323642274001

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Avances en Ciencias e Ingeniería
E-ISSN: 0718-8706
crojas@exeedu.com
Executive Business School
Chile
Hernández, Israel; Alejo, Karla M.; Méndez, Lithael; García, Alfonso; Cordova, Alejandro;
García, Alejandro
ESTUDIO CINÉTICO ENZIMÁTICO DE LA HIDROLASA A PARTIR DE CÍTRICOS
Avances en Ciencias e Ingeniería, vol. 6, núm. 3, julio-septiembre, 2015, pp. 1-8
Executive Business School
La Serena, Chile
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Av. cien. ing.: 6(3), 1-8 (Julio/Septiembre, 2015) Hernández et al. 
 
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ESTUDIO CINÉTICO ENZIMÁTICO DE LA HIDROLASA A PARTIR DE 
CÍTRICOS 
 
ENZYMATIC KINETIC STUDY HYDROLASE FROM CITRUS 
 
 
Israel Hernández1*, Karla M. Alejo1, Lithael Méndez1, Alfonso García1, 
Alejandro Cordova2, Alejandro García2 
Universidad Veracruzana, (1) Facultad de Ciencias Químicas, (2) Facultad de Ingeniería Civil, 
Prolongación de la Ave. Venustiano Carranza s/n, C.P. 93360, Zona Poza Rica, Tuxpan, Veracruz - México 
*autor de contacto (e-mail: huejutal@hotmail.com) 
 
Recibido: 13/02/2015 - Evaluado: 24/04/2015 - Aceptado: 04/06/2015 
 
 
RESUMEN 
En el presente trabajo se evalúa la actividad degradadora de las enzimas obtenidas a partir de las cáscaras de 
naranja (citrus x sinensis), toronja (citrus paradise) y piña (ananas comosus) sobre la materia orgánica presente 
en agua residual. Esta actividad se mide de manera indirecta cuantificando la demanda bioquímica de oxígeno 
(DQO) antes y después del proceso de degradación en función de un periodo de tiempo determinado utilizando 
el equipo HACH DR/2010, y posteriormente se realizó el estudio cinético por el método diferencial e integral con 
los datos experimentales, obteniendo un orden de reacción de 1 para la pectinasa (naranja), y orden 2 para la 
bromelina (piña). 
 
 
ABSTRACT 
In this paper the degrading activity of enzymes derived from orange peels (Citrus x sinensis), grapefruit (Citrus 
paradise) and pineapple (Ananas comosus) on the organic matter in wastewater is evaluated. This activity is 
measured indirectly by quantifying the biochemical oxygen demand (COD) before and after degradation process 
based on a period of time using the HACH DR / 2010, and then the kinetic study was performed by the 
differential method and integral with the experimental data, obtaining a reaction order of 1 to pectinase 
(orange), and order 2 for bromelain (pineapple). 
 
 
Palabras clave: estudio cinético, naranja, toronja, piña 
Keywords: kinetic study, orange, grapefruit, pineapple 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
mailto:huejutal@hotmail.com
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INTRODUCCIÓN 
 
Todas las reacciones metabólicas que ocurren en un organismo están mediadas por enzimas, estas son capaces 
de acelerar las reacciones químicas sin consumirse ni formar parte de los productos. Las enzimas, en los 
sistemas biológicos constituyen las bases de las complejas y variadas reacciones que caracterizan los fenómenos 
vitales y algunas de ellas catalizan la hidrólisis de los materiales, la cual se produce cuando el polímero tiene 
principalmente enlaces inestables y algún grado de hidrofilia (Dillon & Hughes, 1999). El uso de enzimas tiene 
abierto una nueva vía para la producción de ésteres de citrato bajo suaves. Recientemente, la síntesis 
enzimática ha sido reportado con éxito de CITREM (Huang et al., 2011). 
 
