para el caso de la goma
industrial la han mantenido con gran demanda en el mercado de los aditivos de
alimentos (Glicksman, 1984; Díaz et al., 2004).

IV.3.1.1.2. Ajustes a modelos matemáticos de las curvas de viscosidad

Numerosos factores influyen en la selección del modelo reológico empleado para

describir el comportamiento al flujo de un fluido particular. Muchos modelos, en
adición al de la ley de la potencia, plásticos Bingham, Herschel-Bulkley han sido

77
utilizados para representar el comportamiento del flujo de fluidos no-Newtonianos
(Steffe, 1996).

Los modelos que mejor ajustan el comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide de

Opuntia spinulifera fueron en primer lugar, el modelo de Cross (Cross et al., 1965) para
las concentraciones de 0.5, 1.5, 2.0 y 3.0 %, el cual es expresado por (1).

ap=(o)/(1{KC*}2)N) (1)

Donde:
ap = viscosidad aparente
o = viscosidad inicial
 = viscosidad límite
N = índice de comportamiento al flujo
K = índice de consistencia
 = velocidad de cizalla

Todas las dispersiones muestran comportamiento no Newtoniano reofluidificante o

pseudoplástico el cual se hace más pronunciado con el aumento de la concentración.

En segundo lugar el modelo de Bird-Carreau (2).

ap=(o)/(1KBC*M) (2)

Los parámetros involucrados en el modelo de Bird-Carreau son enunciados y

simbolizados de igual forma que en el de Cross, excepto por el índice de
comportamiento al flujo que aparece en este caso como “M”. El índice de consistencia
K se diferencia en cada modelo por el subíndice utilizado, C para Cross y CB para Bird-
Carreau. El significado físico de los parámetros es el mismo independientemente del
modelo, aunque la magnitud del valor sea diferente (Núñez et al., 2001).

El ajuste al modelo matemático de Cross sugiere una transición suave de la zona

Newtoniana a la zona pseudoplástica. Presenta la ventaja que cubre el comportamiento
pseudoplástico en todo el rango de velocidades de cizalla (bajas, medianas y altas)
(Steffe, 1996). La magnitud de la viscosidad del hidrocoloide de Opuntia spinulifera

78
calculada de acuerdo al modelo de Cross para el caso particular de la concentración al
3.0 % y 0.2 s1 de velocidad de cizalla fue de 1100 Pa.s. Mientras que Cárdenas et al.
(1997) empleando este mismo modelo para las curvas de viscosidad del hidrocoloide de
Opuntia ficus indica a diferentes concentraciones (5.8 a 0.5 %), determinan cerca de
300 Pa.s como el máximo valor para la viscosidad cuando la concentración de la
dispersión fue de 5.8 % y una velocidad de cizalla (0.2 s-1).

El modelo de Bird-Carreau, ha sido establecido para curvas de viscosidad donde los

valores inicial (o) y la viscosidad límite () esta última corresponde a la viscosidad
del solvente, representan acertadamente el comportamiento viscoso real de la disolución
biopolimérica. Este modelo es útil cuando la transición de la zona Newtoniana a la zona
de pseudoplasticidad es brusca, esta característica es particular de la dispersión al 1.0 %
de hidrocoloide de Opuntia spinulifera confirmándose con la respuesta del mejor ajuste
con Bird-Carreau por encima del modelo de Cross (Núñez et al., 2001).

El índice de comportamiento al flujo es una magnitud adimensional que toma valores

entre cero y la unidad para indicar la pseudoplasticidad y para valores >1, la dilatancia;
se tiene que a medida que su valor disminuye, la solución se adelgaza más con la
agitación (Steffe, 1996). Los valores que emitió el reómetro respecto a este parámetro,
estuvieron en el rango de 0.7667-0.9072 (Cross) y de 0.581-0.833 (Bird-Carreau). Por
lo que todas las dispersiones del hidrocoloide estudiadas son fluidos no Newtonianos
(N<1) y que dicho comportamiento disminuye con el incremento de concentración. El
modelo de Bird-Carreau resultó limitado en su interpretación general, debido a los
valores negativos que arrojó en el índice de consistencia (K) para el caso de las
dispersiones al 2.0 y 3.0 %, es decir no se conoce la interpretación física de los valores
negativos.

