Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
Hay muchas formas de crear, a partir de sustancias cotidianas, materiales poliméricos con las propiedades de lo que conocemos como “plástico”. Por ejemplo, se puede hacer un tipo de plástico con leche, con cáscaras de gambas o, como aquí vamos a ver, con almidón vegetal (de patatas, maíz, trigo, yuca…).
El plástico de almidón puede ser frágil o flexible; si se quiere que tenga esta última propiedad hay que añadir un plastificante. Es interesante obtener el material con y sin plastificante para compararlos.
El experimento
El experimento se puede hacer con almidón extraído de patata, maíz o arroz (molidos en un mortero en el que se habrá añadido un poco de agua) o con almidón comercial (de patata, maicena, tapioca…). Si se quiere hacer con patata, esta se ralla y se muele en un mortero con agua para que “suelte” el almidón.
En un vaso de precipitados de 150 mL se agregan unos 15 mL de agua (si es posible, destilada), aproximadamente 1,5 g de almidón y 2 mL de glicerina (glicerol, propano-1,2,3-triol, C3H8O3) (. Después se añade o bien 1 mL de vinagre blanco o bien 2 mL de HCl 0,1 M. (Incluso se podría usar zumo de limón, por su alto contenido en ácido cítrico, que además de aportar protones tiene propiedades plastificantes, aunque no tan buenas como las del glicerol).
Se revuelva la mezcla continuamente mientras se calienta lentamente a la llama de un mechero Bunsen o mediante placa calefactora con agitación automática. (Existe una variante del experimento en la que se usa un horno microondas). Se lleve la mezcla a ebullición suavemente. La mezcla será al principio de color blanco pero se irá haciendo translúcida e incluso transparente, espesándose al mismo tiempo. Lo que estará ocurriendo es que el almidón se estará hidrolizando y disolviendo. A medida que los gránulos de almidón se hinchan con el agua se va perdiendo la estructura semicristalina, lo que crea una pasta que es muy viscosa; el proceso se conoce como gelatinización.
Cuando el color blanco inicial del almidón haya desaparecido en gran parte o totalmente y la mezcla se haya espesado significativamente, se retira del fuego. (Si se sobrecalienta pueden comenzar a formarse grumos). El tiempo total de calentamiento es de aproximadamente 10 a 15 minutos. Ahora se puede añadir, si se desea, una gota de colorante alimentario y disolución de NaOH 0,1 M hasta pH neutro (unos 2 mL). (Si se emplea ácido acético la neutralización se podría omitir).
El producto obtenido se vierte lentamente en un plato o bandeja intentando eliminar los posibles grumos que hayan quedado así como las burbujas de aire. Debe dejarse secar completamente; probablemente tarde varios días. Para que el secado sea más rápido se puede meter en una estufa.
Fundamento
Los polisacáridos son polímeros cuyas unidades monoméricas son los monosacáridos o azúcares sencillos. Estos polisacáridos se forman por reacciones de condensación de los monómeros con pérdida de una molécula de agua entre cada dos monómeros unidos. Por ejemplo, en la siguiente figura se ve cómo se unen dos moléculas de glucosa para dar el correspondiente dímero (maltosa):
El enlace recuadrado en rojo se llama glicosídico 1 ® 4 porque la condensación se produce entre el OH del carbono 1 de una molécula con el OH del carbono 4 de la otra. Enseguida veremos que también son posibles los enlaces glicosídicos 1 ® 6.
La unión de muchas moléculas de glucosa mediante enlaces glicosídicos con pérdida de moléculas de agua forma el polisacárido que llamamos almidón. Muchos vegetales contienen almidón. Ahora bien, en una muestra de almidón vegetal hay en realidad dos tipos de polímeros: la amilosa, consistente en cadenas lineales en disposición helicoidal de monómeros de glucosa con enlaces 1 ® 4 entre los monómeros, y la amilopectina, que es una amilosa ramificada, estando las ramas unidades a la cadena principal por uniones glicosídicas 1 ® 6, por lo que su forma es más bien globular. En la siguiente figura se pueden ver las diferencias entre la amilosa y la amilopectina.
Las moléculas de amilosa y amilopectina se agregan en gránulos microscópicos. La diferencia entre los almidones de diferentes plantas es que tienen tamaños granulares específicos y diferentes proporciones de amilosa y amilopectina. Así, el almidón de tapioca tiene más amilopectina que el de patata o maíz. En general, los almidones vegetales contienen entre un 70 y un 85 % de amilopectina y el resto es amilosa. (El almidón de patata tiene aproximadamente un 18 % de amilosa; el de maíz, un 30 %; el de arroz puede llegar al 35 %).