La vida es una cadena de procesos enzimáticos, desde aquellos que tienen por sustrato los materiales más simples, 
como el agua y el anhídrido carbónico presentes en los vegetales para la formación de hidratos de carbono, hasta 
los más complicados que utilizan sustratos muy complejos. Los jugos cítricos tienen elevados tenores de ácido 
ascórbico y ácidos orgánicos, y sus sales, los que provocan la degradación de azúcares, aminoácidos y fenoles 
durante el procesamiento y posterior almacenamiento (Lee & Nagy, 1988). Los microorganismos utilizan enzimas 
biológicas para catalizar muchas reacciones bioquímicas. Hoy en día varias de estas enzimas están siendo 
identificadas por los científicos y los ingenieros por su importancia en la degradación de compuestos orgánicos 
(Mihelcic, 2001). Estos están formados normalmente por combinaciones de carbono, hidrógeno y oxígeno, con la 
presencia, en determinados casos, de nitrógeno y otros elementos como azufre, fósforo o hierro. 
 
Para poder evaluar el daño que pueden llegar a producir en las aguas residuales, se emplean diversas técnicas 
para medir la capacidad reductora del carbono existente en ella. Entre ellas se encuentra la Demanda Química 
de Oxígeno (DQO), que permite determinar la cantidad de materia orgánica que está en el agua residual. 
 
Las enzimas, en los sistemas biológicos constituyen las bases de las complejas y variadas reacciones que 
caracterizan los fenómenos vitales (Dillon & Hughes, 1999) y algunas de ellas catalizan la hidrólisis de los 
materiales, la cual se produce cuando el polímero tiene principalmente enlaces inestables y algún grado de 
hidrofilia. La característica principal de una reacción catalizada enzimáticamente es que ocurre en un lugar 
específico del enzima, es decir, el sitio activo. La molécula fijada en el sitio activo y sobre la que actúa el enzima 
se denomina sustrato. La interacción de la enzima con el sustrato (reactivo), para formar un complejo 
intermediario, posteriormente, la descomposición del complejo intermediario para formar los productos y 
regenerar la enzima (Phua et al., 1987). Por otro lado, uno de los enfoques utilizados para el desarrollo de 
materiales a ser potencialmente utilizados como sustitutos de hueso, es por medio de materiales compuestos 
tipo esponja con una estructura celular interconectada (Asha et al., 2006; Martínez, 2001). 
 
Acevedo et al. (2004), estudiaron la degradación de la Actividad Antioxidante por tratamiento térmico a 70, 80 y 
90 ºC en jugos de naranja (Citrus sinensis), mandarina (Citrus reticulata), limón (Citrus limon), pomelo (Citrus 
paradisi) y lima Rangpur (Citrus limonia Osbeck). La Actividad Antioxidante fue medida usando el test del DPPH 
(2,2-difenil-1-picrilhidracilo). La degradación de la Actividad Antioxidante sigue una cinética de orden cero. 
 
Rangel et al. (2008), estudiaron la cinética de la hidrólisis enzimática de los compositos mezclados y soportados 
de poliuretano poroso/hidroxiapatita. Las enzimas empleadas para la hidrólisis fueron la papaína, ureasa y 
esterasa debido a que estas enzimas han presentado alguna especificidadsobre algún tipo de enlace en el 
poliuretano. La cinética fue estudiada mediante la aplicación diversas ecuaciones cinéticas para orden 1, 1.5 y 2, 
respectivamente, y se corroboro el orden de reacción mediante la simulación con el software HYPER, el cual 
correspondió al primer orden de reacción. 
 
Huang et al. (2012), estudiaron la cinética y termodinámica de la esterificación de ácido cítrico ( CA) y 
monoglicéridos ( MG ) para ésteres de citrato de monoacilgliceroles catalizadas por Novozym 435 en el sistema 
de alcohol terc -butil se estableció la relación entre la reacción inicial y la enzima con 3 g / L. La cinética de 
reacción de acuerdo con el mecanismo de Ping - Pong Bi -Bi caracterizado por Vmax , KB , KA , y Kia , dio 
valores de 0.7092 mmol / ( min g), 0.0553 , 0.0136 y 0.1948 mol / L, respectivamente. 
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El presente trabajo estudia la actividad degradadora de las enzimas obtenidas a partir de las cáscaras de 
naranja, toronja y piña, sobre la materia orgánica presente en agua residual. 
 
