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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA OBTENCIÓN DE QUERATINA A PARTIR DE CABELLO HUMANO PARA LA FORMULACIÓN DE UN PRODUCTO COSMÉTICO TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROYECTO DE INVESTIGACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO AUTOR: OSCAR ALEXANDER SUÁREZ GONZAGA TUTOR: DR. ULLRICH RAINER STAHL, Ph.D QUITO 2017

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

OBTENCIÓN DE QUERATINA A PARTIR DE CABELLO HUMANO PARA LA

FORMULACIÓN DE UN PRODUCTO COSMÉTICO

TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROYECTO DE INVESTIGACIÓN PARA

LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO

AUTOR: OSCAR ALEXANDER SUÁREZ GONZAGA

TUTOR: DR. ULLRICH RAINER STAHL, Ph.D

QUITO

2017

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© DERECHOS DE AUTOR

Yo, OSCAR ALEXANDER SUÁREZ GONZAGA en calidad de autor del trabajo de

titulación, modalidad proyecto de investigación: OBTENCIÓN DE QUERATINA A

PARTIR DE CABELLO HUMANO PARA LA FORMULACIÓN DE UN PRODUCTO

COSMÉTICO, autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR hacer uso de

todos los contenidos que me pertenecen o parte de los que contiene esta obra, con

fines estrictamente académicos o de investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente

autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los

artículos 5, 6, 8; 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su

Reglamento.

Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la

digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de

conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.

En la ciudad de Quito, a los 18 días del mes de mayo del 2017.

----------------------------------------

Oscar Alexander Suárez Gonzaga

C.C. 1723433817

[email protected]

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APROBACIÓN DEL TUTOR

Yo, DR. ULLRICH STAHL en calidad de tutor del trabajo de titulación modalidad

proyecto de investigación, titulado “OBTENCIÓN DE QUERATINA A PARTIR DE

CABELLO HUMANO PARA LA FORMULACIÓN DE UN PRODUCTO COSMÉTICO”,

elaborado por el estudiante OSCAR ALEXANDER SUÁREZ GONZAGA de la carrera

de Ingeniería Química, Facultad de INGENIERÍA QUÍMICA de la Universidad Central

del Ecuador, considero que el mismo reúne los requisitos y méritos necesarios en el

campo metodológico y en el campo epistemológico, para ser sometido a la evolución

por parte del jurado examinador que se designe, por lo que lo APRUEBO, a fin de que

el trabajo investigativo sea habilitado para continuar con el proceso de titulación

determinado por la Universidad Central del Ecuador.

En la ciudad de Quito, a los 18 días del mes de mayo del 2017.

------------------------------------------------------------

Dr. Ullrich Stahl

PROFESOR TUTOR

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iv

DEDICATORIA

A mi madre Nancy por estar siempre

pendiente de todos mis pasos,

alentándome en las caídas y

motivándome siempre. A mi padre Oscar

que, desde el cielo, sé que guía mi

camino y sigue pendiente de mí. A mis

hermanos Paola y Alex por su ayuda

constante en este largo camino.

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v

AGRADECIMIENTOS

A la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, por ser mi

centro de formación profesional, que me ha ayudado proporcionándome

conocimientos en todos estos años de carrera.

Al Doctor Ullrich Stahl, tutor de mi trabajo de grado, que me supo guiar y proporcionar

conocimientos que me permitieron realizar de la mejor manera este trabajo.

A la Doctora Magdalena Díaz y al Doctor Pablo Araujo por sus consejos aportados en

la culminación de este trabajo y a todos los profesores de la Facultad de Ingeniería

Química que, con su mejor esfuerzo, se encargan de impartir conocimiento para la

formación de nuevos profesionales.

A mis amigos Patricio, Edison, Ramiro y Marlon, que estuvieron conmigo todo este

tiempo recorriendo el mismo camino, y que siempre supieron apoyarme en los malos

momentos, solo ellos saben el verdadero esfuerzo y sacrificio que se emplea en

alcanzar esta meta.

Y a todos quienes de forma directa o indirecta colaboraron para que esta investigación

culmine exitosamente.

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vi

CONTENIDO

Pág.

