Ciencias Agropecuarias y de Alimentos

pj─2─aa Técnica de cultivo a partir de carboximetilcelulosa

  • Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
  • Área de participación: Ciencias Agropecuarias y de Alimentos
  • Asesor: MARISA CALLE MONROY
  • Equipo [ ]: Paola Villanueva Reyes() , Gisselle Shilho Castro Miramón() , Diana Liz Juanico Estrada(1o Tulum)

Resumen

La carboximetilcelulosa es un suplemento alimenticio utilizado en la elaboración de dulces y pan. Puede tener distintas presentaciones para su uso y actualmente se desconocen otros usos que se le pueden dar; recientemente un experimento chino ha cambiado esta última afirmación, revelando características muy peculiares de esta sustancia química simple. En el experimento gracias a la carboximetilcelulosa podemos cultivar en tierra infértil tomando en cuenta aquellas ventajas que nos proporciona este cultivo casero con ayuda de la solución alimenticia que nos permite obtener alimentos fácilmente aunque pueda tardar en germinar. Por lo que, podemos decir que para nuestro beneficio tenemos conocimiento de nuevas sustancias que realmente podrían cambiar el mundo de la agricultura. Principalmente la carboximetilcelulosa fue considerada como un producto ingerible con una textura viscosa que incluso se llega a decir que contiene glucosa lo que hace que el medio de cultivo tenga una reacción más rápida al crecer y así obtenemos fácilmente los vegetales o frutas que se cultivaron. Dentro del proyecto la carboximetilcelulosa  al ser manejada para el consumo en distintos productos resultó exitosa debido a que no contenía en su fórmula ninguna sustancia tóxica para la salud y el cuidado del medio ambiente. Después de haber desarrollado por completo nuestro experimento podemos decir que el material principal causó beneficios ante las poblaciones que carecían aquellos recursos económicos necesarios derivados del comercio para una calidad de vida adecuada que nos podría ayudar a mejorar la alimentación que se sufre hoy en día.

Pregunta de Investigación

¿Cómo cultivar sin dañar los demás cultivos con carboximetilcelulosa?

Planteamiento del Problema

En México y en otras partes del mundo existen miles de tierras las cuales son infértiles y gracias a la carboximetilcelulosa pueden volverse fértiles y tener la posibilidad de dar cultivos de mejor calidad y con un desarrollo completo, debido a los problemas ambientales, los constantes cambios de clima y la erosión del suelo, es común perder cosechas masivas que podrían utilizarse en la alimentación y la venta en México la cual es necesaria y cada vez más cara por la dificultad que hay de tener cultivos con un buen desarrollo sin que resulten de calidad para su consumo.

 

Antecedentes

 

Antecedentes

La celulosa es el más abundante de todos los materiales orgánicos, forma parte de los tejidos fibrosos de las plantas, está presente en vegetales y otros alimentos. La celulosa es soluble en agua, su solubilidad aumenta mediante tratamiento con álcalis que hincha la estructura, seguida por la reacción con ácido tricloroacético, cloruro de metilo u óxido de propileno produciendo la carboximetilcelulosa (CMC), hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) o hidroxipropilcelulosa (HPC).

Durante la Primera Guerra Mundial la CMC era usada como un sustituto potencial de la gelatina. Sin embargo, por problemas técnicos y altos costos de manufactura evitaron la comercialización del producto en aquella época. Posteriormente se encontró que la CMC mejoraba el lavado al usar detergentes que la contuvieran, evitando la redeposición de la suciedad en la ropa. Con la llegada de la Segunda Guerra Mundial, los materiales usados normalmente para hacer limpiadores naturales de ropa (como los ácidos grasos) fueron utilizados con fines bélicos, dando pie a una mayor utilización y auge de las gomas solubles en agua, renovándose así el interés en la fabricación de la CMC.

La primera aplicación alimenticia de la CMC se tuvo en los helados, cuyo éxito se debió en parte a la escasez de gelatina después de la Segunda Guerra Mundial. Para mediados de 1950, la CMC se estableció como un estabilizador de helados. A partir de esta fecha, además de usarse en alimentos, ha tenido gran auge en productos farmacéuticos, cosméticos, cementos, adhesivos y textiles.

aplicaciones de carboximetilcelulosa

Debido a su carácter hidrofílico, alta viscosidad en soluciones diluidas, buenas propiedades para formar películas, inocuidad y excelente comportamiento como coloide protector y adhesivo tiene diferentes aplicaciones industriales y de acuerdo al grado de pureza.

La goma Carboximetilcelulosa (CMC) es un hidrocoloide de gran utilidad en la industria de alimentos. Por su transparencia, viscosidad y tolerancia a medios ácidos se emplea en muchos productos, dentro de los más destacados se encuentran

  • Productos lácteos congelados
  • Panificación, pasteles y pastas
  • Dulces
  • Bebidas de frutas o sabores
  • Bebidas en polvo
  • Leches saborizadas
  • Cosméticos y cuidado personal
  • Industria química

La carga negativa de la CMC favorece el desarrollo de sus características de viscosidad. Particularmente esto se ve influenciado en productos con presencia de proteína, por ejemplo, cuando se deshidrata y congela huevo la CMC estabiliza las proteínas o bien,  en productos lácteos ayuda a evitar la precipitación de la caseína.

Funciones

La CMC se obtiene al tratar la celulosa con álcalis y ácido acético monoclorado o su sal sódica.

