Estudio-del-comportamiento-viscoelastico-lineal-de-la-sal-de-sodio-de-gelana-de-alto-acilo-y-de-su-microestructura-en-presencia-de-contraiones-sodio

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN INGENIERÍA 
 Ingeniería Química – Bioingeniería 
 
 
 
 
 
 
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO LINEAL DE LA SAL DE SODIO DE 
GELANA DE ALTO ACILO Y DE SU MICROESTRUCTURA EN PRESENCIA DE 
CONTRAIONES SODIO 
 
 
 
TESIS 
QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: 
DOCTOR EN INGENIERÍA 
 
 
 
 
PRESENTA: 
M. en C. Emmanuel Flores Huicochea 
 
 
 
 
TUTOR PRINCIPAL 
Alberto Tecante Coronel, L-313, Facultad de Química “E”, UNAM 
COMITÉ TUTOR 
Adriana Inés Rodríguez Hernández, Instituto de Ciencias Agropecuarias, Universidad 
Autónoma del Estado de Hidalgo 
Teodoro Espinoza Solares, Universidad Autónoma Chapingo 
 
 
 
MÉXICO, D. F. ABRIL 2013 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
ii 
 
 
 
 
iii 
 
Índice de Tablas ...............................................................................................................vii 
Índice de Figuras ............................................................................................................... x 
1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1 
2 ANTECEDENTES ....................................................................................................... 3 
2.1 Origen y producción de gelana de alto acilo .............................................................. 3 
2.2 Estructura molecular de la gelana ............................................................................... 5 
2.3 Estudios previos ............................................................................................................. 8 
2.3.1 Definición de términos ...................................................................................................... 8 
2.3.2 Mecanismo de transición sol-gel ................................................................................... 10 
2.3.2.1 Gelana de bajo acilo (GBA) ....................................................................................... 11 
2.3.2.2 Gelana de alto acilo (GAA) ........................................................................................ 14 
2.3.3 Gelana de alto acilo (GAA). Revisión de literatura ...................................................... 16 
2.3.4 Determinación de la transición sol-gel ......................................................................... 24 
2.3.4.1 Métodos reológicos .................................................................................................... 24 
2.3.4.2 Calorimetría diferencial de barrido (DSC) ................................................................. 25 
2.3.5 Microestructura en biopolímeros .................................................................................. 26 
2.4 Aspectos importantes de la revisión bibliográfica .................................................. 29 
2.5 Reología ......................................................................................................................... 31 
2.5.1 Introducción ...................................................................................................................... 31 
2.5.2 Esfuerzo y deformación .................................................................................................. 35 
2.5.3 Pruebas oscilatorias ........................................................................................................ 37 
2.6 Análisis infrarrojo ......................................................................................................... 40 
2.7 Análisis térmico ............................................................................................................ 42 
2.8 Microscopía confocal láser ......................................................................................... 43 
2.9 Propiedades de polímeros en disolución diluida ..................................................... 46 
2.9.1 Flexibilidad molecular: parámetro B ............................................................................. 49 
iv 
 
3 PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN ..............................................................................51 
4 HIPÓTESIS Y OBJETIVOS ......................................................................................52 
4.1 Hipótesis de trabajo ..................................................................................................... 52 
4.2 Objetivo general............................................................................................................ 52 
4.3 Objetivos particulares .................................................................................................. 52 
5 MATERIALES Y TÉCNICAS EXPERIMENTALES..................................................54 
5.1 Materiales ...................................................................................................................... 54 
5.2 Composición proximal de la gelana ........................................................................... 54 
5.2.1 Humedad ........................................................................................................................... 54 
5.2.2 Cenizas .............................................................................................................................. 54 
5.2.3 Proteína total. Método de Kjeldahl ................................................................................ 54 
5.2.4 Proteína soluble. Método de Lowry ............................................................................... 56 
5.2.5 Extracto etéreo ................................................................................................................. 57 
5.2.6 Carbohidratos totales. Método de fenol-sulfúrico....................................................... 57 
5.3 Cuantificación del equivalente químico (eq) de gelana de alto acilo .................... 57 
5.4 Contenido de iones: absorción atómica ................................................................... 58 
5.5 Preparación de disoluciones de gelana .................................................................... 59 
5.6 Marcaje de la gelana de alto acilo con fluorocromo ................................................ 60 
5.7 Grado de sustitución (GS) de gelana marcada ......................................................... 60 
5.8 Intercambio iónico de gelana de alto acilo (GAA) .................................................... 61 
5.8.1 Acondicionamiento de resina de intercambio iónico IR120Na ................................. 61 
5.8.2 Intercambio iónico. Obtención de la sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+)
 63 
5.9 Análisis infrarrojo ......................................................................................................... 63 
5.10 Análisis Térmico ...................................................................................................... 64 
5.10.1 Análisis termogravimétrico (TGA) ............................................................................. 64 
v 
 
5.10.2 Calorimetría diferencial de barrido (DSC) ................................................................. 64 
5.11 Medición de viscosidad intrínseca ........................................................................65 
5.12 Flexibilidad molecular: Parámetro B ..................................................................... 67 
5.13 Métodos reológicos empleados ............................................................................. 68 
5.13.1 Curvas de flujo ............................................................................................................. 68 
5.13.2 Determinación de la región viscoelástica lineal ...................................................... 68 
5.13.3 Barridos de temperatura ............................................................................................. 68 
5.13.4 Barridos de frecuencia ................................................................................................ 69 
5.14 Microscopía confocal láser ..................................................................................... 69 
6 RESULTADOS-DISCUSIÓN ....................................................................................71 
6.1 Análisis de gelana de alto acilo y de la sal de sodio de gelana ............................. 71 
6.1.1 Análisis proximal ............................................................................................................. 71 
6.1.2 Absorción atómica ........................................................................................................... 72 
6.1.3 Análisis termogravimétrico ............................................................................................ 73 
6.1.4 Análisis de espectro infrarrojo....................................................................................... 75 
6.1.5 Equivalentes químicos y grado de sustitución con FITC........................................... 76 
6.2 Propiedades de gelana de alto acilo en dilución ...................................................... 77 
6.2.1 Curvas de flujo ................................................................................................................. 77 
6.2.2 Viscosidad intrínseca ...................................................................................................... 80 
6.2.3 Rigidez molecular: parámetro B y concentración crítica ........................................... 83 
6.3 Conclusiones para gelana de alto acilo .................................................................... 87 
6.4 Pruebas reológicas ...................................................................................................... 89 
6.4.1 Región viscoelástica lineal ............................................................................................. 89 
6.4.1.1 Gelana de alto acilo (GAA) ........................................................................................ 89 
6.4.1.2 Sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+)....................................................... 91 
6.4.2 Temperatura de transición.............................................................................................. 92 
6.4.2.1 Efecto de proteína en la sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+) ............... 92 
vi 
 
6.4.3 Gelana de alto acilo (GAA).............................................................................................. 97 
6.4.3.1 Iones monovalentes (Na+, K+). Barrido de temperatura .......................................... 97 
6.4.3.2 Iones divalentes (Ca2+, Mg2+). Barridos de temperatura ...................................... 103 
6.4.3.3 GAA sin iones. Método de la tangente delta ........................................................... 109 
6.4.4 Sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+) ......................................................... 115 
6.4.4.1 Iones monovalentes (Na+, K+). Barridos de temperatura ...................................... 115 
6.4.4.2 GAA-Na+ sin iones. Método de la tangente delta .................................................... 123 
6.4.5 Barridos de frecuencia .................................................................................................. 129 
6.4.5.1 Gelana de alto acilo (GAA) ...................................................................................... 129 
6.4.5.2 Sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+) ..................................................... 132 
6.5 Transición sol-gel por calorimetría diferencial de barrido (DSC) ........................ 135 
6.5.1 Gelana de alto acilo (GAA)............................................................................................ 135 
6.5.2 Sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+) ......................................................... 144 
6.6 Microestructura por microscopia confocal láser ................................................... 154 
6.7 Diagrama de transición sol-gel ................................................................................. 158 
7 CONCLUSIONES ....................................................................................................164 
8 Bibliografía .............................................................................................................166 
ANEXO 1. Datos de viscosidad intrínseca de gelana de alto acilo..........................177 
ANEXO 2. Análisis estadístico. Análisis de varianza de una vía .............................183 
ANEXO 3. Datos de calorimetría diferencial de barrido para gelana de alto acilo.
 .........................................................................................................................................191 
 
 
 