MATERIALES Y METODOS 
 
Para efectuar el estudio cinético de las hidrolasas, se extrajeron las enzimas por medio de una solución salina 
(NaCl y (NH4)2SO4), posteriormente fue filtrado, secado y molido para su almacenamiento; se analizó su 
comportamiento mediante el parámetro de la DQO, para comprobar si las enzimas aumentaban la velocidad de 
degradación de la materia orgánica, se cuantifico la Demanda Química de Oxígeno, utilizando el equipo HACH 
DR/210. 
 
Obtención de las enzimas 
 
Las enzimas fueron obtenidas de las cáscaras de Naranja, Piña y Toronja en un punto de maduración intermedio, 
y estás se sometieron a varios procesos. Las enzimas son intracelulares y es preciso romper las células para su 
extracción; el extracto crudo se solubiliza en agua y las enzimas se precipitan por la adición de sales como 
sulfato de amonio; los precipitados se recuperan por filtración o centrifugación, y se secan. La recuperación de 
las enzimas se llevó a cabo manteniendo condiciones específicas que no afectaran la estructura proteínica, ya 
que de otra manera se pierde la actividad catalítica (Badui, 1993). 
 
Parámetros de la Actividad Enzimática (DQO) 
 
Para comprobar si las enzimas aumentaban la velocidad de degradación de la materia orgánica, se cuantificó la 
demanda química de oxígeno, utilizando el equipo HACH. 
 
La demanda química de oxígeno (DQO), expresada en oxígeno, mide la porción de materia orgánica (M.O), 
biodegradable o no, de una muestra que es susceptible de oxidación por un fuerte oxidante químico (dicromato 
potásico- Cr2O7K2). Se agregaron 0.25 g de la enzima pectinasa de la cáscara de naranja extraída con NaCl y 
(NH4)2SO4 a un matraz y se aforó a 100 mL con agua residual respectivamente, dejándolas actuar por un 
tiempo de dos horas. 
 
Tabla 1: Resumen del método integral para expresiones cinéticas 
 
Cinética Solución 
−
𝒅𝑪𝑨
𝒅𝒕
= 𝒌𝟏𝑪𝑨 𝑙𝑛 (
𝐶𝐴
𝐶𝐴0
) = −𝑘1𝑡 
−
𝒅𝑪𝑨
𝒅𝒕
= 𝒌𝟐𝑪𝑨
𝟐 
1
𝐶𝐴
−
1
𝐶𝐴0
= 𝑘2𝑡 
−
𝒅𝑪𝑨
𝒅𝒕
= 𝒌𝒏𝑪𝑨
𝒏 𝐶𝐴
(1−𝑛)
− 𝐶𝐴0
(1−𝑛)
= (𝑛 − 1)𝑘𝑛𝑡 
 
 
Estudio Cinético 
 
Se llevó a cabo mediante el método integral, el cual es el más confiable para estimar constantes cinéticas y 
órdenes de reacción a partir de datos experimentales. El método básicamente consiste en “integrar” la expresión 
de velocidad para obtener una o varias ecuaciones para estimar los perfiles de concentración; también se utilizó 
el método diferencial; la principal limitación de este método radica en que la diferencia numérica es por 
naturaleza incierta e inexacta. La velocidad se estimará simplemente dividiendo el cambio de concentración por 
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el tiempo. Con este método se busca modificar la expresión de velocidad de manera que sea lineal respecto a 
los parámetros (Tiscareño, 2008); lo anterior se aprecia en la Tabla 1. 
 
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
Enzimas obtenidas a partir de las cáscaras de naranja, piña y toronja 
 
La materia prima para obtener las enzimas, fueron cáscaras de Naranja, piña y toronja. Para llevar a cabo la 
extracción de las enzimas se prepararon 2 soluciones con distintas sales (cloruro de sodio (NaCl) y sulfato de 
amonio [(NH4)2SO4]) con la finalidad de evaluar con cual se extrae mejor la enzima, los cuales se muestran en 
la Tabla 2. 
 
 
Tabla 2: Cantidad de enzimas extraídas 
 
Cáscara 
Cantidad de cáscara 
disuelta en la solución (g) 
Enzima extraída con 
NaCl (g) 
Enzima extraída con 
(NH4)2SO4 (g) 
Naranja 50 6.1 5 
Piña 50 5.8 3.8 
Toronja 50 6.1 4.8 
 
 
Como se puede observar en la Tabla 2 se obtuvo una mayor cantidad de las enzimas en los tres casos al utilizar 
NaCl que con el (NH4)2SO4. Sin embargo, la precipitación y filtración fue más rápida con el sulfato de amonio. 
 