Este tratamiento le otorga nuevas características a la celulosa como ser soluble en agua y actuar como estabilizante, emulsificante, agente de glaseado, agente endurecedor, espesante, humectante, agente de volumen. Por su diversidad de propiedades funcionales la Goma CMC es usada ampliamente en la industria alimenticia, química y farmacéutica.

En cuanto a sus características como emulsificante, este ingrediente ayuda a mantener de manera homogénea una mezcla de dos o más fases inmiscibles entre sí, por ejemplo agua y aceite presentes en un producto alimenticio.

Como agente de volumen este ingrediente favorece el incremento significativo del volumen en un producto, sin que su adición repercuta en gran medida en el valor calórico del alimento.

Nombre Químico y Estructura

  • Sal de sodio del éter carboximetílico de celulosa

La CMC también se puede encontrar comercialmente o en el etiquetado como goma celulosa, carboximetilcelulosa de sodio, INS 416, carboxi metil celulosa, carboximetilcelulosa de sodio (E466), CMC-Na, celulosa (E466), goma vegetal (466), goma CMC, goma (E466), sal sódica (466), sal de sodio del éter carboximetílico de celulosa, carboximetilcelulosa sódica, CMC sódica, glicolato celulosa de sodio, goma celulosa, Na CMC.

Algunas características fisicoquímicas de relevancia

La Goma CMC es un hidrocoloide que desarrolla sus propiedades funcionales en frío, además de tener tolerancia ante los medios ácidos. Dependiendo del tratamiento químico a que se ha sometido,  se pueden obtener una gran variedad de viscosidades para este producto. Desde las muy bajas,  hasta viscosidades muy por encima de los demás hidrocoloides. Para el caso de alimentos regularmente se manejan dos niveles, baja viscosidad o CMC LV que tiene unos 300 cps, o bien de alta viscosidad o CMC HV que ronda por encima de las 2000 cps.

En formulación en el área de alimentos, comúnmente se emplean concentraciones menores al 1%. Es importante considerar que la CMC puede formar precipitados en presencia de caseína cuando se encuentra en un pH menor a 3 o mayor a 6.

En solución, la CMC tiende a formar dispersiones con un pH entre 6-8.5

Recomendaciones de uso

En general se recomienda verificar con cada fabricante, la funcionalidad buscada para así determinar el tipo de que mejor se adecúa a las características del producto a formular, debido a la amplia variedad de intervalos de viscosidad que posee este ingrediente.

En cuanto a sus aplicaciones, la CMC se utiliza en la industria de panificación para controlar la formación de los alvéolos en el pan en combinación con otras gomas como son la Goma de Xantano y la Goma Guar.

Uno de los principales usos de esta goma, es en alimentos lácteos congelados ya que provee de una sensación tersa y cuerpo en los productos, así como el control del tamaño de cristales y evita que se fundan rápido los helados.

En bebidas se utiliza en coordinación con la Goma de Xantano para ofrecer un perfil más agradable en cuanto al cuerpo, además de ayudar a suspender sólidos. En bebidas en polvo o instantanizadas, es un ingrediente clave para dar una sensación pulposa y favorecer a la preparación.

Se sugiere que para facilitar su hidratación, la incorporación sea paulatina además de realizar una pre-mezcla con los demás polvos de la formulación, principalmente con azúcar, al hacerlo se evitará la formación de grumos.

Para la CMC y otras celulosas modificadas no se ha especificado una Ingestión Diaria Aceptable (IDA) por el Comité de Expertos en Aditivos Alimentarios de la FAO/OMS (JECFA).

Legislación

Este ingrediente se encuentra aprobado por las siguientes entidades nacionales e internacionales:

  • Legislación Mexicana:
    • COFEPRIS: Acuerdo por el que se determinan los aditivos y coadyuvantes en alimentos, bebidas y suplementos alimenticios, su uso y disposiciones sanitarias.
  • Legislación de los Estados Unidos de Norteamérica:
    • FDA Code of Federal Regulations, Title 21, Part 182: Substances generally recognized as safe (GRAS), Sec 182.1745 Sodium carboxymethylcellulose.
    • Codificación asignada por la Sociedad Americana de Química: CAS 9004-32-4 www.cas.org.
  • Legislación de la Comunidad Europea:
    • Regulation (EC) No 1333/2008 of the European Parliament and of the Council of 16 December 2008 on Food additives.
    • Codificación en el etiquetado de la Comunidad Europea: E466, E-466
      Codificación por parte del Codex Alimentarius (FAO): Número SIN o número INS 466, 466

Principales países que están usando el ingrediente en sus nuevos productos:

  • Estados Unidos
  • China
  • Brasil
  • Canadá
  • España

La carboximetilcelulosa es un compuesto derivado de la celulosa, un polímero de la glucosa. Recibe también los nombres de goma de la celulosa o carmelosa. Puede presentarse en forma de sal sódica.

La carboximetilcelulosa es higroscópica y soluble en el agua, al contrario que la celulosa, la cual es insoluble en el agua. Tiene sustituidos algunos grupos –CH2OH de las moléculas de glucosa que forman la celulosa por grupos –CH2OCH2COOH. Esta sustitución le confiere  propiedades iónicas a su estructura.

Pero, ¿qué es la celulosa? Es un biopolímero formado exclusivamente de moléculas de β-glucosa, unidas mediante enlaces β-1,4-o-glucosídico. La celulosa presenta la fórmula (C6H10O5)n con un valor mínimo de 2000 para n. El polímero puede tener una estructura lineal o fibrosa, siendo el constituyente principal de la pared celular de los vegetales.