 
 
 
vii 
 
ÍNDICE DE TABLAS 
Tabla 1. Productos de gelana que comercializa la compañía CP Kelco; datos adaptados de 
CP Kelco (Kelco 2012). .................................................................................................................. 5 
Tabla 2. Datos de viscosidad intrínseca y peso molecular para la gelana de alto y bajo acilo. 7 
Tabla 3. Datos experimentales obtenidos por calorimetría diferencial de barrido para la sal de 
sodio de la gelana de alto acilo, a una concentración de 1% (p/p), en presencia de diferentes 
contenidos de sal. Temperatura de gelificación (Tg) y temperatura de fusión (Tm). (Mazen, 
Milas and Rinaudo 1999). ............................................................................................................ 18 
Tabla 4. Análisis del contenido de iones para gelana de alto acilo (GAA) y gelana de alto acilo 
filtrada (GAA-F). (Huang, et al. 2004). ........................................................................................ 20 
Tabla 5. Temperatura media de transición de disoluciones de GAA al 1% (p/p). (Huang, et al. 
2004) ............................................................................................................................................ 20 
Tabla 6. Propiedades fisicoquímicas de gelana de alto acilo a una concentración de 1% (p/p), 
con diferentes contenido de grupos acilo. (Noda et al., 2008). .................................................. 22 
Tabla 7. Efecto de cloruro de potasio y sodio en G’ a 20 ºC a una concentración de 1% (p/p), 
sobre las muestras GG1 y GG2 de GAA. Funami et al. (2009). ................................................ 24 
Tabla 8. Frecuencia de grupos funcionales orgánicos. .............................................................. 41 
Tabla 9. Condiciones utilizadas para la estimación del contenido de iones por absorción 
atómica. ........................................................................................................................................ 59 
Tabla 10. Composición proximal de GAA y GAA-Na+. .............................................................. 72 
Tabla 11. Contenido de iones en gelana de alto acilo: GAA y GAA-Na+. .................................. 73 
Tabla 12. Intervalo de temperatura de degradación de GAA, GAA-Na+ y GAA-Na+-FITC. ....... 74 
Tabla 13. Parámetros del modelo de Cross, para GAA y GAA-Na+. ......................................... 79 
Tabla 14. Datosde viscosidad intrínseca para las muestras de gelana de alto acilo. La 
concentración de gelana se estima con la técnica de carbohidratos totales ............................. 82 
Tabla 15. Datos concentrados de la viscosidad intrínseca para las muestras de gelana de alto 
acilo estudiadas. .......................................................................................................................... 83 
Tabla 16. Datos de B para las muestras de gelana analizadas en este trabajo. ....................... 84 
Tabla 17. Intervalos de concentración para la región diluida, semidiluida y concentrada de GAA 
y GAA-Na+. ................................................................................................................................... 88 
viii 
 
Tabla 18. Eliminación de proteína de gelana de alto acilo por medio de precipitación repetida.
 ...................................................................................................................................................... 92 
Tabla 19. Porcentaje de eliminación de proteína de gelana de alto acilo por centrifugación.... 93 
Tabla 20. Condiciones experimentales utilizadas para eliminar proteína de gelana de alto acilo 
usando papaína. .......................................................................................................................... 94 
Tabla 21. Métodos de eliminación de proteína ensayados en la gelana de alto acilo (GAA). .. 95 
Tabla 22. Temperaturas de gelificación (Tg) y temperaturas de fusión de gel (Tm) para 
disoluciones de gelana de alto acilo (GAA). Los valores sin subrayar fueron determinados a 
partir de barridos de temperatura y los valores subrayados fueron determinados a partir del 
incremento rápido de G’, en presencia de contraiones sodio y potasio. Tasa de calentamiento 
o enfriamiento de 3 ºC/min. Las desviaciones estándar de las temperaturas se encuentran 
dentro del intervalo de 0 a 0.5 ºC. ............................................................................................... 98 
Tabla 23. Temperaturas de gelificación (Tg) y fusión de gel (Tm) para disoluciones de gelana 
de alto acilo (GAA) en presencia de iones Ca2+ y Mg2+. Los valores sin subrayar, fueron 
determinados a partir de barridos de temperatura y los valores subrayados determinados a 
partir del incremento rápido de G’. La tasa de calentamiento o enfriamiento es de 3 ºC/min.
 .................................................................................................................................................... 105 
Tabla 24. Promedios totales de G’ a 20 ºC para GAA para iones Na+ y Ca2+. ........................ 108 
Tabla 25. Temperaturas de transición sol-gel estimadas con el método de la tangente () y los 
barridos de temperatura............................................................................................................. 114 
Tabla 26. Temperatura de gelificación (Tg) y temperatura de fusión de gel (Tm) para 
disoluciones de la sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+) en presencia de iones sodio. 
Los valores sin subrayar fueron determinados a partir de barridos de temperatura y los valores 
subrayados fueron estimados a partir del incremento rápido de G’. La tasa de calentamiento o 
enfriamiento fue 3 ºC/min. ......................................................................................................... 117 
Tabla 27. Temperatura de gelificación (Tg) y temperatura de fusión de gel (Tm) para algunas 
condiciones de sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+) en presencia de iones potasio 
(K+). Los valores sin subrayar fueron determinados a partir de barridos de temperatura y los 
valores subrayados fueron estimados a partir del incremento rápido de G’. La tasa de 
temperatura de calentamiento o enfriamiento fue 3 ºC/min. .................................................... 118 
Tabla 28. Promedios totales de G’ a 20 ºC para GAA-Na+....................................................... 122 
ix 
 
Tabla 29. Temperaturas de gelificación (Tg) obtenidas a partir de la tangente de delta (Tg1) y 
barridos de temperatura (Tg2) para GAA-Na+ en ausencia de iones. ....................................... 128 
Tabla 30. Datos de DSC en calentamiento y enfriamiento para gelana de alto acilo (GAA) en 
presencia de iones Na+. 1 y 0.6 % (p/p) GAA. .......................................................................... 141 
Tabla 31. Datos de DSC en calentamiento y enfriamiento para gelana de alto acilo (GAA) en 
presencia de iones Na+. 0.3 y 0.1% (p/p) GAA. ........................................................................ 142 
Tabla 32. Temperaturas promedio para la transición sol-gel de GAA-Na+ obtenidos por DSC, 
en presencia de iones Na+. Concentraciones de 1 y 0.6% (p/p). ............................................. 150 
Tabla 33. Temperaturas promedio para la transición sol-gel de GAA-Na+ obtenidos por DSC, 
en presencia de iones Na+. Concentraciones de 0.3 y 0.1% (p/p). .......................................... 151 
Tabla 34.Comparación del intervalo de temperaturas de transición sol-gel para GAA y 
GAA-Na+. .................................................................................................................................... 152 
Tabla 35. Comparación de entalpía de transición entre GAA y GAA-Na+. .............................. 152 
Tabla 36. Entalpía de transición para GAA y GAA-Na+, calculada a partir de las leyes límite 
propuesta por Manning (1972b). ............................................................................................... 162 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
x 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
Figura 1. Proceso de separación y recuperación de gelana (Kang et al. 1982). ......................... 4 
Figura 2. Estructura molecular de la gelana de alto acilo (GAA).................................................. 6 
Figura 3. Estructura molecular de la gelana de bajo acilo (GBA)................................................. 6 
Figura 4. Curvas típicas de G’ y G’’ versus frecuencia, para un sol (a), disolución entrelazada 
(b) y un gel (c). ............................................................................................................................... 9 
Figura 5. Mecanismo de gelificación de gelana.  Iones externos adicionados (Morris 1998). 13 
Figura 6. Modelo esquemático del mecanismo de gelificación para la gelana (Gunning y Morris 
1990, Morris 1998). ...................................................................................................................... 14 
Figura 7. Mecanismo de gelificación para la sal de sodio de la gelana de alto acilo, a) 
concentración menor de 19 mM NaCl. b) concentración entre 20-24 mM NaCl y c) 
concentración superior a 24 mM de NaCl. La concentración de gelana de alto acilo es 1%(p/p). 
(Goh, et al. 2006b). ...................................................................................................................... 15 
Figura 8. Modelos generados por computadora de una vuelta completa de doble hélice de a) 
gelana (sal de potasio), b) gelana nativa (sal de potasio), c) welana (sal de Ca2+) determinadas 
a partir de datos de análisis de Rayos X, y d) modelo estimado para S-657, basado en la 
estructura de la gelana. Los iones son mostrados como círculos cerrados. Las cadenas 
laterales y sustituyentes son sombreados para distinguir a estos de los átomos de la cadena 
principal. Las figuras en la base son la vista superior de las vistas laterales (Chandrasekaran y 
Radha 1995)................................................................................................................................. 16 
Figura 9. G’ y tan δ versus Temperatura, para disoluciones de gelana de alto acilo (1% (p/p)) 
en presencia de NaCl (100 mM). a) GG1 y b) GG6. ................................................................... 23 
Figura 10. Relación entreel contenido del grupo funcional glicerilo y la temperatura de 
transición para la GAA en ausencia de iones externos adicionados. La línea continua es una 
regresión lineal de los datos graficados (Morris, et al. 1996; Mazen, Milas, & Ri naudo, 1999; 
Kasapis, et al., 1999). .................................................................................................................. 29 
Figura 11. Campos de utilidad de la reología en los alimento. ................................................... 32 
Figura 12. Delimitación del campo de estudio de la reología. .................................................... 32 
Figura 13. Instrumentos reológicos divididos en las dos principales categorías: rotacionales y 
de tubo.......................................................................................................................................... 34 
xi 
 