LISTA DE TABLAS ........................................................................................................... ix

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... xi

LISTA DE ANEXOS ......................................................................................................... xii

RESUMEN ...................................................................................................................... xiii

ABSTRACT ..................................................................................................................... xiv

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1

1. MARCO TEORICO ................................................................................................... 3

1.1. Cabello humano .................................................................................................... 3

1.1.1. Composición química ........................................................................................... 4

1.3. Clasificación de la Queratina ................................................................................ 6

1.3.1. β-Queratina ........................................................................................................... 6

1.3.2. α-Queratina ........................................................................................................... 7

1.4. Modificaciones químicas del cabello .................................................................... 8

1.4.1 Cabello inalterado (virgen). .................................................................................. 9

1.4.2. Cabello modificado químicamente ....................................................................... 9

1.4.3. Decoloración del cabello ...................................................................................... 9

1.5. Métodos de extracción de queratina de cabello humano .................................. 10

1.5.1. Métodos basados en oxidación. ......................................................................... 11

1.5.2. Métodos basados en reducción ......................................................................... 11

2. MARCO EXPERIMENTAL ...................................................................................... 14

2.1. Proceso Experimental......................................................................................... 14

2.1.1. Tratamiento de la materia Prima ........................................................................ 14

2.1.2. Obtención de queratina ...................................................................................... 14

2.1.3. Caracterización física y química del hidrolizado de queratina........................... 14

2.1.4. Análisis de costos ............................................................................................... 14

2.1.5. Formulación de un producto cosmético ............................................................. 15

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vii

2.2. Diseño Experimental ........................................................................................... 15

2.3. Materiales y Equipos .......................................................................................... 17

2.4. Sustancias y reactivos ........................................................................................ 18

2.5. Procedimiento ..................................................................................................... 19

2.5.1. Obtención de Queratina ..................................................................................... 19

2.5.2. Materia Prima ...................................................................................................... 19

2.5.3. Lavado y secado ................................................................................................. 19

2.5.4. Hidrólisis con Sulfuro de sodio ........................................................................... 19

2.5.5. Proceso de hidrólisis inverso .............................................................................. 19

2.5.6. Caracterización del hidrolizado de queratina obtenido ...................................... 20

2.5.6.1. Cuantificación de Proteína ................................................................................ 20

2.5.6.2. Determinación de la densidad .......................................................................... 21

2.5.6.3. Determinación del porcentaje de sólidos .......................................................... 22

2.5.6.4. Determinación de la viscosidad ........................................................................ 23

2.5.6.5. Análisis Elemental ............................................................................................. 23

2.5.6.6. Determinación de color y olor del hidrolizado ................................................... 24

2.5.7. Formulación de un acondicionador para el cabello ........................................... 24

2.5.7.1. Controles Organolépticos .................................................................................. 25

2.5.7.2. Controles fisicoquímicos ................................................................................... 25

2.5.7.3. Análisis Microbiológico ...................................................................................... 26

3. DATOS EXPERIMENTALES .................................................................................. 28

3.1. Valores de absorción de las 27 soluciones de queratina obtenidas ................. 28

3.2. Datos obtenidos para la determinación de porcentaje de sólidos. .................... 29

3.3. Determinación de la densidad ............................................................................ 30

3.4. Densidad y viscosidad del agua a diferentes temperaturas .............................. 31

3.5. Determinación de la viscosidad .......................................................................... 31

4. CÁLCULOS ............................................................................................................. 32

4.1. Caracterización de la queratina obtenida........................................................... 32

4.1.1. Cuantificación de proteínas totales .................................................................... 32

4.1.2 Densidad ............................................................................................................. 33

4.1.3. Viscosidad ........................................................................................................... 33

4.1.4. Porcentaje de sólidos ......................................................................................... 34

4.2. Análisis Estadístico ............................................................................................. 34

4.3. Determinación del costo de queratina producido en el laboratorio ................... 38

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4.3.1. Costos directos ................................................................................................... 38

4.3.2. Costos Indirectos ................................................................................................ 41