Su estructura compacta es impenetrable por el agua y por lo tanto, es insoluble en ella. A pesar de estar formada por glucosa, la celulosa no puede ser utilizada por los animales, ya que éstos carecen de la enzima celulasa para romper los enlaces β1,4-glucosídicos.

El grupo carboximetil unido a la celulosa le confiere a la carboximetilcelulosa una superficie con cargas negativas. Estas cargas permiten su uso en la técnica de cromatografía de intercambio iónico, funcionando como un intercambiador catiónico que se utiliza en la purificación de proteínas.

Debido a su propiedad hidrofílica, la carboximetilcelulosa es utilizada en el tratamiento de la resequedad ocular. Igualmente, debido a esta propiedad, ha sido usada en la fabricación de pañales y productos sanitarios de este tipo. Estas aplicaciones sirven de ejemplo de la lista enorme de usos y/o aplicaciones que tiene este compuesto.

Formula

RnOCH2-COOH

Aspecto Físico

Polvo color blanco. Carboximetilcelulosa sódica: partículas fibrosas de color blanco o lechoso.

Olor y Sabor

Inodora e insípida.

Solubilidad en agua

Es soluble (20 mg/mL).

Solubilidad en detergentes

Es insoluble en metanol, etanol, dietiléter, acetona, cloroformo y también en benceno.

punto de descomposición

274ºC.

Densidad

0,7 – 0,9 g/cm3.

Acidez

Es similar a la del ácido acético y su constante de disociación es 5 x 10-5.

Estructura

En la imagen superior se muestra la estructura de una unidad monomérica de carboximetilcelulosa. Nótese que el H de los grupos hidroxilos se encuentran substituidos por los grupos CH2COOH; excepto, el del grupo OH en el C-3. Es decir, de acuerdo a la imagen, el polímero no se halla completamente substituido.

Los grupos CH2COOH pueden desprotonarse y rodearse por atracción electrostáticas de cationes Na+: CH2COONa+. Es gracias a ellos que la carboximetilcelulosa es muy soluble en agua, pues es capaz de formar puentes de hidrógeno con ella (CH2COOH—OH2). Esta es la causa principal de su marcado carácter hidrofílico e higroscópico.

Asimismo, estos grupos son mucho más voluminosos que los hidroxilos, de manera que las propiedades fisicoquímicas del polímero cambian respecto a la celulosa original. Su gran tamaño impide la formación de puentes de hidrógeno internos, es decir, entre las cadenas monoméricas, dejando los anillos totalmente expuestos a las interacciones con el agua.

Por lo tanto, mientras mayor sea el grado de substitución de OH por CH2COOH, mayor será el carácter hidrofílico de la celulosa resultante. Microscópicamente puede que esta diferencia no sea muy evidente; pero en escalas macroscópicas, sería igual a poder disolver un bloque de madera en un contenedor con agua si tales substituciones ocurrieran en el acto.

Síntesis

Para la obtención de carboximetilcelulosa, a partir de fibras de celulosa, se sigue el procedimiento de Druvacell:

  1. A) Las fibras de celulosa se tratan con isopropanol y álcalis con el fin de producir su hinchamiento y la ionización de los grupos hidroxilos.
  2. B) Las fibras de celulosa del tratamiento anterior se alcalinizan adicionalmente mediante el tratamiento con NaOH, según la reacción siguiente:

RceOH + NaOH  => RceOH∙NaOH

  1. C) Las fibras de celulosa unida al NaOH reaccionar después con cloroacetato sódico, para producir así la carboximetilcelulosa sódica:

RceOH∙NaOH     +     ClCH2COONa => RceOCH2COONa+ +    NaCl    +    H2O

La unión del grupo COO a la celulosa para originar carboximeticlulosa la hace soluble en agua y más reactiva.

Usos

La carboximetilcelulosa tiene numerosos usos y aplicaciones debido a su carácter  hidrofílico y su capacidad para combinarse con numerosos compuestos. Entre sus usos están los siguientes.

Alimentos

-Se usa como espesante y estabilizante de los alimentos. Además, se utiliza como fibra dietética y emulsificante. Es utilizada en el batido de helados, cremas y natas, así como auxiliar en la formación de geles en gelatina y pudines.

-Se usa como agente de suspensión en jugos de frutas y como coloide protector en mayonesa. Asimismo se utiliza para cubrir la superficie de las frutas.

-Debido a que la carboximetilcelulosa no es metabolizada por el organismo, puede usarse por personas sometidas a una dieta baja en calorías.

medicina

-Las soluciones de carboximetilcelulosa forman geles utilizados en las cirugías del corazón, torácicas y de la córnea.

-En las operaciones del tórax, los pulmones son engrapados y recubiertos con una solución de carboximetilcelulosa. Esto con el fin de evitar las fugas del aire contenido en los alvéolos y la entrada de líquidos a los pulmones.

-En la rama de la ortopedia, se utiliza la carboximetilcelulosa en la lubricación de las articulaciones, especialmente en las muñecas, las rodillas y la cadera. Se inyecta la solución del polímero en las articulaciones para evitar la erosión, inflamación y la posible destrucción del cartílago.

-Se emplea en el tratamiento de la resequedad e irritación ocular. También se usa como un agente protector para evitar daños del globo ocular, tal como puede ocurrir en la colocación de los lentes de contacto.

-También se emplea la carboximetilcelulosa en el tratamiento de la constipación, favoreciendo la formación de las heces con la consistencia adecuada. Se emplea como laxante.

-Se ha usado una combinación de carboximetilcelulosa-heparina para la prevención de adhesión durante las cirugías.

