116. Un plástico de la leche

Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo

Es muy fácil hacer plástico a partir de leche. Este material se puede moldear e incluso agregarle colorantes para obtenerlo del color deseado. También es posible endurecerlo mucho.

El experimento

El experimento se puede hacer calentando unos 50 mL de leche (puede estar pasada de fecha e incluso agria) a una temperatura de entre 50 y 60 ^oC, removiendo continuamente. Si se quiere, se le pueden añadir unas gotas de colorante alimentario.

Se retira del fuego y se le añaden 3 mL de vinagre o de zumo de limón, agitando. Se observará que aparecen coágulos. Hay que separarlos con la ayuda de un colador o embudo con papel de filtro y ponerlos sobre un paño con el objeto de retirarles la máxima humedad posible. Después se da forma al material con las manos o mediante un molde y se deja secar. El tiempo necesario para el secado variará mucho en función del espesor de la pieza, la temperatura ambiente y la humedad relativa del aire, pudiendo requerirse varios días.

Se puede repetir el experimento con distintas concentraciones de vinagre y a diferentes temperaturas para comprobar cuáles son las condiciones óptimas.

Complemento

Si se introduce este plástico en una disolución de formaldehído adquirirá una gran dureza, permitiendo incluso pulirse. Este material se llama galalita y es parecido al marfil. Antiguamente se hacían objetos con él, como botones o peines.

Explicación

La formación de un material parecido a los plásticos de uso cotidiano a partir de la leche ocurre por la precipitación a unos 50-60 ^oC de la proteína caseína como resultado de una reacción con ácidos como el ácido acético (CH₃COOH) contenido en el vinagre o el ácido cítrico contenido en el limón. Explicaremos a continuación por qué precipita la caseína.

Las proteínas son macromoléculas que contienen grupos químicos cagados positiva y negativamente. Dependiendo del pH las cargas de estos grupos pueden cambiar y, por lo tanto, alterarse la carga neta de la proteína. Por ejemplo, si se añade un ácido para bajar mucho el pH del medio en el que se halla la proteína, sus grupos NH y NH₂ tenderán a protonarse convirtiéndose en NH₂⁺ y NH₃⁺ respectivamente, lo que creará puntos de cargas positivas en la macromolécula. Sin embargo, si se añade una base pueden aparecer cargas negativas sobre átomos de oxígeno debido a la pérdida del H de los grupos OH. (En la caseína, que es una fosfoproteína, los grupos fosfato/fosfórico también ven afectada su carga por el pH). Hay un valor de pH propio de cada tipo de proteína para el que estadísticamente las cargas positivas y negativas se compensan. Se llama punto isoeléctrico.

La leche es un sistema coloidal bastante complejo basado en una fase acuosa (en la que están disueltos el azúcar lactosa, minerales y algunas proteínas solubles como la lactoglobulina, la lactoalbúmina y otras “proteínas del suero”) emulsionada con minúsculas gotas de grasa. Además, en dicha fase líquida están suspendidas otras materias minerales y proteínas, particularmente la caseína (o más propiamente caseínas, pues hay cuatro variedades de caseína en la leche; a_s1, a_s2, b y k), que representa aproximadamente el 80 % del contenido proteico de la leche.

Muchas moléculas de caseína (del orden de 10 000) se pueden asociar entre sí y con agregados de moléculas de fosfato de calcio para formar unas estructuras supramoleculares globulares llamadas micelas. En la imagen de la derecha puede verse una micela de caseína. Al pH natural de la leche, que es aproximadamente 6,6, una micela de caseína es muy estable. Su superficie presenta una carga negativa neta que le permite una buena interacción hidrofílica con el agua y la mantiene alejada de otras micelas por repulsión electrostática. Pero, cuando se añade un ácido, los protones que este aporta se unen a las cargas negativas, lo que permite a las micelas aproximarse entre sí. La repulsión se minimizará cuando se alcance el punto isoeléctrico de la caseína, que está en torno a 4,6.

La disminución del pH tiene otro efecto sobre las micelas aparte de su acercamiento físico: la solubilización parcial de los agregados de fosfato de calcio que hay en el interior de ellas y que ayudan a mantener su estructura. Esta pérdida de fosfatos libera proteínas de caseína, que salen fuera de la micela. En resumen, añadir ácido a la leche produce una alteración y, en cierto modo, un debilitamiento de la estructura de la micela.