Figura 14. Clasificación del reómetro de acuerdo a las condiciones de operación y tipo de 
esfuerzo durante las mediciones. ................................................................................................ 34 
Figura 15. Figuras representativas para la deformación y esfuerzo por tensión (a) y corte (b). 35 
Figura 16. Esfuerzos típicos en un elemento de material en un sistema de coordenadas 
cartesiano. a) sistema de coordenadas cartesiano, b) esfuerzos normales y c) esfuerzos de 
corte. ............................................................................................................................................. 37 
Figura 17. Sistema de microscopia confocal láser típico. ........................................................... 43 
Figura 18. Formación de la imagen en un microscopio confocal. .............................................. 44 
Figura 19. Estimación de la viscosidad intrínseca, símbolos datos experimentales y líneas 
calculadas a partir de las ecuaciones de Huggins (línea superior) y Kraemer (línea inferior). . 47 
Figura 20. Diagrama de flujo para la preparación de la resina de intercambio iónico. .............. 62 
Figura 21. Diagramas de flujo para la estimación de la viscosidad intrínseca variando la 
concentración. .............................................................................................................................. 66 
Figura 22. Viscosímetro capilar Cannon-Fenske utilizado para realizar las mediciones de 
viscosidad relativa. ....................................................................................................................... 67 
Figura 23. La imagen de la izquierda es la estructura del isocianato de fluoresceína (FITC) y la 
imagen de la derecha es el espectro de absorción y emisión de este mismo compuesto. ....... 70 
Figura 24. Perfil de peso y derivada de peso versus temperatura para la GAA. Las líneas 
verticales sólo son para referencia del inicio del proceso, el inicio de la pérdida de peso y el 
final del proceso de pérdida de peso........................................................................................... 74 
Figura 25. Derivada del porcentaje del peso versus temperatura para las muestras de gelana 
analizadas. ................................................................................................................................... 75 
Figura 26. Espectro infrarrojo para los tipos de gelana de alto acilo: número de onda versus % 
transmitancia. Las líneas verticales delimitan la región donde se observan los grupos 
funcionales que se encuentran en la muestra analizada. ........................................................... 76 
Figura 27. Curvas de flujo de gelana de alto acilo en ausencia de iones externos. Gráfica 
izquierda GAA y gráfica derecha GAA-Na+. Las líneas continuas representan la regresión con 
el modelo de Cross. ..................................................................................................................... 78 
Figura 28. Estimación de la viscosidad intrínseca para GAA a partir de las ecuaciones de 
Huggins y Kraemer en ausencia de iones adicionados. Los círculos vacíos y círculos llenos 
son datos para la regresión de Huggins y Kraemer, respectivamente. ...................................... 81 
xii 
 
Figura 29. Diagrama de viscosidad específica versus fracción de volumen ocupado. GAA 
figura izquierda y GAA-Na+ figura derecha. Círculos llenos representan ηo en la zona 
semidiluida y triángulos llenos representan ηo en la zona concentrada. ................................... 85 
Figura 30. Barrido de deformación para gelana de alto acilo (GAA) 0.3% (p/p) sin iones 
adicionados a varias temperaturas. Círculo lleno G’ y círculo vacío G’’ ................................. 6-89 
Figura 31. Barrido de deformación para gelana de alto acilo 1% (p/p), 10 mM KCl a varias 
temperaturas. Círculos llenos G’ y círculo vacío G’’. ............................................................... 6-89 
Figura 32. Barrido de deformación de gelana de alto acilo [1% (p/p)] con 6 mM MgCl2 de iones 
adicionados a varias temperaturas. Círculos llenos G’ y círculos vacíos G’’ ............................. 90 
Figura 33.Barridos de deformación a varias temperaturas para la sal de sodio de gelana de 
alto acilo en presencia de iones Na+. .......................................................................................... 91 
Figura 34. Barridos de temperatura para la gelana de alto acilo (GAA) en ausencia de iones. 
Símbolos llenos G' y símbolos vacíos G''. Cuadrados GAA y círculos GAA filtrada. a) 0.5% 
(p/p), b) 0.8% (p/p). Las flechas verticales indican las temperaturas de transición sol-gel. ...... 96 
Figura 35. Barridos de temperatura para gelana de alto acilo (GAA). A varias concentraciones 
y iones. a) 0.1% (p/p), 10 mM NaCl; b) 0.1% (p/p), 50 mM NaCl; c) 0.3% (p/p), 0 mM NaCl; d) 
0.3% (p/p), 50 mM NaCl. Velocidad de enfriamiento o calentamiento 3 ºC/min. G’ símbolos 
llenos, G’’ símbolos vacíos. Flechas a la izquierda indican la dirección del enfriamiento, flechas 
a la derecha indican la dirección del calentamiento. .................................................................. 99 
Figura 36. Barridos de temperatura para gelana de alto acilo (GAA) a varias concentraciones y 
iones. a) 0.6% (p/p), 0 mM NaCl; b) 0.6% (p/p), 50 mM NaCl; c) 1% (p/p), 0 mM NaCl; d) 1% 
(p/p), 30 mM NaCl. Velocidad de calentamiento o enfriamiento 3 ºC/min. G’ símbolos llenos, 
G’’ símbolos vacíos. Flechas a la izquierda indican la dirección del enfriamiento, flechas a la 
derecha indican la dirección del calentamiento ........................................................................ 100 
Figura 37. Valores de G’ a 25 ºC para gelana de alto acilo (GAA) en presencia de iones sodio.
 .................................................................................................................................................... 101 
Figura 38. Barridos de temperatura para gelana de alto acilo (GAA) a varias concentraciones 
de biopolímero y iones. a) 0.1% (p/p), 6 mM CaCl2; b) 0.1% (p/p), 20 mM CaCl2; c) 0.3% (p/p), 
2mM CaCl2; d) 0.3% (p/p), 20 mM CaCl2. Velocidad de enfriamiento o calentamiento 3 ºC/min. 
G’ símbolos llenos, G’’ símbolos vacíos. Flechas a la izquierda indican la dirección del 
enfriamiento, flechas a la derecha indican la dirección del calentamiento .............................. 106 
xiii 
 
Figura 39. Barridos de temperatura para gelana de alto acilo (GAA) a varias concentraciones 
de biopolímero y iones. a) 0.6% (p/p), 2 mM CaCl2; b) 0.6% (p/p), 20 mM CaCl2; c) 1% (p/p), 
2mM CaCl2; d) 1% (p/p), 20 mM CaCl2. Velocidad de enfriamiento o calentamiento 3 ºC/min. 
G’ símbolos llenos, G’’ símbolos vacíos. Flechas a la izquierda indican la dirección del 
enfriamiento, flechas a la derecha indican la dirección del calentamiento .............................. 107 
Figura 40. Valores del módulo de almacenamiento (G’) a 20 ºC para gelana de alto acilo (GAA) 
en presencia deiones calcio. .................................................................................................... 108 
Figura 41. Barridos de frecuencia a varias temperaturas para gelana de alto acilo (GAA) a una 
concentración de 0.6% (p/p) y en ausencia de iones externos. Círculos cerrados G’ y círculos 
abiertos G’’. Valor de desplazamiento vertical entre paréntesis............................................... 110 
Figura 42. Barridos de frecuencia a varias temperaturas para gelana de alto acilo (GAA) a una 
concentración de 0.1% (p/p) en ausencia de iones. Círculos cerrados G’ y círculos abiertos G’’. 
Valor de desplazamiento vertical entre paréntesis. .................................................................. 111 
Figura 43. Barridos de frecuencia a varias temperaturas para gelana de alto acilo (GAA) a una 
concentración de 0.25% (p/p) en ausencia de iones. Círculos cerrados G’ y círculos abiertos 
G’’. Valor de desplazamiento vertical entre paréntesis. ............................................................ 111 
Figura 44. Barridos de frecuencia a varias temperaturas para gelana de alto acilo (GAA) a una 
concentración de 1% (p/p) en ausencia de iones. Círculos cerrados G’ y círculos abiertos G’’. 
Valor de desplazamiento vertical entre paréntesis ................................................................... 112 
Figura 45. Estimación de la temperatura de transición (Tg) para la gelana de alto acilo (GAA) a 
varias concentraciones y en ausencia de iones externos. ....................................................... 113 
Figura 46. Estimación de la temperatura de transición (Tg) para gelana de alto acilo (GAA) a 
varias concentraciones y en ausencia de iones externos. ....................................................... 114 
Figura 47. Temperatura de transición (Tg) para GAA en ausencia de iones. Círculos llenos Tg 
obtenida por el método de la tangente de delta y círculos vacíos Tg obtenido por el método de 
barridos de temperatura............................................................................................................. 115 
Figura 48. Barridos de temperatura para la sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+) a 
varias concentraciones de biopolímero e iones. a) 0.1% (p/p), 0 mM, b) 0.1% (p/p) 200 mM 
Na+, c) 0.3% (p/p), 0% (p/p) mM Na+ y d) 0.3% (p/p), 200 mM Na+. ........................................ 119 
Figura 49. Barridos de temperatura para la sal de sodio de gelana de alto acilo (GAA-Na+) a 
varias concentraciones de biopolímero e iones. a) 0.6% (p/p), 0 mM Na+, b) 0.6% (p/p), 200 
mM Na+, c) 1% (p/p) 0 mM Na+ y d) 1% (p/p), 200 mM Na+. ................................................... 120 
xiv 
 