Industria de construcción

-Actúa como agente estabilizador e hidrofílico en la mayor parte de las preparaciones de cemento y materiales para la construcción. Mejora la dispersión de la arena en el cemento, además aumenta la acción adhesiva del cemento.

-También se emplea como parte de los pegamentos de los papeles de tapicería.

en detergentes

El ramo de la industria que quizás tiene el mayor consumo de carboximetilcelulosa es en la elaboración de jabones y detergentes. Actúa como un agente inhibidor que impide que las grasas, retiradas de la superficie de las telas por los detergentes, vuelvan unirse a ellas.

Adhesivos

-Se emplea en la elaboración de adhesivos para el papel, ya que no lo mancha, no desprende olor y es removible. Esto lo hace ideal para su uso en la reparación de libros u otros materiales.

-También se ha probado en mezclas con almidón y fenol formaldehido para la elaboración de pegamentos que permitan la unión de láminas de madera.

Industria Vinicola

Se emplea para evitar la precipitación de las sales tartáricas presentes en el vino.

 

Industria papelera

-El recubrimiento con preparaciones de carboximetilcelulosa de los papeles y cartones encerados reduce el consumo de ceras. Asimismo, reduce el consumo de la tinta de impresión, produciendo como resultado superficies con mayor brillo. Además, la superficie del papel tiene mayor suavidad y mayor resistencia a las grasas.

-La carboximetilcelulosa mejora la unión entre las fibras de papel, mejorando su coloración. También se emplea como dispersante auxiliar en la extrusión de las fibras de las pasta de celulosa, evitando su floculación.

Agricultura

La carboximetilcelulosa actúa como un agente dispersante de los pesticidas. Además, se usa como pegamento para unir el insecticida a la superficie de las hojas de las plantas. En algunas ocasiones, se emplea como auxiliar en la degradación de algunos fertilizantes altamente contaminantes.

Cosméticos

Se emplea como espesante, estabilizador y formador de películas en cremas, lociones, champús y productos para el cuidado del cabello. Además, se utiliza en la elaboración de geles de uso en la limpieza dental.

Se utiliza en la elaboración de pinturas en base de aceites y barnices, actuando como un agente espesante y dispersante de los pigmentos en los fluidos.

plásticos

Se utiliza para aumentar la viscosidad del látex.

cerámica

Se usa para unir piezas de porcelana, ya que las soluciones de carboximetilcelulosa originan al hornearse pocas cenizas.

 

Objetivo

Emplear la técnica de cultivo con carboximetilcelulosa para tierras infértiles.

Justificación

La carboximetilcelulosa es un compuesto orgánico derivado de la celulosa compuesto por carboximetil enlazados con hidróxilo presente en polímeros de la glucopiranosa. Y tiene como principal uso ayudar en la elaboración de dulces y pan, este compuesto puede generar cultivos con la ventaja de que es seguro el crecimiento de estos, no es un insecticida y no daña el medio ambiente lo cual resulta eficiente para la cosecha de alimentos de consumo frecuente y escaso, como verduras, frutas, árboles, cereales y leguminosas, por el hecho de ser un producto con características especiales con la que demuestra una nueva función capaz de comenzar a producir una nueva solución eficiente en contra de todos los problemas de suelo que pueden tener los distintos cultivos de México.

Con el proyecto además de ayudar los demás cultivos, también ayuda a la economía de los campesinos y comerciantes ya que se produce sin dañar el ambiente y tenemos un método sencillo y seguro con el inicio de plantar y sembrar con carboximetilcelulosa.

Hipótesis

Si empleamos una técnica de cultivo con carboximetlicelulosa, entonces obtendremos cultivos en diferentes tipos de tierras y de mejor calidad.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales:

  • 100 gr de carboximetilcelulosa
  • 200 ml de agua
  • 2 a 3 semillas de lechuga o de otras
  • 1 kg de tierra infértil o arena
  • Maceta amplia
  • Luz calentadora (opcional)
  • 3 palas pequeñas
  • 3 pares de guantes

Procedimiento:

1.-Poner dentro de la maceta la tierra infértil o arena.

2.-Colocar dentro de la tierra o arena la semilla elegida.

3.-Agregar agua.

Solución de carboximetilcelulosa

1.-Agregar 150 ml de agua a un recipiente hondo.

2.- Al agua agregar 100gr de carboximetilcelulosa.

4.-Agregar a la tierra con agua y a la semilla la solución de carboximetilcelulosa.

5.- Todos los días agregar agua y solución de carboximetilcelulosa.

Galería Método

Resultados

Después de 12 días obtuvimos un brote de semilla de lechuga que mide aproximadamente 3.7 centímetros de alto, de hojas del lado izquierdo al derecho mide 4 cm y solo cuenta con 3 hojas que se posicionan 2 a la derecha y 1 a la izquierda, su color es verde claro y el tallo más oscuro.

Actualmente el brote se encuentra sano y no hemos registrado ningún tipo de plaga, por lo que la carboximetilcelulosa ha resultado eficiente para nuestro primer cultivo con este material.

Galería Resultados

Discusión

Aunque la carboximetilcelulosa fue de gran ayuda para el cultivo de la lechuga dentro de la tierra infertil, tuvimos que usar métodos para un cultivo normal, sin embargo el retardo del crecimiento fue a causa de las primeras lluvias ácidas del mes de febrero, el cambio repentino e temperatura de la mañana a la noche y además de que nuestra solución de carboximetilcelulosa no la elaboramos correctamente ni le aplicamos lo necesario al cultivo.