Se tiene una fuerte tendencia que a mayor concentración, mayor agregación (Cárdenas
et al., 1997). Esto debe tomarse en cuenta si se desea considerar usos en la industria,
para cuando se prefieren viscosidades extremas o no.

IV.3.1.2. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide respecto al de gomas de

empleo en alimentos

79
Se observó que el hidrocoloide de Opuntia spinulifera tuvo el mismo comportamiento
pseudoplástico presentado por xantana; mientras que la pectina cítrica presentó un
comportamiento Newtoniano y exhibió viscosidades en tres órdenes de magnitud
inferiores (7.5 Pa.s) a las de xantana (17,034.7 Pa.s) e hidrocoloide de Opuntia
spinulifera (12,241.6 Pa.s). Respecto al hidrocoloide de Opuntia ficus indica verdura,
sus valores de viscosidad son inferiores a los alcanzados para dispersiones de Opuntia
spinulifera o bien xantana, cuando se comparó a la misma o mayor concentración.
Xantana es una goma utilizada como aditivo, gracias a sus altas viscosidades en
disoluciones, por lo tanto el hidrocoloide de Opuntia spinulifera al obtener valores
cercanos a los de xantana puede presentar el mismo potencial de uso que dicha goma
comercial.

IV.3.1.3. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de pH y

concentración

El efecto de pH (4.0, 7.0 y 10.0) en curvas de viscosidad de dispersiones del

hidrocoloide preparadas, mostró que no existen cambios importantes de la viscosidad
debidos al pH en los valores estudiados, solo prevalecen los cambios anteriormente
identificados debidos al incremento de concentración. La(s) estructura(s) química(s) del
hidrocoloide de Opuntia spinulifera pareciera(n) no presentar grupos ionizables, aunque
esto se opone a su naturaleza ácida demostrada (ácido monoprótico débil con presencia
de grupos carboxilos de ácidos urónicos y otros), debido a que tiende a comportarse
como un hidrocoloide sin cargas, que no permite cambios en las interacciones de sus
estructuras cuando el medio cambia su pH. En este sentido, de la comparación con
xantana puede considerarse una explicación factible. La goma xantana es considerada
un polielectrolito del ácido D-glucurónico en sus cadenas laterales, se estructura
conformando 5 pliegues helicoidales en torno a un eje que esconden los grupos
ionizables del glucurónico, resistiendo así los cambios en la viscosidad frente al pH
(Glicksman, 1982). Un argumento adicional para el poco efecto de pH en la viscosidad
del hidrocoloide de Opuntia spinulifera, quedo establecido con el valor porcentual de
acidez total determinado (0.469), muy bajo si se compara con el carácter ácido
expresado en términos de ácidos urónicos (9.14 %), sugiriendo que los grupos
ionizables deben permanecer también protegidos.

80
Medina et al. (2000) por su parte, han realizado curvas de viscosidad en función del pH
para el hidrocoloide de Opuntia ficus indica en dispersiones al 5.0 % (p/p) y han
determinado una dependencia de la viscosidad con el pH, no lineal de tipo sigmoidal,
siendo que a mayor pH mayor viscosidad. Justifican este efecto al suponer que, se están
ionizando los grupos carboxilos del hidrocoloide a un pH mayor de 7 por lo que los
carboxilatos deben ser los responsables del incremento en viscosidad. En este caso se
puede suponer una conformación del hidrocoloide de Opuntia ficus indica diferente al
de Opuntia spinulifera, por sus grupos ionizables más expuestos.

IV.3.1.4. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la

temperatura

La viscosidad en los fluidos generalmente presenta gran dependencia con la

temperatura. El comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide de Opuntia
spinulifera vs la temperatura (3.0 % (p/p) y T= 15 (288.15 K), 25 (298.15 K), 37
(310.15 K), 40 (313.15 K), 55 (328.15 K) oC) (Figura 16), evidenció que los cambios en
la viscosidad no son importantes en el amplio intervalo ensayado de 40 oC. Nuevamente
como en el caso del efecto del pH, el hidrocoloide presenta un amortiguamiento de los
cambios en viscosidad frente a un amplio rango de temperatura, característica que en la
mayoría de los procesos industriales se pretende, por evitar los cambios no deseables en
la calidad del producto (Muller, 1973; Díaz et al., 2004).