Figura 50. Valores del módulo de almacenamiento (G’) a 20 ºC para la sal de sodio de gelana 
de alto acilo (GAA-Na+) en presencia de iones sodio. .............................................................. 122 
Figura 51. Gráfica comparativa de los valores promedio del módulo almacenamiento para GAA 
y GAA-Na+ en presencia de iones Na+. ..................................................................................... 123 
Figura 52. Barrido de frecuencia para GAA-Na+ a 0.5% (p/p) sin iones a varias temperaturas.
 .................................................................................................................................................... 124 
Figura 53. Barrido de frecuencia para GAA-Na+ a 0.7% (p/p) sin iones a varias temperaturas.
 .................................................................................................................................................... 124 
Figura 54. Barridos de frecuencia para GAA-Na+ a 0.9% (p/p) sin iones a varias temperaturas.
 .................................................................................................................................................... 125 
Figura 55. Determinación de la temperatura de gelificación (Tg) para la sal de sodio de gelana 
de alto acilo (GAA-Na+) a varias concentraciones (0.1, 0.5, 0.7 y 0.8% (p/p)) y en ausencia de 
iones externos. ........................................................................................................................... 126 
Figura 56. Obtención de la temperatura de gelificación (Tg) para la sal de sodio de gelana de 
alto acilo (GAA-Na+) a una concentración de 0.9% (p/p) y en ausencia de iones externos. .. 127 
Figura 57. Temperatura de transición (Tg) en función de la concentración de la sal de sodio de 
la gelana de alto acilo. Símbolos llenos, Tg obtenida por el método de la tangente y los 
símbolos vacíos, Tg medida por el método de barridos de temperatura. ................................ 129 
Figura 58. Barridos de frecuencia a 25 ºC, para algunas condiciones de GAA. a) 0.3% (p/p) 0 
mM, b) 0.3% (p/p) 100 mM NaCl, c) 0.75% (p/p) 0 mM. G’ (círculos llenos), G’’ (círculos 
vacíos), tan δ (triángulos llenos). ............................................................................................... 130 
Figura 59. Barridos de frecuencia a 25 ºC para alguna concentraciones de GAA. a) 1% (p/p) 10 
mM NaCl, b) 1% (p/p) 30 mM NaCl, c) 1% (p/p) 50 mM NaCl y d) 1% (p/p) 100 mM NaCl. G’ 
(círculos lleno), G’’ (círculos vacíos) y tan δ (triángulos llenos). .............................................. 131 
Figura 60. Barridos de frecuencia a 25 ºC para dos concentraciones de GAA-Na (0.1 y 0.3% 
(p/p)) en presencia de varias concentraciones de iones Na+. G’ (círculos llenos), G’’ (círculos 
vacíos) y tan  (triángulos llenos). ............................................................................................. 133 
Figura 61. Barridos de frecuencia a 25 ºC para dos concentraciones de GAA-Na+ (0.6 y 1.0% 
(p/p)) en presencia de varias concentraciones de iones Na+. G’ (círculos llenos), G’’ (círculos 
vacíos) y tan  (triángulo lleno). ................................................................................................ 134 
xv 
 
Figura 62. Perfil térmico en calentamiento para GAA 0.1% (p/p) a varias concentraciones de 
iones Na+. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura pico de la 
transición. ................................................................................................................................... 137 
Figura 63. Perfil térmico en enfriamiento para GAA 0.1% (p/p) a varias concentraciones de 
iones Na+. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura pico de la 
transición. ................................................................................................................................... 137 
Figura 64. Perfil térmico en enfriamiento para GAA 0.1% (p/p) con iones Na+ a 1 y 2 mM. El 
valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura pico de la transición ....... 138 
Figura 65. Perfil térmico en calentamiento para GAA 0.6 % (p/p) con iones Na+. El valor de 
temperatura asociado a cada curva indica la temperatura pico de la transición. .................... 138 
Figura 66. Perfil térmico en enfriamiento para GAA 0.6% (p/p) con iones Na+. El valor de 
temperatura asociado a cada curva indica la temperatura pico de la transición. .................... 139 
Figura 67. Perfil térmico en calentamiento para GAA 1% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura pico de 
la transición. ............................................................................................................................... 139 
Figura 68. Perfil térmico8 en enfriamiento para GAA 1% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura pico de 
la transición. ............................................................................................................................... 140 
Figura 69. Relación Tg(a) y Tm(b) obtenidos por reometría y DSC, paraGAA en presencia de 
iones Na+. ................................................................................................................................... 143 
Figura 70. Perfil térmico en calentamiento para GAA-Na+ 1% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura de 
transición sol-gel. ....................................................................................................................... 145 
Figura 71. Perfil térmico en enfriamiento para GAA-Na+ 1% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura de 
transición gel-sol. ....................................................................................................................... 146 
Figura 72. Perfil térmico en calentamiento para GAA-Na+ 0.6% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura sol-gel.
 .................................................................................................................................................... 146 
Figura 73. Perfil térmico en enfriamiento para GAA-Na+ 0.6% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura gel-sol.
 .................................................................................................................................................... 147 
xvi 
 
Figura 74. Perfil térmico en calentamiento para GAA-Na+ 0.3% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura sol-gel.
 .................................................................................................................................................... 147 
Figura 75. Perfil térmco en enfriamiento para GAA-Na+ 0.3% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura gel-sol.
 .................................................................................................................................................... 148 
Figura 76. Perfil térmco en calentamiento para GAA-Na+ 0.1% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura sol-gel.
 .................................................................................................................................................... 148 
Figura 77. Perfil térmco en enfriamiento para GAA-Na+ 0.1% (p/p) con iones Na+ a varias 
concentraciones. El valor de temperatura asociado a cada curva indica la temperatura gel-sol.
 .................................................................................................................................................... 149 
Figura 78. Relación Tg(a) y Tm(b) obtenidos por reometría y DSC, para GAA-Na+ en 
presencia de iones Na+. a) Temperatura de transición sol-gel y b) Temperatura de transición 
gel.sol. ........................................................................................................................................ 153 
Figura 79. Microscopia confocal láser de a 25 ºC de GAA, en presencia de iones 
monovalentes y divalentes. ....................................................................................................... 156 
Figura 80. Microscopia confocal láser de GAA-Na+ a 25 ºC en presencia de iones Na+. ....... 157 
Figura 82. Diagrama de transición sol-gel para iones monovalentes (Na+) para gelana de alto 
acilo (GAA). ................................................................................................................................ 162 
Figura 83. Diagrama de transición sol-gel para iones monovalentes (Na+) para la sal de sodio 
de gelana de alto acilo (GAA-Na+). .......................................................................................... 163 
Figura 84. Diagrama de transición sol-gel para iones divalentes (Ca2+) para la gelana de alto 
acilo (GAA). ................................................................................................................................ 163 
 
 
 
 
 
Página 1 
 
 
1 INTRODUCCIÓN 
 
n la naturaleza los polisacáridos forman parte de plantas, animales y microorganismos, 
donde tienen propiedades funcionales o estructurales; por ejemplo forman parte de la 
pared celular, protegiendo las células, catalizando reacciones bioquímicas y algunas veces 
son desechos descartados como desperdicios. En la industria de alimentos se utilizan diversas 
sustancias para modificar sus propiedades, una de ellas son los hidrocoloides, estos son 
biopolímeros o proteínas solubles en agua, que tienen la característica de incrementar la 
viscosidad o formar geles, debido a su alto peso molecular y su capacidad de sufrir cambios 
estructurales y posterior formación de una red tridimensional, las condiciones ambientales 
tienen influencia en ambos fenómenos. El almidón y la gelatina son los principales 
hidrocoloides empleados en la industria de alimentos debido a sus propiedades, disponibilidad 
y su bajo costo; sin embargo, estos hidrocoloides pueden presentar limitaciones en su 
aplicación debido a condiciones de temperatura, pH, fuerza iónica, entre otros del sistema 
donde se utilizan. El descubrimiento de nuevos hidrocoloides a partir de fuentes botánicas o 
microbiológicas, hace necesario caracterizar su comportamiento y entender sus propiedades 
fundamentales, ante condiciones en las que normalmente los hidrocoloides de uso común 
pierden sus propiedades funcionales. 
 
Una de las características principales de los hidrocoloides, es su capacidad de incrementar la 
viscosidad y formar geles, éstas características dependen de la concentración de hidrocoloide, 
temperatura, fuerza iónica y tipo de ión utilizado. El estudio de las condiciones que propician 
sistemas que forman gel o no y su representación a través de diagramas de fase, es 
importante para poder comparar trabajos de investigación y para predecir el estado final de un 
sistema, a partir de las condiciones iniciales y las condiciones finales (temperatura, fuerza 
iónica y concentración de hidrocoloide) en las que se encuentre el sistema. 
 