4.3.3. Costo del hidrolizado de queratina a partir de cabello humano. ....................... 41

4.3.4. Costo de la queratina comercial. ........................................................................ 42

4.4. Determinación del costo del acondicionador capilar producido ........................ 43

4.4.1. Costos Directos................................................................................................... 43

4.4.2. Costos Indirectos.. .............................................................................................. 44

4.4.3. Cálculo del costo total......................................................................................... 44

4.4.4. Costo de acondicionador comercial ................................................................... 45

5. RESULTADOS ........................................................................................................ 46

5.1. Procedimiento realizado para la obtención de queratina .................................. 46

5.2. Cuantificación de proteínas ................................................................................ 47

5.3. Densidad de los hidrolizados de queratina obtenidos ....................................... 48

5.4. Viscosidad de las soluciones de Queratina ....................................................... 49

5.5. Porcentaje de sólidos de las soluciones de Queratina ...................................... 50

5.6. Análisis Estadístico para la obtención de queratina .......................................... 51

5.7. Mejores condiciones ........................................................................................... 53

5.8. Análisis elemental ............................................................................................... 53

5.9. Resultados caracterización de queratina ........................................................... 54

5.10. Caracterización de acondicionador capilar ........................................................ 54

5.11. Análisis de costos ............................................................................................... 55

6. DISCUSIÓN ............................................................................................................ 56

7. CONCLUSIONES.................................................................................................... 61

8. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 62

CITAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................................. 63

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 66

ANEXOS ......................................................................................................................... 68

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ix

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Especies químicas presentes en el cabello humano ........................................ 4

Tabla 2. Procedencia de distintos tipos de queratina ..................................................... 8

Tabla 3. Aminoácidos presentes en el cabello inalterado ............................................... 9

Tabla 4. Métodos de extracción de queratina ................................................................ 11

Tabla 5. Variables del diseño experimental ................................................................... 16

Tabla 6. Codificación de las 27 unidades experimentales ............................................ 16

Tabla 7. Datos para la construcción de la curva de calibración .................................... 21

Tabla 8. Fórmula para acondicionador capilar con queratina ....................................... 24

Tabla 9. Valores de absorbancia de los hidrolizados de queratina ............................... 28

Tabla 10. Masas para la determinación del porcentaje de sólidos ............................... 29

Tabla 11. Valores para la determinación de la densidad .............................................. 30

Tabla 12. Densidad y viscosidad del agua a diferentes temperaturas.......................... 31

Tabla 13. Datos para cálculo de viscosidad a 19oC ...................................................... 31

Tabla 14. Codificación de factores para el diseño estadístico ...................................... 34

Tabla 15. ANOVA para diseño estadístico factorial 3k .................................................. 36

Tabla 16. Costo de materia prima para la obtención de queratina en el laboratorio .... 38

Tabla 17. Potencia, tiempo de uso, consumo y costo de la energía utilizada por los

equipos ........................................................................................................................... 39

Tabla 18. Costo de insumos para la obtención del hidrolizado de queratina en el

laboratorio ....................................................................................................................... 40

Tabla 19. Costos de mano de obra directa para obtención de queratina en laboratorio

........................................................................................................................................ 40

Tabla 20. Amortización del costo de los equipos utilizados .......................................... 41

Tabla 21. Costo de materia prima .................................................................................. 43

Tabla 22. Costo mano de obra directa ........................................................................... 43

Tabla 23. Costo de la energía utilizada para la elaboración de acondicionador .......... 44

Tabla 24. Costo de Insumos .......................................................................................... 44

Tabla 25. Amortización ................................................................................................... 44

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x

Tabla 26. Concentración y cantidad de proteína presentes en los hidrolizados de

queratina ......................................................................................................................... 47

Tabla 27. Densidad de hidrolizados de queratina obtenidos ........................................ 48

Tabla 28. Viscosidad de hidrolizados de queratina obtenidos ...................................... 49

Tabla 29. Porcentaje de sólidos de los hidrolizados de queratina obtenidos ............... 50

Tabla 30. ANOVA para la obtención de queratina ........................................................ 51

Tabla 31. Resultados condiciones óptimas para la obtención de queratina ................. 53

Tabla 32. Análisis elemental de hidrolizado de queratina y solución de caseína

estándar .......................................................................................................................... 53