La magnitud de la viscosidad evaluada a las diferentes temperaturas (a valores

constantes de velocidad de cizalla) en el rango ensayado varió entre 20.6 y 33.7 %
referidos al mayor valor.
En el área de alimentos procesados, la energía de activación del flujo viscoso de un
sistema disperso es un parámetro que frecuentemente se toma en cuenta, debido a su
implicación en los costos para trasladar los ingredientes de un alimento durante el
proceso o incluso el transporte del mismo alimento ya sea empleando bandas o
utilizando bombas (Núñez et al., 2001).

La energía de activación del flujo viscoso de un sistema disperso, se define como la

cantidad de energía requerida para que fluyan las moléculas de 1 mol de una sustancia a

81
una temperatura específica; para efectuar este cálculo generalmente se emplea la
ecuación de Arrhenius (3),

K=Ae-Ea/RT (3)

Donde,
A = constante, físicamente se asocia a la viscosidad inicial (o)
R = constante ideal de los gases
K = valor de la viscosidad aparente
T = temperatura absoluta

Valores grandes de E a indican un cambio más rápido en la viscosidad con la

temperatura (Steffe, 1996). La miel, es un claro ejemplo de sustancia con un valor muy
alto de E a siendo éste de 21 801 cal/(g-mol-K) a 300 K, mientras que un puré de pera
presenta un valor de 1900 cal/g-mol-K.

Aunque dicha expresión ha sido establecida para viscosidades dependientes de las

temperaturas de las sustancias Newtonianas, es práctica común aplicarla a las de tipo
no-Newtoniano. Así Medina et al. (2000) han determinado la energía de activación
mediante la ecuación de Arrhenius, para el hidrocoloide de Opuntia ficus indica, a
concentraciones de 3, 5 y 10 % (p/p), en un rango de 5 a 70 oC. Los valores calculados
por ellos fueron de 1.28, 1.16 y 1.32 kcal/mol-K para las tres concentraciones
estudiadas respectivamente.

En este trabajo, al aplicar la ecuación de Arrenhius para el hidrocoloide de Opuntia

spinulifera en el caso de la dispersión al 3.0 % (p/p) se determina un valor de E a de
1.3437 kcal/mol-K, valor cercano al reportado por Medina et al. para el hidrocoloide de
Opuntia ficus indica a la concentración del 10 % (considerando métodos distintos de
extracción).

82
Como parte de las aportaciones de este trabajo, se realizó un ajuste matemático
adicional para contrastar con la ecuación de Arrhenius, para el comportamiento no
Newtoniano de tipo pseudoplástico del hidrocoloide de Opuntia spinulifera.

La ecuación de Lorentz (4),

 = A + Be^(C/RT) (4)

presentó un buen ajuste del comportamiento de la viscosidad en función de la

temperatura, para una velocidad de cizalla determinada y queda expresada mediante (5),

 = 31.5895237 + 15.12011e^(1/Tx9.1857E-5) (5)

con una aproximación de r2 = 0.9548; esto se aprecia en la Figura 20, donde también se
anexa una buena aproximación a una función polinomial más simple (segundo orden).

4400

4200
Lineal
Lorentz
4000 Exponencial de crcimiento
viscosidad (Pa.s)

3800

3600

3400

3200

3000
0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035
1/T (1/K)

Figura 19. Ecuación de Lorentz aplicada al efecto de temperatura en curvas de

viscosidad para dispersiones de hidrocoloide de Opuntia spinulifera al 3.0 % (p/p).

83
Es apreciable que a diferencia de la ecuación de Arrhenius en la que la E a se calcula en
base a la pendiente (constante), para el caso particular de la ecuación de Lorentz no se
puede definir un solo valor de E a , dado que a cada par de coordenadas (1/T, In )

corresponde un valor diferente de E a .