La gelana es un biopolímero de uso en la industria de alimentos; sin embargo, la información 
relativa a la gelana de alto acilo es escasa y el presente trabajo de investigación aporta 
información sobre la temperatura de transición sol-gel en un intervalo de 0.1 a 1% (p/p) de 
E 
 
Página 2 
 
 
concentración y en presencia de contraiones monovalentes (Na+, K+) y divalentes (Ca2+, 
Mg2+). 
 
En el Capítulo 2, se presenta la información existente en la literatura sobre gelana de bajo y 
alto acilo, se describe el método de producción del biopolímero, el mecanismo de transición 
sol-gel propuesto para las dos formas del biopolímero, las investigaciones relevantes sobre la 
transición sol-gel y el efecto de los grupos acilo sobre la temperatura de transición sol-gel. Al 
final de la revisión de la literatura, se presenta un resumen de la información disponible para 
la gelana de alto acilo. También se presenta una pequeña introducción a la reología, con 
especial atención en las pruebas oscilatorias. 
 
En el Capítulo 3, se describe la hipótesis que se plantea con base en la revisión de la 
literatura, el objetivo general y los específicos para el trabajo de investigación. En el Capítulo 
4 se hace una descripción detallada de los métodos experimentales que se emplearon durante 
la investigación. En el Capítulo 5 se presentan los resultados experimentales; en la primera 
parte se muestran los resultados de las pruebas de caracterización (análisis proximal, 
termogravimétrico e infrarrojo; equivalentes químicos) de la gelana de alto acilo y su sal de 
sodio, para comparar la estructura molecular de ambas. Enla segunda parte del Capítulo 5, se 
presentan las temperaturas de transición medidas mediante métodos reológicos y 
calorimétricos. En la parte final del Capítulo 5, se presenta el diagrama de transición sol-gel 
para gelana de alto acilo y su sal de sodio. 
 
 
 
 
Página 3 
 
 
2 ANTECEDENTES 
2.1 Origen y producción de gelana de alto acilo 
 
a gelana es un polisacárido aniónico extracelular producido por la bacteria Sphingomonas 
elodea, inicialmente clasificada como Pseudomonas elodea (Kang y Veeder 1982, Valli y 
Clark 2010), este polisacárido de origen microbiano fue descubierto en 1977 después de una 
búsqueda en más de 30,000 bacterias aisladas por la compañía Kelco Biopolymers, con la 
finalidad de encontrar nuevos polisacáridos que tuvieran alta viscosidad en disolución, el 
microorganismo que produce la gelana fue aislado de lirios acuáticos en Pennsylvania. El 
proceso de producción junto con el microorganismo que produce la gelana fue patentado por 
la compañía Kelco (Kang y Veeder 1982, Kang, Jolla y Veeder 1983b). La aprobación para su 
uso en alimentos como estabilizante y espesante por la Food and Drug Administration (FDA), 
se emitió en noviembre del 1992, en el documento CFR 172.665 (Winston, et al. 1992). 
 
El proceso de producción de este polisacárido se inicia con una fermentación en medio líquido, 
la fuente de carbono puede ser diversa; glucosa, fructosa, manosa, restos del proceso de 
producción de salsa de soya o subproductos de la industrialización de leche; durante el 
proceso de fermentación de gelana se controlan la temperatura, entre 28 a 32 °C, el pH entre 
6 a 8 y el tiempo de 2 a 4 días de fermentación, para obtener un rendimiento de 50% (p/p) de 
polímero sobre fuente de carbono (Kang, L. Jolla, et al. 1983a, Dreveton, et al. 1996, Goh, 
Haisman y Singh 2006, Kang, L. Jolla, et al. 1983a) 
 
La gelana obtenida por fermentación se pasteuriza para matar a los microorganismos viables y 
posteriormente el polisacárido puede ser recuperado en una de dos formas, 
Figura 1, los pasos principales se pueden describir como sigue: 
a) La gelana se recupera del caldo de fermentación calentado a 95 °C por adición de 
cuatro volúmenes de isopropanol. El precipitado se lava con isopropanol y después se 
seca, para obtener la gelana de alto acilo (GAA). 
b) El caldo de fermentación se somete a un cambio de pH de 7 a 10 a 100 °C durante 45 
minutos y la posterior precipitación con isopropanol produce gelana de bajo acilo. Este 
tipo de goma produce geles firmes, no elásticos y transparentes (Kang et al, 1982; 
Kang, Jolla, & Veeder, 1983b). 
L 
 
Página 4 
 
 
Es necesario comentar que durante el proceso de obtención de la gelana de alto acilo (GAA) 
no hay etapas para la remoción de microorganismos (Kang & Veeder, 1982; Kang et al, 
1983a). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Proceso de separación y recuperación de gelana (Kang et al. 1982). 
 
 
Actualmente la compañía CPKelco comercializa la goma en varias presentaciones (Tabla 1). 
El contenido promedio de iones presentes normalmente en los productos comercializados son 
los siguiente: Na+ 0.19% (p/p), K+ 3.3% (p/p), Ca2+ 0.11% (p/p) y Mg2+ 0.02% (p/p), donde el 
mayor contenido es del ion K+ y por tanto la gelana se encuentra de forma predominante en 
forma de sal de potasio (Mashimo, Shinyashiki y Matsumura 1996, Tang, Tung y Zeng 1996). 
 
 
 
 
 
 
Página 5 
 
 
Tabla 1. Productos de gelana que comercializa la compañía CP Kelco; datos adaptados de 
CP Kelco (Kelco 2012). 
 
 
2.2 Estructura molecular de la gelana 
 
La gelana es un polímero constituido por unidades repetidas de un tetrasacárido (Figura 2 y 
Figura 3), constituido de glucosa, ácido glucurónico y ramnosa, teniendo una proporción molar 
de 2:1:1, respectivamente. Los residuos se encuentran unidos en una cadena lineal de la 
siguiente forma: [→ 3)-β-D-Glucosa-(1→ 4)- β-D-Ac. Glucurónico-(1 → 4)- β-D-Glucosa-(1 
→4)--L-Ramnosa-(1 → ] n (Kuo, Mort y Dell 1986, Kang y Veeder 1982, Jansson, Lindberg 
y Sanford 1983, O'Neill, Selvendran y Morris 1983, Kang, L. Jolla, et al. 1983a). La gelana en 
su forma nativa o de alto contenido de acilo posee dos grupos acilo que se encuentran unidos 
a una de las dos glucosas en los átomos de carbono 2 y 6 para el glicerilo y acetilo, 
respectivamente. En promedio, existe un grupo glicerilo por cada tetrasacárido repetido y un 
grupo acetilo por cada dos unidades repetidas del tetrasacárido (Sanderson 1990, Sworn 
2000). El peso molecular de la gelana tanto acilada como no acilada es en promedio de 500 
kDa (Grasdalen y Smidsrød 1987), Tabla 2. 
 
 
 
 
Producto 
Claridad de 
disoluciones 
Textura 
 gel 
Contenido de 
Acilo 
Descripción 
Kelcogel Transparente Firme Bajo acilo Grado alimenticio produce geles claros. 
Kelcogel F Transparente Firme Bajo acilo 
Grado alimenticio, bajo acilo para geles 
firmes y brillantes. 
LT100 Opaco Elástico Alto acilo 
Grado alimenticio, alto acilo, produce 
geles elásticos. 
K7B518 Opaco Elástico Alto acilo 
Polisacárido para medio de cultivo 
microbiológico y para cultivo de tejidos 
de plantas. 
 
Página 6 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Estructura molecular de la gelana de alto acilo (GAA). 
 
 
 
 
 
Figura 3. Estructura molecular de la gelana de bajo acilo (GBA). 
 
 
Los primeros estudios que se realizaron para revelar la estructura de la gelana usaron rayos X 
y emplearon la sal de litio (Li
+
-Gelana) y la sal de potasio de la gelana en estado sólido en 
forma de fibras policristalinas; los resultados mostraron la existencia de una estructura de 
doble hélice (Carroll, et al. 1983, Upstill, Atkins y Attwool 1986, Chandrasekaran, Millane, et al. 
1988). Esta estructura se encuentra formada por el entrelazamiento de dos hebras para formar 
una doble hélice, una cadena posee dos vueltas en sentido izquierdo y la segunda cadena 
posee tres vueltas en sentido derecho, el diámetro máximo que alcanza la doble hélice es de 
54.6 Å, en forma paralela. El entrecruzamiento entre las cadenas se estabiliza por la presencia 
de puentes de hidrógeno a lo largo de la hélice, entre los grupos hidroximetilo entre el enlace 
4-glucosilo de una cadena y los grupos carboxilato de la otra. Debido a la baja energía de los 
 
Página 7 
 
 
rayos X dispersados por la muestra de Li
+
-gelana, no fue posible inferir la posición del agua y 
los cationes dentro de la molécula de gelana. Un estudio posterior realizado con la sal de 
potasio (K
+
-gelana), reveló una estructura molecular por doble hélice como se había descrito, y 
la posición de los iones K+ en la vecindad del grupo carboxilato de cada unidad del 
tetrasacárido. El ion se encuentra coordinado octaédricamente, rodeado por tres ligandos en 
una cadena, dos átomos de oxígeno de carboxilato y un grupo hidroxilo, dos ligandos de la 
otra cadena, dos grupos hidroxilo, y una molécula de agua. Este arreglo confiere estabilidad 
estructural a la doble hélice de la gelana (Carroll, et al. 1983, Chandrasekaran, Millane, et al. 
1988, Chandrasekaran y Radha 1995). 
 