Tabla 33. Caracterización del hidrolizado de queratina obtenido ................................. 54

Tabla 34. Caracterización del acondicionador capilar obtenido .................................... 54

Tabla 35. Análisis económico de hidrolizado de queratina y acondicionador capilar

obtenidos. ....................................................................................................................... 55

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xi

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Estructura de la fibra capilar ............................................................................. 3

Figura 2. Estructura de un aminoácido ............................................................................ 5

Figura 3. Esquema de los tipos de enlaces presentes en la queratina........................... 5

Figura 4. Lamina de β-queratina A) Estructura Paralela B) Estructura Antiparalela ...... 6

Figura 5. Formación de filamento de α -queratina ........................................................... 7

Figura 6. Estructura de Dehidroalanina ......................................................................... 13

Figura 7. Estructura de la Lantionina ............................................................................. 13

Figura 8. Estructura de Lisinoalanina ............................................................................ 13

Figura 9. Diagrama de Flujo del proceso de obtención de queratina ........................... 15

Figura 10. Diseño Experimental ..................................................................................... 17

Figura 11. Viscosímetro de Ostwald .............................................................................. 23

Figura 12. Curva de calibración para cuantificación de proteínas totales .................... 32

Figura 13. Cálculos en STATGRAPHICS ...................................................................... 37

Figura 14. Diagrama de flujo del procedimiento realizado para la obtención de

queratina ......................................................................................................................... 46

Figura 15. Efectos principales para concentración de proteína .................................... 52

Figura 16. Efecto de la concentración de Na2S en la concentración de proteína ........ 52

Figura 17. Condiciones óptimas para la obtención de queratina .................................. 53

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xii

LISTA DE ANEXOS

Pág.

ANEXO A. Proceso de obtención de Queratina ........................................................... 69

ANEXO B. Caracterización del Hidrolizado de Queratina obtenido ............................. 72

ANEXO C. Formulación de acondicionador capilar con queratina .............................. 73

ANEXO D. Caracterización del acondicionador capilar formulado .............................. 74

ANEXO E. Ficha técnica de hidrolizado de Queratina ................................................. 77

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xiii

OBTENCIÓN DE QUERATINA A PARTIR DE CABELLO HUMANO PARA LA

FORMULACIÓN DE UN PRODUCTO COSMÉTICO

RESUMEN

Obtención de un hidrolizado de queratina mediante hidrólisis alcalina de residuos de

cabello humano, procedentes de salones de belleza y posterior uso del mismo en la

formulación de un acondicionador capilar.

Se inició la experimentación con el pretratamiento de la materia prima mediante

lavado, secado y reducción de tamaño a 1 cm. Luego se realizó el proceso de

hidrólisis a una temperatura constante de 40°C durante cuatro horas, utilizando sulfuro

de sodio. Se evaluó la concentración de proteína del hidrolizado en función de las

variables, concentración de sulfuro de sodio: 0,1M, 0,3M y 0,5M y volumen de

peróxido de hidrógeno al 30%: 1; 2,5 y 4 mL.

Se realizó el análisis ANOVA y con el software Statgraphics se determinaron las

mejores condiciones del proceso, las cuales fueron: 0,45M de sulfuro de sodio y 3,08

mL de peróxido de hidrógeno. El hidrolizado de queratina obtenido tiene una

concentración aproximada de proteína de 7,53 mg/mL.

La caracterización física del hidrolizado de queratina determinó que cumple con las

especificaciones técnicas y se lo usó como aditivo cosmético en la formulación de un

acondicionador, cuyo análisis microbiológico evidenció que no existe la presencia de

microorganismos que puedan afectar a la salud humana.

PALABRAS CLAVE: / HIDROLIZADO DE QUERATINA/ CABELLO HUMANO/

HIDRÓLISIS ALCALINA/ ACONDICIONADOR CAPILAR/ PRODUCTOS

COSMÉTICOS/

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xiv

OBTAINING KERATIN FROM HUMAN HAIR FOR THE FORMULATION OF A

COSMETIC PRODUCT

ABSTRACT

A keratin hydrolyzate was obtained by via alkaline hydrolysis of human hair residues

from beauty salons. The resulting hydrolyzate was then added to a self developed hair

conditioner formulation.