Nuevamente es útil considerar a la goma xantana que se distingue de otras gomas de uso
en alimentos por mostrar gran estabilidad en su viscosidad respecto a la temperatura
(Kang y Pettitt, 1983; Rajinder, 1995).

Esta propiedad se atribuye una vez más a su estructura bastante estable, cuya
conformación presenta alineamiento estrecho de las cadenas laterales al esqueleto de -
1,4-glucana, dando una rígida conformación molecular que parece permitir un alto
grado de interacciones entre las cadenas del biopolímero y manifestando por
consiguiente su alta estabilidad al calor y condiciones ácidas y/o básicas (Glicksman,
1982). Aunque no se tienen suficientes argumentos para evidenciar la o las estructuras
del hidrocoloide de Opuntia spinulifera, es claro que resulta útil y pertinente considerar
los avances que se tienen en la estructura de xantana, dadas las similitudes encontradas
en este trabajo para el comportamiento físico del hidrocoloide, sugiriéndose como una
buena referencia.

El papel biológico de la goma xantana en el microorganismo (Xantomonas sp.) y el

respectivo hidrocoloide en la planta (Opuntia sp.) podrían tener equivalencias luego de
reconocer en este trabajo varias similitudes, lo cual merece investigación futura.

IV.3.1.5. Comportamiento de la viscosidad del hidrocoloide en función de la fuerza

iónica

Estudiar la fuerza iónica en dispersiones del hidrocoloide y su viscosidad resulta

doblemente importante. Además de evaluar decrementos o incrementos en el valor de la
viscosidad, como atributos que se deben conocer si se contemplan aplicaciones hacia la
industria de alimentos, también está la información que se puede obtener sobre la
estructura polielectrolita del hidrocoloide.

84
La fuerza iónica (I) expresada por la ecuación (6), es una medida de la concentración de
las cargas eléctricas y del número existente de éstas, aportados por una sal al medio
(Voet y Voet, 1995).

I= ½(mq) (6)

El efecto de la I en curvas de viscosidad de las dispersiones de hidrocoloide de Opuntia

spinulifera al 1.5 % (p/p), con diferentes cloruros (Na+, K+, Ca+2, Cu+2 y Fe+2) además
del Na2CO3, y todos a una fuerza iónica de 0.05 M (Figura 17).

Entre los cationes estudiados se diferenciaron dos grupos de efectores, los efectores de
decremento e incremento. En el primer grupo están los cationes divalentes Fe+2 y Cu+2,
que mostraron disminución de 62.6 y 28.1 % de la viscosidad del hidrocoloide de
Opuntia spinulifera (respecto al control sin iones) respectivamente, para una velocidad
de cizalla de 126 s-1; sin embargo, Ca+2 que también es divalente mostró un ligero
incremento de la viscosidad de 10.0 %, comportándose de igual manera que el otro
grupo de iones (efectores de incremento).

La adición de cationes monovalentes a la dispersión de hidrocoloide, como K+ y Na+,

incluso el sodio en cualquiera de sus formas (como cloruro o carbonato) se observó que
incrementaron la viscosidad en un 10.4 % en promedio 10.4 % ±0.9192. Al parecer el
anión de la sal de sodio (cloruro o carbonato) no presenta efecto en la viscosidad, lo
cual era de esperarse para la naturaleza polianiónica del hidrocoloide.

Las explicaciones basadas en el efecto del radio iónico para los cambios de viscosidad,
no logran integrar los dos efectos, pues K+ y Ca+2 con radio diferente logran aumentar la
viscosidad en igual magnitud. El número de cargas soportadas en el ión tampoco aclara
en la totalidad tales efectos, pues mientras Ca+2 aumenta la viscosidad (10 %), Fe+2 y
Cu+2 la disminuyen significativamente (62.6 y 28.1 %). Fe+2 y Cu+2 pueden estar
interactuando con las especies del hidrocoloide, adelgazando el sistema
(reofluidificación).