Conclusiones

La carboximetilcelulosa aunque no sea muy conocida, favorece el crecimiento rápido de cultivos en tierras que tampoco son muy famosas para cosechar en ellas.

Por lo cual este químico provee ventajas que podrían ayudar a la economía en México en el área alimenticia en el trabajo de los campesinos y en la producción a gran escala de cultivos por todo el territorio de tierra que influya en estos

Bibliografía

Lifeder, Carboximetilcelulosa: características, estructura, síntesis, usos, consultado el 23 de mayo del 2019 en: https://www.lifeder.com/carboximetilcelulosa/

Hablemos Claro, Carboximetilcelulosa (CMC), consultado el 23 de mayo del 2019 en: http://hablemosclaro.org/ingrepedia/carboximetilcelulosa-cmc/#1502293691178-e5ac3059-a00b

Quiminet, La carboximetilcelulosa y sus aplicaciones, consultado el 22 de mayo del 2019 en: https://www.quiminet.com/articulos/la-carboximetilcelulosa-y-sus-aplicaciones-16100.htm

Sidley Chem, carboximetilcelulosa propiedades, consultado el 24 de mayo del 2019 en: https://celluloseether.com/cmc-cellulose-application/

Chemical Food, carobximetilcelulosa (CMC), consultado el 24 de mayo del 2019 en: http://www.aechemicalfood.com/pdf_datasheet.php?products_id=14

Sercalia, CMC, Carboxi Metil Celulosa, consultado el 24 de mayo del 2019 en: https://www.sercalia.com/cmc-carboxi-metil-celulosa/

 



pj─2─aa Técnica de cultivo a partir de carboximetilcelulosa

Summary

Carboxymethylcellulose is a food supplement used in the production of sweets and bread. It can have different presentations for its use and currently other uses that can be given are unknown; recently a Chinese experiment has changed this last statement, revealing very peculiar characteristics of this simple chemical substance. In the experiment, thanks to the carboxymethylcellulose, we can grow in infertile soil taking into account the advantages that this homemade crop provides us with the help of the food solution that allows us to obtain food easily even though it may take time to germinate. So, we can say that for our benefit we have knowledge of new substances that could really change the world of agriculture. Carboxymethylcellulose was mainly considered as an ingestible product with a viscous texture that is even said to contain glucose which makes the culture medium have a faster reaction to grow and thus easily obtain the vegetables or fruits that were grown. Within the project, the carboxymethylcellulose to be handled for consumption in different products was successful because it did not contain in its formula any substance toxic to health and environmental care. After having fully developed our experiment we can say that the main material caused benefits to the populations that lacked the necessary economic resources derived from trade for an adequate quality of life that could help us to improve the diet that is suffered today.

 

Research Question

How cultivate without damaging the others crops with carboxymethylcellulose?

Problem approach

n Mexico and in the world, there are thousands of types of land which are infertile and have the possibility of giving crops of better quality and with a complete development.
Because of to environmental problems, constant climate changes and soil erosion, it is common to lose massive harvests, which could be used in food and sale in Mexico, which is necessary and increasingly expensive because of the difficulty of having crops with a good development without resulting in quality for consumption.

Background

Antecedentes

La celulosa es el más abundante de todos los materiales orgánicos, forma parte de los tejidos fibrosos de las plantas, está presente en vegetales y otros alimentos. La celulosa es soluble en agua, su solubilidad aumenta mediante tratamiento con álcalis que hincha la estructura, seguida por la reacción con ácido tricloroacético, cloruro de metilo u óxido de propileno produciendo la carboximetilcelulosa (CMC), hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) o hidroxipropilcelulosa (HPC).

Durante la Primera Guerra Mundial la CMC era usada como un sustituto potencial de la gelatina. Sin embargo, por problemas técnicos y altos costos de manufactura evitaron la comercialización del producto en aquella época. Posteriormente se encontró que la CMC mejoraba el lavado al usar detergentes que la contuvieran, evitando la redeposición de la suciedad en la ropa. Con la llegada de la Segunda Guerra Mundial, los materiales usados normalmente para hacer limpiadores naturales de ropa (como los ácidos grasos) fueron utilizados con fines bélicos, dando pie a una mayor utilización y auge de las gomas solubles en agua, renovándose así el interés en la fabricación de la CMC.

La primera aplicación alimenticia de la CMC se tuvo en los helados, cuyo éxito se debió en parte a la escasez de gelatina después de la Segunda Guerra Mundial. Para mediados de 1950, la CMC se estableció como un estabilizador de helados. A partir de esta fecha, además de usarse en alimentos, ha tenido gran auge en productos farmacéuticos, cosméticos, cementos, adhesivos y textiles.

aplicaciones de carboximetilcelulosa

Debido a su carácter hidrofílico, alta viscosidad en soluciones diluidas, buenas propiedades para formar películas, inocuidad y excelente comportamiento como coloide protector y adhesivo tiene diferentes aplicaciones industriales y de acuerdo al grado de pureza.

La goma Carboximetilcelulosa (CMC) es un hidrocoloide de gran utilidad en la industria de alimentos. Por su transparencia, viscosidad y tolerancia a medios ácidos se emplea en muchos productos, dentro de los más destacados se encuentran

  • Productos lácteos congelados
  • Panificación, pasteles y pastas
  • Dulces
  • Bebidas de frutas o sabores
  • Bebidas en polvo
  • Leches saborizadas
  • Cosméticos y cuidado personal
  • Industria química

La carga negativa de la CMC favorece el desarrollo de sus características de viscosidad. Particularmente esto se ve influenciado en productos con presencia de proteína, por ejemplo, cuando se deshidrata y congela huevo la CMC estabiliza las proteínas o bien,  en productos lácteos ayuda a evitar la precipitación de la caseína.