Experimentation initiated with the pretreatment of the raw material, namely, washing,

drying and size reduction to approximately 1 cm. The hydrolysis process was then

carried out at a constant temperature of 40°C for 4 hours using sodium sulfide. The

protein concentration of the hydrolyzate was evaluated as a function of the variables

concentration of 0,1M; 0,3M and 0,5M sodium sulfide; and 1 mL; 2,5 mL and 4 mL of

30% hydrogen peroxide volumes.

An ANOVA analysis was carried out and with the STATGRAPHICS software the best

conditions for the process were determined. The results were: 0,45M sodium sulfide

with 3,08 mL of hydrogen peroxide. The keratin hidrolyzate obtained had a protein

concentration of approximately 7,53 mg/mL.

The physical characterization of the keratin hidrolyzate determined that it meets with

the technical specifications and was used as a cosmetic additive for the preparation of

a hair conditioner. The formulated capillary conditioner was subjected to a

microbiological analysis, determining that there was no presence of microorganisms

that could affect health.

KEYWORDS: /KERATIN HIDROLIZATE / HUMAN HAIR / ALKALINE HYDROLYSIS /

HAIR CONDITIONER/ COSMETICS PRODUCTS/

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1

INTRODUCCIÓN

El cabello humano actualmente es considerado un desecho fácilmente disponible, que

va en aumento debido al incremento de la población mundial. Se compone de

extensas cadenas de proteínas de las cuales la más abundante es la queratina.

La queratina es una proteína que ha ido tomando popularidad en los últimos tiempos.

Se la conoce más ampliamente en la industria cosmética. Se le atribuyen varias

propiedades al ser aplicada sobre el cabello, como brillo, elasticidad y resistencia.

También tiene aplicaciones en otras industrias como la agrícola, alimenticia y textil.

En el Ecuador, el cabello humano de determinada calidad se emplea únicamente para

la elaboración de extensiones, los residuos de cabello producidos por centros de

belleza no son aprovechados. Nuestro país ha importado queratina cosmética:

823.035 toneladas en 1999 a 2’121.009 toneladas en el 2011, que proviene de países

como Brasil, México, Colombia y Argentina, habiendo invertido aproximadamente 73

millones de dólares. En el 2014 las importaciones de cosméticos se redujeron un 35%,

pero la sustitución de importaciones en materias primas para este sector aún es

mínima. Hasta el momento el 90% (de materias primas) es importado, y hay muy poca

producción nacional.

Se han encontrado investigaciones de métodos de obtención de queratina a partir de

residuos agroindustriales como lo son las plumas de pollo, pero no existen reportes del

aprovechamiento de residuos de cabello humano, para obtener esta misma proteína.

Basado en estas evidencias, así es como nace, la necesidad de aprovechar de mejor

manera los residuos de cabello, para producir un hidrolizado de queratina y de esta

manera reducir la obligación de importación de esta materia prima para la elaboración

de distintos productos cosméticos.

El presente trabajo propone desarrollar un procedimiento a escala de laboratorio para

obtener queratina hidrolizada de residuos de cabello humano provenientes de centros

de belleza, mediante reacciones de hidrólisis con sulfuro de sodio. Cuantificar la

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2

proteína total presente en el hidrolizado mediante espectrofotometría UV-Vis y analizar

los costos del hidrolizado obtenido con un hidrolizado de queratina comercial.

Posteriormente se formuló un acondicionador capilar, utilizando como aditivo el

hidrolizado de queratina obtenido.

Para la caracterización del hidrolizado obtenido se evaluaron algunas propiedades

físicas y químicas como: densidad, viscosidad, color, olor y pH. Para este trabajo se

recolectó la muestra de residuos de cabello sin distinción entre edad, sexo o grupo

étnico.

Para realizar el tratamiento estadístico de los datos obtenidos se utilizó el programa

STATGRAPHICS CENTURION en el cual se analizaron las variables: Sulfuro de sodio

y peróxido de hidrógeno con el objetivo de conocer la variable de más relevancia en

experimentación.