85
La explicación más lógica puede estar en términos de los electrones de enlaces de
valencia. Así Na+, K+ y Ca+2 con orbitales “s” para sus electrones de valencia, pueden
tener interacciones o enlaces a este nivel con el hidrocoloide y explicar el espesamiento
que manifiesta el sistema (tal vez, desenmarañándolo, disgregándolo, dispersándolo o
liberándolo de sí mismo, a cadenas libres), mientras Fe+2 y Cu+2 con electrones de
valencia en orbitales “d” establece enlaces o interacciones con el hidrocoloide para dar
el efecto de adelgazamiento (quizás ayudando a enrollarse en sí mismo). Este enfoque
en la actualidad no ha sido reportado en la literatura y merece investigación minuciosa
posterior.

Sin embargo, una afirmación válida que se desprende para el hidrocoloide de Opuntia
spinulifera es que se trata de un polielectrolito de carga negativa, dadas las
modificaciones de la viscosidad frente a los cationes. Esto esta en acuerdo con lo
sugerido por Medina et al. (2000) para el hidrocoloide de Opuntia ficus indica, quienes
encuentran un efecto común de incrementar la viscosidad con los cationes Na+, K+, Ca+2
y Mg+2, siendo los divalentes los de mayor efecto.

Los resultados anteriores del efecto de cationes y los determinados en Opuntia

spinulifera se complementan y pueden quedar integrados en una discusión más amplia
que requiere investigación especial. Las explicaciones en torno a este efecto de cationes
sobre la viscosidad para el caso de xantana, no clarifican lo que posiblemente ocurre en
similitud con el hidrocoloide de Opuntia spinulifera. En esa goma, Ca+2 y Mg+2 no tiene
efecto, y el Na+ presenta efectos distintos a baja o alta concentración (Glicksman, 1982).

IV.4. Tensión superficial y actividad de agua

IV.4.1. Tensión superficial

La tensión superficial se define como la cantidad de energía que se requiere para

aumentar el área de una superficie en una unidad, cuando la temperatura es constante
(Lachman, 1970). Los valores de tensión superficial para dispersiones del hidrocoloide
de Opuntia spinulifera (42.2 hasta 52.23 mN/m para 0.5 a 3.0 % (p/p)) (Figura 18),
están por debajo del valor estimado para el agua (41.39 y 27.46 % respectivamente). Lo

86
cual se interpreta como menor presencia de interacciones intermoleculares que para el
caso del agua pura, (Lissant, 1974).

En la Figura 18, se muestra la tendencia de incremento de tensión superficial con la

concentración; sin embargo, existe un aumento del 16 % de interacciones medidas (por
el valor de TS) cuando la concentración de la dispersión cambia de 1.0 a 1.5 %, esta
observación es lo que puede argumentar el comportamiento distinto para la
concentración del 1.5 % frente a las demás en las diferentes determinaciones.

IV.4.2. Actividad de agua

El agua disponible puede modificar las propiedades reológicas y de textura, así como
las reacciones químicas, enzimáticas y microbiológicas de un alimento las cuales
pueden ser la causa principal de deterioro. La actividad de agua (a w), es el término que
se utiliza para referirse al agua libre (o congelable) y con base a su valor se puede
predecir la estabilidad del producto o sustancia que se analiza. La aw, se define como la
relación de la presión de vapor en equilibrio de la muestra (P), dividida entre la presión
de vapor en el equilibrio del agua pura (Po) a la misma temperatura y presenta valores
de cero a uno. La humedad relativa en equilibrio (HRE) es un parámetro muy recurrente
que se relaciona con la aw en la expresión (7),

HRE = 100 x aw (7)

Muchos hidrómetros registran HRE para la determinación de la aw. Los alimentos secos
generalmente no corren riesgo fácilmente de deteriorarse por crecimiento de
microorganismos, pues presentan valores bajos de aw (<0.6). Para el hidrocoloide de
Opuntia spinulifera, su aw determinada (aw es de 0.463), está por abajo (27.3 %) del
crítico para el desarrollo de microorganismos, por lo que se concluye que la harina
obtenida del hidrocoloide de Opuntia spinulifera es potencialmente estable frente a la
actividad microbiana del ambiente y por tanto fue suficiente haberla almacenado en un
desecador por más de un año.