Como se verá más abajo, el material plástico que se obtiene del almidón consiste básicamente en cadenas lineales que se unen entre sí por enlaces de hidrógeno y mantienen un cierto orden. La amilopectina, por su forma globular, tiene la tendencia a romper este orden y eso conduce a que el material que se obtiene sea quebradizo. Esa es la razón por la que el almidón se trate con un ácido, cuya acción consiste básicamente en quitarle las ramas a la amilopectina o, dicho de otro modo, cortarla en trozos lineales más pequeños. También se fragmenta la amilosa, con lo cual el peso molecular medio de las cadenas disminuye. La reacción se llama de hidrólisis ácida. La hidrólisis (“ruptura por agua”) es la introducción de moléculas de agua en los enlaces glicosídicos para romperlos. Es precisamente la reacción contraria a la de la polimerización de los azúcares vista más arriba (ejemplificada con la formación de la maltosa a partir de la glucosa). El principio de Le Châtelier explica fácilmente lo que sucede: al introducir un exceso de producto (H2O) en la reacción, el equilibrio se desplaza hacia los reactivos. En el almidón esto se traduce en la ruptura de algunos enlaces de las cadenas del polímero para dar cadenas más cortas (oligómeros) y sin ramificaciones.
La hidrólisis requiere de un catalizador ácido (es decir, que aporte protones) y para ello se puede emplear ácido clorhídrico, si bien la reacción se produce también con otros ácidos, como el acético. Una hidrólisis exhaustiva, realizada con un ácido muy concentrado, conduciría teóricamente a la ruptura de todos los enlaces glicosídicos, con lo que el producto final sería una simple disolución de glucosa. Pero si el ácido es débil o está poco concentrado, la hidrólisis será parcial, rompiéndose algunos enlaces y manteniéndose otros. Al final quedarán cadenas de amilosa y fragmentos de amilopectina con enlaces 1 ⟶ 4 y 1 ⟶ 6 mezclados, a lo que se le llama dextrina.
El siguiente esquema resume los procesos comentados.
Si el proceso se detiene en la formación de la dextrina, sus cadenas, que son lineales y no muy largas, se pueden alinear y unirse mediante enlaces de hidrógeno entre los grupos OH para crear un material bastante ordenado, semicristalizado, que por esa razón será frágil y quebradizo. Esta tendencia se ve facilitada por la salida de agua que se encuentra entre las macromoléculas.
Si se quiere que sea flexible hay que añadir un plastificante como el propanotriol (glicerina):
En realidad, el agua o algunos alcoholes simples actúan como plastificantes, pero tienen el inconveniente de su gran volatilidad. Es mejor usar un polialcohol como el glicerol, que gracias a sus tres grupos OH puede formar enlaces de hidrógeno con los OH de las cadenas de dextrina. Al introducirse entre las cadenas aleja a unas de otras y hace más difícil la cristalización. Al mismo tiempo, el propanotriol, por ser muy higroscópico, facilita la entrada de moléculas de agua entre las cadenas (que forman enlaces de hidrógeno con ellas) y estas moléculas de agua contribuyen también a dificultar la cristalización. Por todo ello, el material se hace menos cristalino y más flexible.
El material se puede obtener coloreado añadiendo un colorante hidrosoluble, como los alimentarios. Estos interaccionan muy bien con los grupos OH del almidón.
Al final del proceso de hidrólisis se puede añadir si se desea una base diluida (NaOH 0,1 M o bicarbonato) para neutralizar al ácido. Si se ha usado acético, este tratamiento reduciría el olor a vinagre.
El producto que se obtiene es un termoplástico, lo que significa que a temperaturas altas se vuelve deformable, para endurecerse de nuevo cuando se enfría.
Precauciones
No es un experimento peligroso porque el ácido y la base que se emplean son diluidos. En todo caso, hay que tener mucho cuidado con la dilución del HCl, que en las botellas comerciales está muy concentrado. Este riesgo es evitable si en vez de HCl se emplea ácido acético.
Referencias
- C. M. Knutson et al. Dyeing to Degrade: A Bioplastics Experiment for College and High School Classrooms. J. Chem. Educ., 2019, 96, 2565–2573. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00461.
- Making plastic from potato starch. Education (Royal Society of Chemistry / Nuffield Foundation). https://edu.rsc.org/experiments/making-plastic-from-potato-starch/1741.article.
- R. Harris et al. Make it and Break it: Bioplastics from Plant Starch with incorporation of Engineering Practices. Universidad de Minesota. Make-it-and-Break-it.pdf (umn.edu).
- Brandon121233. Make Potato Plastic! Instructables https://www.instructables.com/id/Make-Potato-Plastic!/.
- H. Sommerfeld y R- Blume. Biodegradable Films – Based on Partially Hydrolyzed Corn Starch or Potato Starch. J. Chem. Ed., 1992, 69. A151-A152. DOI: https://doi.org/10.1021/ed069pA151.
- M. K. Marichelvam et al.: Corn and Rice Starch-Based Bio-Plastics as Alternative Packaging Materials. Fibers 2019, 7. DOI: https://doi.org/10.3390/fib7040032.
Imágenes: cabecera: The Sun (YouTube); diferencias entre la amilosa y la amilopectina: adaptada de https://futurefoodchemist.weebly.com/amylose-or-amylopectin.html); formación de dextrina: adaptada de Knutson et al.
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/ .