Degradación de la materia orgánica por medio de las enzimas (pectinasas, bromelina) 
 
Se agregaron 0.25 g de la enzima pectinasa de la cáscara de naranja extraída con NaCl y (NH4)2SO4 a un matraz 
y se aforó a 100 mL con agua residual respectivamente, dejándolas actuar por un tiempo de dos horas. Se 
realizó el análisis de la DQO en la muestra de agua residual con y sin enzima. Los resultados obtenidos de la 
DQO de cada muestra se presentan en la Tabla 3. 
 
 
Tabla 3: Comparación de la acción de la enzima con diferentes sales de extracción. 
 
Muestra Cantidad de enzima pectinasa (naranja) DQO (mg/L) 
0 0 g 155 
1 0.25 g extraídos con NaCl 149 
2 0.25 g extraídos con (NH4)2SO4 146 
 
 
Como muestra la Tabla 3, la degradación de la materia orgánica presente en el agua, fue mucho mejor con la 
enzima pectinasa (naranja) extraída por medio del (𝑁𝐻4)2𝑆𝑂4 , ya que degradó 3 mg/L más que con NaCl, lo 
cual verifica lo mencionado por Badui (1993). Por lo que en los posteriores análisis se utilizaron las enzimas 
extraídas con el sulfato de amonio. 
 
Siguiendo el mismo procedimiento, se buscó medir la acción de la enzima a diferentes tiempos, en la Figura 1 se 
representan los datos donde se muestra que con una misma cantidad de enzima (0.25 g) pero a diferentes 
tiempos, la DQO fue disminuyendo alcanzando su mayor acción enzimática entre la primera y segunda hora. 
 
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Fig. 1: Variación de la DQO respecto al tiempo con la 
misma cantidad de enzima Pectinasa (naranja). 
Fig. 2: Obtención de la cantidad óptima de enzima. 
 
 
 
 
 
Fig. 3: Representación para la cinética de orden 1 Pectinasa Fig. 4: Representación para la cinética de orden 1.5 y 2 
Pectinasa. 
 
La enzima pectinasa (naranja) degrada la materia orgánica presente en una muestra de agua residual en un 
tiempopre establecido por lo que se prosiguió a buscar la concentración óptima de la enzima, obteniéndose los 
125
130
135
140
145
150
0:00 1:12 2:24
D
Q
O
 (
m
g/
L)
 
Tiempo de acción de la enzima (h) 
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 0,5 1 1,5 2
D
Q
O
 (
m
g/
L)
 
Cantidad de enzima (g) 
y = -0,0053x + 0,0494 
R² = 0,9756 
-0,9
-0,8
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0 50 100 150 200
ln
[C
A
]/
[C
A
0
] 
Tiempo(min) 
y = 0,0005x - 0,0064 
R² = 0,9636 
y = 5E-05x + 0,0058 
R² = 0,9519 
-0,02
-0,01
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0 50 100 150
Tiempo (min) 
Orden 1.5
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datos mostrados en la Figura 2, donde se puede observar que a medida en que se incrementa la cantidad de 
enzima pectinasa (naranja), la DQO va disminuyendo. 
 
Sin embargo, para la cantidad de 1 g se llega a un punto de saturación, esto significa que la enzima concluyó su 
acción y estaba en proceso de volver a su estado original pues ya no tenía materia orgánica que degradar, pero 
se corre el riesgo de que su acción se revierta. Por lo cual la concentración óptima de esta enzima es de 0.75 g. 
 
Cinética 
 
Con el dato de la concentración óptima contra el tiempo, se prosiguió a calcular la cinética de la Pectinasa (naranja) 
y Bromelina (piña), ya que para la toronja se comportó muy inestable en la remoción de la DQO, estas fueron 
estudiadas mediante la aplicación del método integral ocupando las ecuaciones cinéticas de orden 1, 1.5 y 2. 
 