Según se ha dicho más arriba, el experimento debe hacerse a unos 50-60 ^oC. Veamos por qué. Ya se ha mencionado que hay varios tipos de caseínas en las micelas. Pues bien, la más importante desde el punto de vista del comportamiento de estas estructuras supramoleculares es la k-caseína, cuyas cadenas se hallan en la superficie de la micela formando como “pelos” (ver la imagen esquemática de la derecha). Como es sabido, las cadenas proteínicas tienden a plegarse, plegamiento que se estabiliza por enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, etc. Un aumento de temperatura tiende a desplegar las cadenas moleculares de proteínas porque se incrementa la agitación térmica y se pueden vencer las interacciones que mantienen el plegamiento. Cuando ese ocurre se dice que la proteína se ha desnaturalizado. (Es lo que le sucede a la albúmina del huevo cuando se calienta). Si las cadenas de k-caseína de la superficie de una micela se despliegan por el calor, pueden interaccionar con las cadenas de k-caseína de otra micela. Contribuirán a la unión las llamadas interacciones hidrofóbicas, y estas se ven favorecidas con la temperatura. Por eso, el calor favorece el proceso de unión de las micelas, que forman agregados micelares. En la siguiente imagen pueden verse micelas de caseína a 40 ^oC a pH 5,5 (izquierda) y 4,8, notándose claramente cómo la disminución del pH produce su agregación:

Estos agregados micelares a su vez se agrupan entre sí, produciendo estructuras muy grandes que ya no tienen una buena interacción con el agua y precipitan. En términos comunes se dice que se ha producido una coagulación. Es el mismo proceso que ocurre en la fermentación láctica, en la que los microorganismos generan ácido láctico que produce una bajada de pH hasta el punto isoeléctrico de la caseína. Otro proceso análogo es el que se realiza en la India para elaborar un tipo de queso (o más bien de cuajada) con leche de vaca o búfala a la que le agregan zumo de limón. 

Por lo tanto, la rápida coagulación de la caseína cuando se añade el ácido se produce por el efecto combinado de la bajada del pH (que favorece el acercamiento de las micelas) y el calor (que aumenta la agitación térmica de las cadenas superficiales de la micela, lo que favorece que se desplieguen y se unan a otras por interacciones hidrofóbicas). No se debe elevar excesivamente la temperatura (la ideal es entre 50 y 60 ^oC) porque a temperaturas más altas empiezan a desnaturalizarse las proteínas del suero y a unirse covalentemente a la k-caseína de las micelas, produciendo cambios importantes en las características de estas micelas. Por otro lado, el pH ideal es el del punto isoeléctrico de la caseína (4,6). Un pH más alto no compensará suficientemente las cargas negativas de la micela y estas no se acercarán; un pH muy bajo dotará a las micelas de carga neta positiva y también tenderán a repelerse. 

El material bioplástico se obtiene separando la caseína coagulada del resto de la leche y vertiéndola en una bandeja o un molde. Después hay que esperar a que se seque. Si se ha utilizado vinagre y se quiere evitar el olor, puede funcionar sumergir la pieza muy brevemente en una disolución de NaOH muy diluida.

galalita

Se puede endurecer la pieza extraordinariamente introduciéndola en una disolución de formaldehído en agua al 4-5 %. Se obtiene así el llamado marfil artificial. Pero el proceso dura mucho tiempo porque hay que dejar que el formaldehído se introduzca dentro de la pieza. Lo que hace el formaldehído es reticular (entrelazar) las cadenas de proteínas, y esto da al material una consistencia mucho mayor. Esta imagen ejemplifica la reacción de reticulación por formaldehído (H₂C=O) entre dos cadenas de proteína:

Precauciones

Este experimento no es peligroso, pero hay que estar muy pendientes si se realiza con niños, ya que requiere el empleo de una placa calefactora u hornillo y la manipulación de sustancias calientes. Ahora bien, si se quiere obtener galalita añadiendo formaldehído, debe tenerse en cuenta que este producto es tóxico, por lo que debería trabajarse de modo que no se respiren sus vapores (por ejemplo, en campana extractora).

Referencias

• Sculpted Science. Turn Milk into Plastic! Scientifc American 2012. https://www.scientificamerican.com/article/bring-science-home-milk-plastic (vista en octubre de 2018).
• Mark T. Jefferson et al. Valorization of Sour Milk to Form Bioplastics: Friend or Foe?  J. Chem. Educ. 2020, 97, 1073–1076. DOI:  https://dx.doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00754.

D. J. McMahon et al. Microstructural changes in casein supramolecules during acidification of skim milk. J. Dairy Sci. 2009, 92, 5854–5867. DOI: 10.3168/jds.2009-2324.

Este experimento pertenece al libro:

Denís Paredes Roibás, José M.ª Gavira Vallejo: 125 experimentos de química insólita para la Enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/125eqi/ .