Funciones

La CMC se obtiene al tratar la celulosa con álcalis y ácido acético monoclorado o su sal sódica.

Este tratamiento le otorga nuevas características a la celulosa como ser soluble en agua y actuar como estabilizante, emulsificante, agente de glaseado, agente endurecedor, espesante, humectante, agente de volumen. Por su diversidad de propiedades funcionales la Goma CMC es usada ampliamente en la industria alimenticia, química y farmacéutica.

En cuanto a sus características como emulsificante, este ingrediente ayuda a mantener de manera homogénea una mezcla de dos o más fases inmiscibles entre sí, por ejemplo agua y aceite presentes en un producto alimenticio.

Como agente de volumen este ingrediente favorece el incremento significativo del volumen en un producto, sin que su adición repercuta en gran medida en el valor calórico del alimento.

Nombre Químico y Estructura

  • Sal de sodio del éter carboximetílico de celulosa

La CMC también se puede encontrar comercialmente o en el etiquetado como goma celulosa, carboximetilcelulosa de sodio, INS 416, carboxi metil celulosa, carboximetilcelulosa de sodio (E466), CMC-Na, celulosa (E466), goma vegetal (466), goma CMC, goma (E466), sal sódica (466), sal de sodio del éter carboximetílico de celulosa, carboximetilcelulosa sódica, CMC sódica, glicolato celulosa de sodio, goma celulosa, Na CMC.

Algunas características fisicoquímicas de relevancia

La Goma CMC es un hidrocoloide que desarrolla sus propiedades funcionales en frío, además de tener tolerancia ante los medios ácidos. Dependiendo del tratamiento químico a que se ha sometido,  se pueden obtener una gran variedad de viscosidades para este producto. Desde las muy bajas,  hasta viscosidades muy por encima de los demás hidrocoloides. Para el caso de alimentos regularmente se manejan dos niveles, baja viscosidad o CMC LV que tiene unos 300 cps, o bien de alta viscosidad o CMC HV que ronda por encima de las 2000 cps.

En formulación en el área de alimentos, comúnmente se emplean concentraciones menores al 1%. Es importante considerar que la CMC puede formar precipitados en presencia de caseína cuando se encuentra en un pH menor a 3 o mayor a 6.

En solución, la CMC tiende a formar dispersiones con un pH entre 6-8.5

Recomendaciones de uso

En general se recomienda verificar con cada fabricante, la funcionalidad buscada para así determinar el tipo de que mejor se adecúa a las características del producto a formular, debido a la amplia variedad de intervalos de viscosidad que posee este ingrediente.

En cuanto a sus aplicaciones, la CMC se utiliza en la industria de panificación para controlar la formación de los alvéolos en el pan en combinación con otras gomas como son la Goma de Xantano y la Goma Guar.

Uno de los principales usos de esta goma, es en alimentos lácteos congelados ya que provee de una sensación tersa y cuerpo en los productos, así como el control del tamaño de cristales y evita que se fundan rápido los helados.

En bebidas se utiliza en coordinación con la Goma de Xantano para ofrecer un perfil más agradable en cuanto al cuerpo, además de ayudar a suspender sólidos. En bebidas en polvo o instantanizadas, es un ingrediente clave para dar una sensación pulposa y favorecer a la preparación.

Se sugiere que para facilitar su hidratación, la incorporación sea paulatina además de realizar una pre-mezcla con los demás polvos de la formulación, principalmente con azúcar, al hacerlo se evitará la formación de grumos.

Para la CMC y otras celulosas modificadas no se ha especificado una Ingestión Diaria Aceptable (IDA) por el Comité de Expertos en Aditivos Alimentarios de la FAO/OMS (JECFA).

Legislación

Este ingrediente se encuentra aprobado por las siguientes entidades nacionales e internacionales:

  • Legislación Mexicana:
    • COFEPRIS: Acuerdo por el que se determinan los aditivos y coadyuvantes en alimentos, bebidas y suplementos alimenticios, su uso y disposiciones sanitarias.
  • Legislación de los Estados Unidos de Norteamérica:
    • FDA Code of Federal Regulations, Title 21, Part 182: Substances generally recognized as safe (GRAS), Sec 182.1745 Sodium carboxymethylcellulose.
    • Codificación asignada por la Sociedad Americana de Química: CAS 9004-32-4 www.cas.org.
  • Legislación de la Comunidad Europea:
    • Regulation (EC) No 1333/2008 of the European Parliament and of the Council of 16 December 2008 on Food additives.
    • Codificación en el etiquetado de la Comunidad Europea: E466, E-466
      Codificación por parte del Codex Alimentarius (FAO): Número SIN o número INS 466, 466

Principales países que están usando el ingrediente en sus nuevos productos:

  • Estados Unidos
  • China
  • Brasil
  • Canadá
  • España

La carboximetilcelulosa es un compuesto derivado de la celulosa, un polímero de la glucosa. Recibe también los nombres de goma de la celulosa o carmelosa. Puede presentarse en forma de sal sódica.

La carboximetilcelulosa es higroscópica y soluble en el agua, al contrario que la celulosa, la cual es insoluble en el agua. Tiene sustituidos algunos grupos –CH2OH de las moléculas de glucosa que forman la celulosa por grupos –CH2OCH2COOH. Esta sustitución le confiere  propiedades iónicas a su estructura.