Tabla 2. Datos de viscosidad intrínseca y peso molecular para la gelana de alto y bajo acilo. 
TMA : Tetrametil amonio. GAA-Na+ : Sal de sodio de gelana de alto acilo. GBA: Gelana de bajo acilo. SD: sin datos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 [] 
(mL/g) 
Mw 
Dalton 
Referencia 
GAA-Na+ 25 mM NaCl 2360 2.5 x 105 
(Goh, Haisman y Singh 2006) GAA-Na+ - 3950 5.2 x 105 
GBA-Na+ 25 mM NaCl SD 3.47-11.5 x 104 (Takahashi, et al. 2004) 
GBA-TMA 25 mM 
TMACl 
2800 4.5 x 105 (Grasdalen y Smidsrød 1987) 
TMA-gelana en 25 mM 
TMACl 3500 4.5 x 10
5 (Milas, Shi y Rinaudo 1990) 
GBA-Na+ 25 mM Na+ 2500 1.2 X 105 (Ogawa, et al. 2005) 
GBA y GAA SD 1.2 x 106 (Brownsey, et al. 1984) 
 
Página 8 
 
 
2.3 Estudios previos 
2.3.1 Definición de términos 
 
Varios términos como gelificación, fusión entre otrosson utilizados a lo largo de este trabajo; 
con la finalidad de tener una idea clara de su significado se proporciona a continuación una 
definición basada en las existentes en la literatura (Almdal, et al. 1993, Tobitani 1995, Tabilo-
Munizaga y Barbosa-Cánovas 2005) 
 
Agregación: Asociación de monómeros o polímeros por enlaces físicos o covalentes, llevando 
a la formación de grupos grandes. 
Disolución entrelazada (entrelazamiento): Es un material en un estado intermedio entre sol y 
gel, el mayor componente es un líquido dispersando a una o más especies de polímeros 
o biopolímeros. Reológicamente está caracterizado por una región de cruce de G’ y G’’ 
en el intervalo de frecuencia de 10-2 a 102 s, Figura 4. 
Gel: Material parecido a un sólido, el mayor componente es un líquido, donde se dispersan 
uno o dos materiales poliméricos o biopoliméricos, los cuales forman enlaces de tipo 
químico o físico, extendidos en las tres dimensiones, a través de todo el sistema e 
inmoviliza el líquido y produce propiedades parecidas a un sólido. Reológicamente un gel 
está caracterizado por la presencia de una zona constante donde G’ > G’’ y ambos 
módulos son independientes de la frecuencia, siendo las frecuencias mayores a 10-2 s 
(Figura 4). Ahora se acepta que una propiedad que define en forma inequívoca un gel es 
su comportamiento viscoelástico. El espectro viscoelástico que se obtiene a partir de 
mediciones reológicas puede proporcionar un intervalo de interacciones tales como: 
entrelazamiento, gel débil o fuerte. Una diferenciación posterior entre gel débil y fuerte se 
puede obtener por el comportamiento a grandes deformaciones, fuera de la zona 
viscoelástica lineal, los geles fuertes se rompen y pueden ser vueltos a formar después de 
un nuevo ciclo de gelificación, mientras que un gel débil es tixotrópico y se vuelve a 
reformar después de un tiempo de reposo. El esta tesis el término gelificación se usará 
como sinónimo de gelificación. 
Gelificación: Proceso de cambio de un sol o una red entrelazada a un gel. 
 
 
Página 9 
 
 
Sol: Opuesto de gel. Un fluido, el mayor componente es un líquido dispersando a una o más 
especies de polímeros o biopolímeros, los cuales no forman o forman parcialmente 
enlaces, como los descritos en el gel. Su característica reológica es presentar una 
dependencia de G’ y G’’ con respecto de la frecuencia, en el intervalo de frecuencia 
mayor a 10-2 s, y G’’ > G’, Figura 4. 
 
10-2 10-1 100 101 102
G'
G
' 
,G
''
 
(P
a
)
10-1 100 101 102 10-1 100 101 102
a) Sol
b) Entrelazamiento c) Gel
 Frecuencia (rad/s)
G''G''
G'
G'
G''
 
Figura 4. Curvas típicas de G’ y G’’ versus frecuencia, para un sol (a), disolución entrelazada 
(b) y un gel (c). 
 
Punto de gelificación: Punto específico en el cual una molécula infinitamente grande es 
formada en el sistema. En términos reológicos, la viscosidad llega a ser infinita después del 
punto de gelificación y la elasticidad aparece inmediatamente después, esta definición 
aplica para geles que tienen enlaces covalentes. El punto de gelificación para biopolímero, 
desde un punto de vista reológico, se presenta cuando la elasticidad llega a ser mayor que 
la viscosidad. 
Fusión: Antónimo de gelificación en un proceso termorreversible. Un proceso de cambio de un 
gel a un sol o una red entrelazada. 
Punto de fusión: Punto específico en el cual una red infinita cambia a grupos de tamaño finito. 
La elasticidad disminuye y llega a ser menor que los valores de la viscosidad. 
Zona de unión: Interacción entre las dobles hélices de gelana (GGA o GAA-Na+) mediada por 
iones monovalentes (Na+, K+) o divalentes (Ca2+, Mg2+). 
 
 
Página 10 
 
 
Adicionalmente a través de este trabajo de investigación, se utilizan las siguientes 
abreviaturas: 
GAA: Gelana de alto acilo, se refiere a la gelana de alto acilo que ha sido fabricada por la 
compañía CPKelco, la cual tiene iones K+, Na+, Ca2+ y Mg2+ en su composición, siendo el ion 
K+ el que tiene una concentración mayor. 
GAA-Na+: Es la sal de sodio de la gelana de alto acilo, la cual se obtiene por intercambio 
iónico. 
 
2.3.2 Mecanismo de transición sol-gel 
 
Una de las características más importantes de los hidrocoloides en disolución, es su 
capacidad de incrementar la viscosidad o formar geles (Stauffer, Coniglio and Adam 1982, 
Paul, Morin and Monsan 1986, Khan, Park and Kwon 2007), esta última característica se 
presenta después de una transición de una disolución de biopolímero a gel, este fenómeno se 
conoce como transición sol-gel y es uno de los fenómenos más importantes de los polímeros y 
los biopolímeros caracterizado por la formación de una macromolécula de gran peso 
molecular, la cual forma una red tridimensional (Stauffer, Coniglio and Adam 1982). Desde el 
punto de vista fenomenológico, existen dos tipos de transición sol-gel, reversible e irreversible, 
esta variación puede ser causada por la diferencias de mecanismo del entrecruzamiento: 
químico o físico (Ross-Murphy 1987, Ross-Murphy 1995, Tobitani 1995), el entrecruzamiento 
químico se debe a la presencia de enlaces covalentes y se presenta en geles irreversibles o 
también conocidos como geles químicos, el entrecruzamiento físico se presenta en geles que 
son termorreversibles también denominados geles físicos y donde los enlaces químicos son 
de tipo no covalente, es decir, fuerzas de Coulomb, dipolo-dipolo, van de Waals, transferencia 
de carga e interacciones hidrofóbicas y enlace hidrógeno (De Gennes 1979, Ross-Murphy 
1995, Tobitani 1995). Los geles originados por biopolímeros, son formados por uno o más 
enlaces de tipo no covalente listados con anterioridad, casi invariablemente combinados con 
arreglos organizados en forma más compleja, que involucran cuasi-cristalinidad conocidas 
como zonas de unión, estructuras de orden secundario, por ejemplo hélices múltiples y cajas 
de huevo mediadas por iones (Ross-Murphy 1987). La transición sol-gel de biopolímeros es 
inducida por varias fuerzas simultáneamente, es difícil describir el mecanismo de transición 
sol-gel y ésta es sensible a los factores ambientales: temperatura, pH y fuerza iónica entre 
otras (Ross-Murphy 1987, Ross-Murphy 1995, Tobitani 1995). Varios biopolímeros poseen 
 
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similitud en el mecanismo de transición sol-gel, donde a partir de una disolución caliente que 
se enfría, se presenta un rearreglo de las hebras aleatorias en dobles o triples hélices, con 
subsecuente enfriamiento y en presencia de iones, temperatura y pH adecuado se forma una 
red tridimensional (Morris 1998). 
 