87
 V.- PROPUESTA

Las aplicaciones del hidrocoloide de los cladodios de Opuntias (mucílago o

comúnmente denominado “baba de nopal”), no se extienden a la escala industrial y las
existentes a nivel doméstico se cimentan en conocimiento empírico. El estudio
desarrollado en este trabajo contribuye a revalorar al género Opuntia (nopal) como
fuente de obtención de este hidrocoloide. Más aún, el cultivo de dicha fuente (nopal) ha
sido siempre sub-aprovechado, a pesar de ser muy rentable y de contar con gran
diversidad de especies (más de doscientas registradas en el mundo, siendo unas 180
endémicas para México) para su selección y aprovechamiento. Con la nueva
metodología de extracción optimizada en materia prima seleccionada sobre parámetros
fisiológicos y de cultivo, y desarrollada en este trabajo, se propone a Opuntia
spinulifera como la de mayor contenido de hidrocoloide. El producto precipitado
presenta apariencia de largas hebras que reflejan alto peso molecular de sus
constituyentes, con un color blanquecino, que a bajas concentraciones no interfiere con
el color del medio donde se adiciona. Por otra parte, el hidrocoloide seco es un polvo de
color blanco aperlado de poco brillo que recuerda a las pectinas y con una baja actividad
del agua (aw) que lo protege del ataque de microorganismos. El hidrocoloide comprende
estructuras polisacáridas de carácter polianiónico, con escaso porcentaje de ácidos
urónicos, respecto a las pectinas, las cuales presentan la principal característica
funcional de formar geles estables. Sin embargo, transmite una propiedad espesante y
viscosa al medio acuoso, la que podría resultar de gran interés para la industria de
alimentos como una propuesta alternativa. En este contexto, se demostró la gran
semejanza con la valiosa goma industrial xantana, muy especialmente respecto a los
altos valores de viscosidad que alcanza a bajas concentraciones (< 3.0 %) y a la
estabilidad de la misma viscosidad frente a cambios de pH (4.0, 7.0 y 10.0) y de
temperatura (15-65 oC). El manejo de cationes efectores en la misma propiedad viscosa,
permiten proponer se realice amplio estudio en aplicación del área de alimentos y que
sin duda, por lo aquí demostrado conllevara a ser una interesante propuesta de
equivalencia funcional de xantana. La aplicación próxima recomendada para este
hidrocoloide es de estabilizante de emulsiones y suspensiones en el área de alimentos,
farmacia, cosmética, entre otras.

88
 VI. CONCLUSIONES

Se demostró que la Opuntia spinulifera endémica de México, bajo la selección de

ciertas características fisiológicas y de cultivo, es una fuente abundante de hidrocoloide
que supera otras especies y/o variedades. La extracción de su hidrocoloide, con el
método desarrollado de características simple y eficaz, proporciona un hidrocoloide de
atractivo interés funcional en la industria de aditivos de alimentos.

OTRAS APORTACIONES
1.- Establecimiento de un método de extracción para el hidrocoloide de cladodio de
Opuntia spinulifera eficaz (13.47 %), sencillo (molienda, extracción y precipitación) y
limpio (se utiliza solo un solvente de amplio uso en alimentos).
2.- Obtención de evidencias para la naturaleza química del hidrocoloide en su categoría
molecular, de lo cual se desprende la propuesta de una nueva denominación,
“hidrocoloide ácido no péctico” que precisa la identidad diferente con las pectinas
propias del mismo vegetal.
3.- Caracterización en la reología estática de dispersiones del hidrocoloide de cladodio
diferenciado de la Opuntia spinulifera y comparación con la goma industrial xantana,
respecto a la viscosidad equiparable, así como el análisis comentado del
comportamiento reológico y estructural entre ambos.
En la investigación mundial de las Opuntias, parénquima medular e hidrocoloide ácido
no péctico de cladodio las contribuciones son, los análisis químicos proximales de la
Opuntia spinulifera, parénquima medular de Opuntias e hidrocoloide de Opuntia.

89
 VII. BIBLIOGRAFÍA

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