Pero, ¿qué es la celulosa? Es un biopolímero formado exclusivamente de moléculas de β-glucosa, unidas mediante enlaces β-1,4-o-glucosídico. La celulosa presenta la fórmula (C6H10O5)n con un valor mínimo de 2000 para n. El polímero puede tener una estructura lineal o fibrosa, siendo el constituyente principal de la pared celular de los vegetales.

Su estructura compacta es impenetrable por el agua y por lo tanto, es insoluble en ella. A pesar de estar formada por glucosa, la celulosa no puede ser utilizada por los animales, ya que éstos carecen de la enzima celulasa para romper los enlaces β1,4-glucosídicos.

El grupo carboximetil unido a la celulosa le confiere a la carboximetilcelulosa una superficie con cargas negativas. Estas cargas permiten su uso en la técnica de cromatografía de intercambio iónico, funcionando como un intercambiador catiónico que se utiliza en la purificación de proteínas.

Debido a su propiedad hidrofílica, la carboximetilcelulosa es utilizada en el tratamiento de la resequedad ocular. Igualmente, debido a esta propiedad, ha sido usada en la fabricación de pañales y productos sanitarios de este tipo. Estas aplicaciones sirven de ejemplo de la lista enorme de usos y/o aplicaciones que tiene este compuesto.

Formula

RnOCH2-COOH

Aspecto Físico

Polvo color blanco. Carboximetilcelulosa sódica: partículas fibrosas de color blanco o lechoso.

Olor y Sabor

Inodora e insípida.

Solubilidad en agua

Es soluble (20 mg/mL).

Solubilidad en detergentes

Es insoluble en metanol, etanol, dietiléter, acetona, cloroformo y también en benceno.

punto de descomposición

274ºC.

Densidad

0,7 – 0,9 g/cm3.

Acidez

Es similar a la del ácido acético y su constante de disociación es 5 x 10-5.

Estructura

En la imagen superior se muestra la estructura de una unidad monomérica de carboximetilcelulosa. Nótese que el H de los grupos hidroxilos se encuentran substituidos por los grupos CH2COOH; excepto, el del grupo OH en el C-3. Es decir, de acuerdo a la imagen, el polímero no se halla completamente substituido.

Los grupos CH2COOH pueden desprotonarse y rodearse por atracción electrostáticas de cationes Na+: CH2COONa+. Es gracias a ellos que la carboximetilcelulosa es muy soluble en agua, pues es capaz de formar puentes de hidrógeno con ella (CH2COOH—OH2). Esta es la causa principal de su marcado carácter hidrofílico e higroscópico.

Asimismo, estos grupos son mucho más voluminosos que los hidroxilos, de manera que las propiedades fisicoquímicas del polímero cambian respecto a la celulosa original. Su gran tamaño impide la formación de puentes de hidrógeno internos, es decir, entre las cadenas monoméricas, dejando los anillos totalmente expuestos a las interacciones con el agua.

Por lo tanto, mientras mayor sea el grado de substitución de OH por CH2COOH, mayor será el carácter hidrofílico de la celulosa resultante. Microscópicamente puede que esta diferencia no sea muy evidente; pero en escalas macroscópicas, sería igual a poder disolver un bloque de madera en un contenedor con agua si tales substituciones ocurrieran en el acto.

Síntesis

Para la obtención de carboximetilcelulosa, a partir de fibras de celulosa, se sigue el procedimiento de Druvacell:

  1. A) Las fibras de celulosa se tratan con isopropanol y álcalis con el fin de producir su hinchamiento y la ionización de los grupos hidroxilos.
  2. B) Las fibras de celulosa del tratamiento anterior se alcalinizan adicionalmente mediante el tratamiento con NaOH, según la reacción siguiente:

RceOH + NaOH  => RceOH∙NaOH

  1. C) Las fibras de celulosa unida al NaOH reaccionar después con cloroacetato sódico, para producir así la carboximetilcelulosa sódica:

RceOH∙NaOH     +     ClCH2COONa => RceOCH2COONa+ +    NaCl    +    H2O

La unión del grupo COO a la celulosa para originar carboximeticlulosa la hace soluble en agua y más reactiva.

Usos

La carboximetilcelulosa tiene numerosos usos y aplicaciones debido a su carácter  hidrofílico y su capacidad para combinarse con numerosos compuestos. Entre sus usos están los siguientes.

Alimentos

-Se usa como espesante y estabilizante de los alimentos. Además, se utiliza como fibra dietética y emulsificante. Es utilizada en el batido de helados, cremas y natas, así como auxiliar en la formación de geles en gelatina y pudines.

-Se usa como agente de suspensión en jugos de frutas y como coloide protector en mayonesa. Asimismo se utiliza para cubrir la superficie de las frutas.

-Debido a que la carboximetilcelulosa no es metabolizada por el organismo, puede usarse por personas sometidas a una dieta baja en calorías.

medicina

-Las soluciones de carboximetilcelulosa forman geles utilizados en las cirugías del corazón, torácicas y de la córnea.

-En las operaciones del tórax, los pulmones son engrapados y recubiertos con una solución de carboximetilcelulosa. Esto con el fin de evitar las fugas del aire contenido en los alvéolos y la entrada de líquidos a los pulmones.

-En la rama de la ortopedia, se utiliza la carboximetilcelulosa en la lubricación de las articulaciones, especialmente en las muñecas, las rodillas y la cadera. Se inyecta la solución del polímero en las articulaciones para evitar la erosión, inflamación y la posible destrucción del cartílago.