Existe una gran cantidad de información relacionada con gelana de bajo acilo (GBA), la cual 
ha sido reportada en un número especial de la revista Food Hydrocolloids (Vol. 7, No. 5, pp. 
361-456, 1993), posteriormente se publicó un número especial en la revista Carbohydrate 
Polymers (Vol 30, No. 2-3, pp 75-218, 1996) el título del número fue: Gellan Gum: Structures, 
Properties and Functions International Workshop on Gellan and Related Polysaccharides y 
posteriormente se publicó un libro en la serie Progress in Colloid and Polymer Science titulado 
Physical Chemistry and Industrial Application of Gellan Gum vol. 114, 1999. 
 
En oposición, la información relacionada con la gelana nativa o de alto acilo (GAA) a la fecha 
es escasa, a continuación se presenta la información más relevante relacionada con la gelana 
de bajo acilo y la información disponible para la gelana nativa. 
 
2.3.2.1 Gelana de bajo acilo (GBA) 
 
El mecanismo de formación del gel para gelana ha sido investigado en sistemas acuosos 
(Morris 1998, Sworn 2000). El proceso de transición sol-gel involucra dos pasos separados 
termorreversibles. En una primera etapa las moléculas de gelana en un estado de hebra 
aleatoria (una cadena) se presentan en las disoluciones calientes (Akutu, Kubota y Nakamura 
1999), las moléculas adquieren una conformaciónde doble hélice cuando la disolución se 
enfría, seguida de la asociación entre las dobles hélices a través de interacciones débiles, 
como podrían ser puentes de hidrógeno y fuerzas de van de Waals. Estas interacciones 
producen asociación molecular y la formación de geles termorreversibles débiles. Durante el 
enfriamiento de disoluciones calientes y en presencia de cationes que promueven la transición 
sol-gel, la repulsión electrostática entre las dobles hélices se elimina (o disminuye) y se 
promueve la asociación de éstas a través de enlaces de hidrógeno, con un subsiguiente 
incremento en la estabilidad térmica, expresada como un incremento en la temperatura de 
transición sol-gel y fundido, determinada por algún método calorimétrico, reológico o 
resonancia magnética nuclear; dependiendo del tipo y concentración del catión adicionado, se 
 
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puede presentar o no histéresis térmica, diferencia en las temperaturas de transición sol-gel y 
fundido del gel. La naturaleza de las zonas de unión en geles de gelana ha sido probada por 
difracción de rayos X de fibras de gelana, la desacilación parcial o total de la gelana, se refleja 
en los patrones de rayos X, la desacilación no altera la estructura helicoidal, pero mejora la 
asociación intermolecular y la cristalinidad (Carroll, et al. 1983, Upstill, Atkins y Attwool 1986, 
Chandrasekaran, Millane, et al. 1988, Chandrasekaran y Thailambal 1990) 
 
Las dobles hélices de gelana se asocian en presencia de cationes para formar zonas de unión; 
a medida que más zonas de unión se forman, se desarrolla una red tridimensional 
interconectada de gel. Los cationes que promueven la formación de zonas de unión entre las 
dobles hélices de gelana pueden ser monovalentes como en el caso de K+ y Na+, cuando se 
presentan estos cationes en disolución, pares de dobles hélices se alinean en forma 
antiparalela separados entre sus ejes 9.1 Å y conectados por enlace carboxilato--K+--agua--K+-
-carboxilato (Chandrasekaran y Thailambal 1990). Por otro lado cuando iones divalentes como 
Ca2+ están presentes en la formación de las zonas de unión entre las dobles hélices, el tipo de 
enlace que se forma es carboxilato--Ca2+---carboxilato (Chandrasekaran y Thailambal 1990). 
Esto explica por qué los iones divalentes forman geles de una textura y fuerza dada, 
empleando una fuerza iónica más baja que la utilizada para potasio u otros iones 
monovalentes. Los iones monovalentes forman zonas de unión a través de puentes de 
hidrógeno y los iones divalentes lo hacen por medio de enlace iónico (Chandrasekaran y 
Radha 1995). En disoluciones calientes de gelana, durante el enfriamiento y en ausencia de 
cationes, la disolución se compone de agregados de doble hélice que se encuentran 
interconectadas por puentes de hidrógeno entre los grupos hidroximetilo del residuo glucosilo 
de una cadena del polímero, con un grupo carboxilo de la otra cadena (Chandrasekaran y 
Radha 1995). Durante la disminución de la temperatura, se desarrollan regiones densamente 
conjugadas a través del polímero entrelazado o se incrementa la concentración de agregados 
hasta que se forma una red continua. 
 
Se ha propuesto un mecanismo de gelificación similar al modelo del dominio para la 
gelificación de la carragenina, donde se propone que a temperaturas altas, la gelana existe 
como una hebra aleatoria. Durante el enfriamiento se inicia la formación de dobles hélices, la 
asociación de estas dobles hélices por medio de interacciones débiles dentro de un dominio, 
incrementa la formación de un gel débil. En presencia de cationes que promueven la 
 
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formación de gel, la agregación adicional se debe a la interacción de una parte de las dobles 
hélices con otra mediada por iones. Durante el calentamiento, las hélices no agregadas se 
considera que se funden primero, las dobles hélices que se encuentran formando agregados 
funden a una temperatura superior (Figura 5). Los sustituyentes o grupos funcionales dentro 
de las cadenas individuales de gelana, inhiben la agregación hélice-hélice (Morris 1998). En 
este modelo, la asociación entre hélices contribuye a la formación de una zona de unión con 
un cierto orden de tipo cristalina, la cual es promovida y estabilizada por cationes. La 
elasticidad se podría incrementar a partir de contribuciones de entropía de las cadenas de 
polímero flexibles. La dependencia de la temperatura en la elasticidad de los geles de gelana, 
se explica en este modelo, con cambios en el número segmentos de cadena plegados en las 
zonas de unión o que forman parte de la zona de unión. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5. Mecanismo de gelificación de gelana.  Iones externos adicionados (Morris 1998). 
 
Otro mecanismo de gelificación es el modelo fibroso (Figura 6), ha sido propuesto a partir de 
las mediciones de dispersión de luz láser (Gunning y Morris 1990) y estudios de microscopia 
de fuerza atómica (Gunning, Kirby, et al. 1996, Ikeda, et al. 2004). Este modelo de gelificación 
no asume la formación de zonas de unión entre las cadenas de polímero flexibles, por el 
contrario, la red macroscópica se desarrolla a través de la formación de filamentos fibrosos, 
formados por la elongación o ramificación de los polímeros flexibles. La elasticidad del gel se 
Calentamiento 
Calentamiento 
Enfriamiento 
Calentamiento 
enfriamiento sin iones 
 
Página 14 
 
 
explica principalmente por estiramiento o plegamiento (bending) de los filamentos fibrosos de 
la gelana. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Modelo esquemático del mecanismo de gelificación para la gelana (Gunning y Morris 
1990, Morris 1998). 
 
 
2.3.2.2 Gelana de alto acilo (GAA) 
 
Uno de los primeros reportes de la producción y la caracterización de GAA, muestran un 
biopolisacárido con características termorreversibles y adicionalmente, poseedora de una 
excelente estabilidad térmica cuando se somete a varios ciclos de calentamiento y 
enfriamiento a 121 ºC, 15 minutos. También, se reporta que la adición de sales monovalentes 
o divalentes incrementa la resistencia del gel, requiriendo menor concentración los iones 
divalentes para lograr una resistencia de gel específica (Kang, Veeder, et al. 1982, Crescenzi, 
Dentini and Coviello, et al. 1986, Paul, Morin and Monsan 1986, Crescenzi and Dentini 1987, 
Grasdalen y Smidsrød 1987) 
 
Calentamiento 
Enfriamiento 
 
Página 15 
 
 
Las formas de sal monovalentes y divalentes de gelana forman gel a partir de diferentes 
concentraciones de polisacárido, las propiedades del gel formado dependen del tipo y nivel de 
acilación del polisacárido, el tipo de contraiones presentes y la fuerza iónica del medio (Morris 
1998). Tanto la forma acilada como la no acilada de la gelana, forman geles termorreversibles, 
siendo suaves y elásticos para la forma acilada o nativa. En el caso de la forma desacilada, 
se obtienen geles duros, quebradizos y transparentes (Kang, Veeder, et al. 1982, Kang, L. 
Jolla, et al. 1983a). 
 
Goh, et al. (2006) propuso un mecanismo de gelificación para la gelana de alto acilo. En 
disoluciones calientes de GAA, las moléculas se encuentran presentes como hebras 
aleatorias, aún a concentraciones de 1% (p/p) de biopolímero y con concentraciones de NaCl 
por debajo de 19 mM, al disminuir la temperatura y a concentraciones de sodio entre 20-24 
mM, se presenta la formación de dobles hélices y la asociación de éstas para la formación de 
un gel fuerte a concentraciones por arriba de 24 mM NaCl, (Figura 7). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7. Mecanismo de gelificación para la sal de sodio de la gelana de alto acilo, a) 
concentración menor de 19 mM NaCl. b) concentración entre 20-24 mM NaCl y c) 
concentración superior a 24 mM de NaCl. La concentración de gelana de alto acilo es 1%(p/p). 
(Goh, et al. 2006b). 
 