Para la pectinasa (naranja) se obtuvo las cinéticas correspondientes, observando que el coeficiente de 
correlación R2 es más alto con el orden 1, ya que es el que más se acerca a la unidad, lo que corresponde 
directamente observado en las Figuras 3 y 4. 
 
Para la bromelina (piña) se llevó a cabo el mismo procedimiento obteniendo la siguiente gráfica para el orden 1, 
la cual se observa en la Figura 5, obteniendo una correlación de 0.9725. Para el orden 1.5 y 2 (Figura 6), se 
obtuvo una correlación de 0.973 y 0.9734 correspondientemente. Todo lo anterior refuerza lo obtenido por 
Rangel et al. (2008), mediante simulación con el software HYPER. 
 
 
 
 
Fig. 5: Representación para la cinética de orden 1 
Bromelina. 
 
Fig. 6: Representación para la cinética de orden 1.5 y 2 
Bromelina. 
 
Se puede observar que el coeficiente que más se acerca a la unidad es para el orden 2. Lo que indica que la 
velocidad de reacción es mucho más lenta para la Bromelina en comparación con la Pectinasa. Para este caso la 
cinética cambia mucho debido a las condiciones de trabajo como la concentración, aunque la enzima es efectiva 
no se asemeja a lo obtenido por Acevedo et al. (2004) y Rangel et al. (2008). 
y = -0,0011x + 0,0066 
R² = 0,9725 
-0,18
-0,16
-0,14
-0,12
-0,1
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0
0,02
0 50 100 150 200
ln
(C
A
/C
A
0
) 
Tiempo (min) 
y = 9E-05x - 0,0006 
R² = 0,973 
y = 7E-06x + 0.0064 
R² = 0.9734 
-0,002
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
0 50 100 150
Tiempo (min) 
Orden 1.5 Orden 2
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Una vez obtenidos la cinética de degradación se obtuvo la eficiencia de remoción de materia orgánica 
observando en la tabla 4, que para la pectinasa (naranja) se obtiene el 53.28 % de degradación de la enzima en 
la muestra de agua, lo cual corrobora lo obtenido en la DQO. 
 
Tabla 4: Eficiencia de degradación de las enzimas en la muestra de agua. 
 
Enzima 
Concentración inicial (DQO 
mg/L) 
Concentración final (DQO 
mg/L) 
Eficiencia de 
degradación 
Pectinasa 
(Naranja) 
152 71 53.28 % 
Pectinasa 
(Toronja) 
158 152 3.79 % 
Bromelina 
(Piña) 
156 135 13.46 % 
 
 
 
CONCLUSIONES 
 
De acuerdo a los resultados obtenidos, se logró comprobar que las enzimas obtenidas de las cáscaras de 
Naranja, Piña y Toronja funcionan como catalizadores eficientes en la degradación de la materia orgánica 
presente en una muestra de agua residual. De las tres enzimas estudiadas la de mayor efectividad fue la 
pectinasa proveniente de la naranja, sin embargo la pectinasa proveniente de la toronja no resultó con la 
misma actividad catalítica, esto puede tener varias razones, que la cantidad de pectinasa que se encuentra 
presente en la cáscara es escasa o que las condiciones de la fruta no fueron las adecuadas para el desarrollo de 
estás, se necesitaría una caracterización para obtener una explicación más concisa y exacta. Por otra parte, la 
bromelina (piña) si degradó la materia orgánica aunque en una menor proporción probablemente porque es una 
enzima específica para uniones peptídicas. 
 
Con los datos obtenidos mediante la DQO y aplicando el método integral se obtuvó que la reacción de la 
pectinasa (naranja) es de primer orden, mientras que para la bromelina es de segundo orden. Además que la 
velocidad inicial de reacción de la pectinasa (naranja) fue de −𝑟𝐴0 = 0.5333 𝑚𝑔 𝐿 ∙ 𝑚𝑖𝑛⁄ mientras que la 
velocidad inicial de la bromelina (piña) fue de −𝑟𝐴0 = 0.1333 𝑚𝑔 𝐿 ∙ 𝑚𝑖𝑛⁄ , observándose que para la pectinasa 
(naranja) la velocidad es mayor por lo que tuvo un mejor incremento en la degradación de la materia orgánica. 
 
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