-Se emplea en el tratamiento de la resequedad e irritación ocular. También se usa como un agente protector para evitar daños del globo ocular, tal como puede ocurrir en la colocación de los lentes de contacto.

-También se emplea la carboximetilcelulosa en el tratamiento de la constipación, favoreciendo la formación de las heces con la consistencia adecuada. Se emplea como laxante.

-Se ha usado una combinación de carboximetilcelulosa-heparina para la prevención de adhesión durante las cirugías.

Industria de construcción

-Actúa como agente estabilizador e hidrofílico en la mayor parte de las preparaciones de cemento y materiales para la construcción. Mejora la dispersión de la arena en el cemento, además aumenta la acción adhesiva del cemento.

-También se emplea como parte de los pegamentos de los papeles de tapicería.

en detergentes

El ramo de la industria que quizás tiene el mayor consumo de carboximetilcelulosa es en la elaboración de jabones y detergentes. Actúa como un agente inhibidor que impide que las grasas, retiradas de la superficie de las telas por los detergentes, vuelvan unirse a ellas.

Adhesivos

-Se emplea en la elaboración de adhesivos para el papel, ya que no lo mancha, no desprende olor y es removible. Esto lo hace ideal para su uso en la reparación de libros u otros materiales.

-También se ha probado en mezclas con almidón y fenol formaldehido para la elaboración de pegamentos que permitan la unión de láminas de madera.

Industria Vinicola

Se emplea para evitar la precipitación de las sales tartáricas presentes en el vino.

 

Industria papelera

-El recubrimiento con preparaciones de carboximetilcelulosa de los papeles y cartones encerados reduce el consumo de ceras. Asimismo, reduce el consumo de la tinta de impresión, produciendo como resultado superficies con mayor brillo. Además, la superficie del papel tiene mayor suavidad y mayor resistencia a las grasas.

-La carboximetilcelulosa mejora la unión entre las fibras de papel, mejorando su coloración. También se emplea como dispersante auxiliar en la extrusión de las fibras de las pasta de celulosa, evitando su floculación.

Agricultura

La carboximetilcelulosa actúa como un agente dispersante de los pesticidas. Además, se usa como pegamento para unir el insecticida a la superficie de las hojas de las plantas. En algunas ocasiones, se emplea como auxiliar en la degradación de algunos fertilizantes altamente contaminantes.

Cosméticos

Se emplea como espesante, estabilizador y formador de películas en cremas, lociones, champús y productos para el cuidado del cabello. Además, se utiliza en la elaboración de geles de uso en la limpieza dental.

Se utiliza en la elaboración de pinturas en base de aceites y barnices, actuando como un agente espesante y dispersante de los pigmentos en los fluidos.

plásticos

Se utiliza para aumentar la viscosidad del látex.

cerámica

Se usa para unir piezas de porcelana, ya que las soluciones de carboximetilcelulosa originan al hornearse pocas cenizas.

 

Objective

To employ the crop technique with carboxymethylcellulose for barren soils.

Justification

The carboxymethylcellulose is an organic compound derived from cellulose composed of carboxymethyl linked with hydroxide, polymers of glucopyranose and its main use is to help in the preparation of sweets and bread, this compound can generate crops with the advantage that it is safe to grow these, is not an insecticide and does not damage the environment, which makes it efficient for the harvest of foods of frequent and scarce consumption, such as vegetables, fruits, trees and various types of cereals and legumes.
Because it is a common product with special characteristics that demonstrate a new function, able of starting to produce an efficient solution against all the soil problems that different crops in Mexico can have.
With the project, in addition to helping other crops, also helps the economy of farmers and sellers, as it occurs, without harming the environment and we have simple and safe method of harvesting with the start of planting and seeding with carboxymethylcellulose .

Hypothesis

If we employ a technique of crop with carboxymethylcellulose, then we will get crops in different types of soil and with better quality.

Method (materials and procedure)

Materials

100 gr of carboxymethylcellulose

200 ml of water

2 or 3 seeds of lettuce (or others)

1 kg of sand or infertile soil

wide pot

heater light (optional)

3 small blade

3 pairs of gloves

Experiment

1.- Put into the pot the soil or the sand

2.- Into the soil the chosen seed

3.- Add water

Carboxymethylcellulose solution

1.- To a deep bowl add 150ml of water

2.-To the water add 100 gr of carboxymethylcellulose

4.- Add to the soil with water and the seed the carboxymethylcellulose solution

5.- Add every day water and the solution of carboxymethylcellulose.

Results

After 12 days, we obtained an sprout of lettuce seed that measures approximately 3.7 cm tall, leaves from the left side to the right measures 4 cm only has 3 leaves that are positioned 2 on the right and 1 on the left, its color is light green and is darker the stem.

Currently, the outbreak is healthy and we have not registered any type of pest, so the carboxymethylcellulose has been efficient for our first crop with this material.

 

Discussion

Although, carboxymethylcellulose was of great help for the cultivation of lettuce in the infertile soil, we had to use the methods for a normal crop, however the retardation of the growth was the cause of the first acid rains of the month of February, the sudden change of temperature from morning to night and besides that our solution of carboxymethylcellulose is not elaborated correctly nor we apply the necessary to the crop.

Conclusions

Carboxymethylcellulose, although not very well known, favors to the faster grow of crops in lands that are not very famous for harvesting in them.
Therefore, this chemical provides advantages that could help the economy in Mexico in the food area, in the work of the farmers and in the large-scale production of crops throughout the Mexican territory,  no matters the type of land that influences these.

Bibliography

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