 
 
 
 
 
a) b) c) 
 
Página 162.3.3 Gelana de alto acilo (GAA). Revisión de literatura 
 
La presencia de grupos acilo en GAA, confiere propiedades sustancialmente diferentes de las 
mostradas por la gelana de bajo acilo (Marchessault y Sundararajan 1975), los grupos acilo 
presentes son glicerilo y acetilo; se ha reportado la existencia de diferencias en la estructura 
molecular analizada por rayos X para varios polímeros con y sin grupos acetilo, entre los que 
se encuentran acetil-celulosa, acetil-amilosa, entre otros. El impacto que tienen los grupos 
acilo en el comportamiento reológico de gelana hace que presente características de un gel 
suave y flexible. A partir de estudios de modelamiento molecular de la estructura de GAA, se 
propuso que los grupos glicerilo se localizan al interior de la estructura de las dobles hélices y 
los grupos acetilo, se localizan al exterior de la doble hélice, estos estudios sugirieron que el 
grupo glicerilo, estabiliza la doble hélice a temperatura alta en relación con las temperatura de 
estabilización de las dobles hélices para la gelana de bajo acilo, además, se propuso que los 
grupos glicerilo eran los responsables de impedir la asociación entre las dobles hélices (Figura 
8), dando las características conocidas de geles suaves y elásticos (Chandrasekaran y 
Thailambal 1990). 
 
Figura 8. Modelos generados por 
computadora de una vuelta completa de 
doble hélice de a) gelana (sal de potasio), 
b) gelana nativa (sal de potasio), c) welana 
(sal de Ca2+) determinadas a partir de 
datos de análisis de Rayos X, y d) modelo 
estimado para S-657, basado en la 
estructura de la gelana. Los iones son 
mostrados como círculos cerrados. Las 
cadenas laterales y sustituyentes son 
sombreados para distinguir a estos de los 
átomos de la cadena principal. Las figuras 
en la base son la vista superior de las 
vistas laterales (Chandrasekaran y Radha 1995). 
 
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El grupo acetilo se encuentra en GAA de 3 a 5.6% (p/p) (en fracción peso) y se han reportado 
valores de 5.6% (p/p) para GAA clarificada (Caroll, Miles and Morris 1982, Kang, G. T. Veeder, 
et al. 1982, Carroll, et al. 1983, Kang, L. Jolla, et al. 1983a, Brownsey, et al. 1984). Un trabajo 
de investigación inicial (Carroll, et al. 1983) de GAA mostró que a partir de concentraciones de 
0.04% (p/p), este biopolímero forma geles termorreversibles opacos, la opacidad se debe a la 
alta concentración de restos de bacterias que comprenden cerca del 50% (p/p) del peso del 
polisacárido, varios investigadores han propuesto diversos métodos para la eliminación de 
estos restos celulares, entre los que se encuentran la filtración (Kang, Veeder, et al. 1982), 
centrifugación (Carroll, et al. 1983) y tratamiento enzimático (Wang, et al. 2007). El método 
utilizado para purificar pequeñas cantidades (1-100 g) de GAA es la centrifugación, utilizando 
las siguientes condiciones: 25 ºC, 48000-130000g y un tiempo de 1-4 horas, en el cual se 
prefiere preparar disoluciones de GAA a una concentración de 0.5-1% (p/p) en 
dimetilsulfóxido, porque se logran disoluciones de una menor viscosidad, cuando se utilizan 
disoluciones acuosas la concentración máxima que se utiliza de GAA es de 0.1% (p/p). 
 
Los primeros estudios del efecto de los grupos acilo en la GAA, se refieren a tratar de 
esclarecer el efecto de estos grupos en las propiedades reológicas. El trabajo reportado por 
Morris et al (1996), utiliza GAA con varios contenidos de acilo y utilizando la gelana como la 
recibieron del proveedor sin hacer una determinación de la pureza del polisacárido. Estos 
mismos autores indican que las mezclas de GAA y GBA (0.5% (p/p), 0.5% (p/p)) al ser 
analizadas por la técnica de calorimetría diferencial de barrido, muestra dos picos de 
transición; a 68 y 28 ºC, estas temperaturas son iguales a las que presentan los componentes 
individuales GAA (68 ºC) y GBA (28ºC), esto es un indicativo que las hebras de GAA y GBA no 
se mezclan para formar dobles hélices durante el enfriamiento de las disoluciones calientes. 
También se reportó que la presencia de grupos acetilo en la GAA, es determinante para 
impedir la asociación de las dobles hélices y que la estabilidad térmica de las dobles hélices a 
alta temperatura, se debe a la presencia de grupos glicerilo. 
 
En otro trabajo de investigación, Mazen, Milas, & Rinaudo, (1999), reportaron estudios de 
microcalorimetría para la sal de sodio de GAA (GAA-Na+) con un contenido de 9.46% (p/p) de 
glicerilo y 4.4% (p/p) de acetilo que equivalen al 79% (p/p) y 78% (p/p) de los sustituyentes 
 
Página 18 
 
 
estequiométricos de glicerilo y acetilo respectivamente, determinados por resonancia 
magnética nuclear. No reportan datos para la GAA-Na+ en ausencia de iones externos. Los 
investigadores utilizaron en todos los experimentos una concentración de 1% (p/p), con tres 
concentraciones de NaCl; 10, 50 y 100 mM, encontrando que el incremento de la sal hace que 
la temperatura de transición sol-gel (Tg) aumente hasta valores de 77.3 ºC y la temperatura de 
fusión del gel, tenga valores máximos de 85.6 ºC. Se observa la presencia de histéresis 
térmica, los autores explican esto como un fenómeno cinético que está relacionado con la 
formación de zonas de unión estables. También se examinó el efecto de los grupos acetilo al 
examinar el comportamiento de GAA-Na+, sin estos grupos, encontraron que no influyen en la 
temperatura de transición sol-gel o gel-sol (Tabla 3). 
 
Tabla 3. Datos experimentales obtenidos por calorimetría diferencial de barrido para la sal de 
sodio de la gelana de alto acilo, a una concentración de 1% (p/p), en presencia de diferentes 
contenidos de sal. Temperatura de gelificación (Tg) y temperatura de fusión (Tm). (Mazen, 
Milas and Rinaudo 1999). 
Contenido NaCl 
adicionada (mM) 
Tg 
(ºC) 
Tm 
(ºC) 
Entalpía (J/g) 
gelificación 
Entalpía (J/g) 
Fusión 
10 71.0 78.4 17.0 22.5 
50 72.0 84.0 22.7 23.2 
100 77.3 85.6 23.6 29.3 
 
Kasapis et al. (1999), investigaron la gelana de alto acilo (Kelcogel LT-100) producida por la 
compañía Monsanto PLC, reportaron valores de 12.7% (p/p) y 3.4% (p/p) de glicerilo y acetilo, 
respectivamente, los cuales se midieron a partir de los productos de la hidrólisis ácida de la 
GAA por HPLC, estos valores corresponden a 100% (p/p) y 63% (p/p) del sustituyente 
estequiométrico para glicerilo y acetilo en la unidad repetida del tetrasacárido, se utilizó la sal 
de sodio de GAA en los experimentos con una concentración del 0.5% (p/p), se reportó una 
temperatura de transición sol-gel de 75 ºC en ausencia de iones, medida a través de barridos 
de temperatura en calentamiento y enfriamiento, no se reporta histéresis térmica, con lo que 
se descartó la presencia de agregación entre doble hélices, el inconveniente es que no 
presenta datos del contenido de iones, posterior al proceso de obtención de la sal de sodio de 
 
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la GAA. El efecto de la adición de iones de Ca2+ (0-120 mM) o Na+ (0-600 mM), es la 
disminución de los valores de módulo elástico, medidos a 20 ºC, de 100 a 10 Pa. 
 
Para la GAA se han reportado temperaturas de transición entre 70-75 ºC para disoluciones 
acuosas del 1% (p/p), y casi independiente de la concentración de iones externos, se 
demostró que los grupos acetilo no tienen influencia en la temperatura de transición y que los 
grupos glicerilo son los responsables de la estabilidad térmica de la GAA (Rinaudo 2001). 
 
Huang et al.(2004) trabajaron con GAA y GAA-F (F significa filtrada), el contenido de iones se 
muestra en la Tabla 4, las muestras y el contenido de iones fueron proporcionadas por la 
compañía CP Kelco. A partir de la tabla siguiente, se observa que la muestra GAA tiene un 
contenido total de iones de 3.14% (p/p) y se presenta mayoritariamente como una sal de 
potasio, la muestra de GAA-F después del proceso de filtración muestra un contenido de iones 
del 3.85% (p/p)