Para la elaboración del acondicionador se partió de una formulación base y se

realizaron ensayos físicos y químicos, para determinar si este producto cumple con los

requisitos establecidos de elaboración de cosméticos y se comprobó que no contiene

microorganismos que puedan afectar a la salud.

Como resultado de este trabajo de investigación, se concluyó que se puede obtener un

hidrolizado de queratina a partir de residuos de cabello humano mediante hidrólisis

alcalina y éste puede ser utilizado como aditivo para la formulación de un

acondicionador capilar y distintos productos cosméticos.

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3

1. MARCO TEORICO

1.1. Cabello humano

El cabello es una fibra natural rica en la proteína queratina. Las funciones principales

de ésta fibra son conservar el calor del cuero cabelludo y protegerlo de todo factor

externo que pueda provocarle lesiones. Se forma en el folículo de la hipodermis y está

situado en distintas partes de la piel humana (Wilkinson y Moore, 1990).

Como se muestra la figura 1 una fibra de cabello está compuesta por:

Figura 1. Estructura de la fibra capilar (Bhushan, 2010, p.2)

La médula. Es la parte que se encuentra en el centro del cabello. Está formada por

células esponjosas y semiblandas separadas entre sí. Nutre y mantiene la humedad

del cabello. Se pueden dar casos en los que el cabello no presenta medula; esto se

ve en cabellos muy finos, en cabellos de personas mayores o de niños. Su

presencia no es significativa, su ausencia no altera las propiedades del cabello

(Palma, 2007, p.41).

Cortex. Es la parte más extensa de la fibra capilar y ocupa el 70% de su superficie.

Se encuentra entre la cutícula y la médula, le da al cabello elasticidad, fuerza y la

capacidad de recuperar su forma original después de deformarse. Aquí se

encuentra el pigmento responsable de dar color al cabello, la melanina.

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4

Cutícula. Es la capa externa que proporciona protección a la fibra capilar,

cuidándola de fuerzas de orden físico y químico que pueden dañar con rapidez el

cabello. Está formada de entre 5 y 10 capas de células muertas, también conocidas

como escamas cuticulares. Protege al cortex y su integridad, provee de brillo al

cabello además de facilidad de deslizamiento cuando se cepilla (Milady,2015,

p.226). La porosidad de la fibra capilar depende de la cutícula. Esto determina

cuanta humedad puede entrar o salir del cabello. Los factores externos, tales como

la exposición ambiental, tratamientos de calor y procesos químicos pueden afectar

esta porosidad. Así, un cabello con baja porosidad tiene una cutícula fuertemente

unida y repele la humedad. Mientras que un cabello con una alta porosidad tiene

una cutícula debilitada, lo que provoca que penetre o se pierda demasiada

humedad (Carrillo, 2003, p.108).

1.1.1. Composición química. “La mayor parte del cabello está constituido por una

sustancia proteica insoluble denominada queratina, la cual se forma como producto

final del proceso de queratinización que tiene lugar en el folículo”. (Wilkinson y Moore,

1990, p.449).

La queratina es una proteína que constituye entre el 65 y 95% en masa del peso total

del cabello humano, dependiendo del nivel de hidratación de éste. La forma del cabello

depende totalmente de los enlaces disulfuro presentes en la queratina. Su contenido

de aminoácidos puede variar, dependiendo si se trata de un cabello inalterado o de un

cabello que ha sido sometido a tratamientos de blanqueo, tinturado, alisado, etc

(Robbins, 2002, p.63). La tabla 1 muestra las especies químicas presentes en el

cabello humano.

Tabla 1. Especies químicas presentes en el cabello humano (Bharat Bhushan,

2010, p.3)

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1.2. Queratina

La queratina es una proteína fibrosa presente en todos los vertebrados, se presenta en

forma de microfibrillas y está compuesta por aminoácidos ricos en azufre (Gupta,

Kamarudin, Kee, & Yunus, 2012, p.735).

Las proteínas fibrosas están constituidas de cadenas de polipéptidos orientadas lado a

lado en filamentos largos. Debido a que estas proteínas son resistentes e insolubles

en agua, se utilizan en la naturaleza para formar materiales estructurales como: uñas,

cuernos, pezuñas, picos, garras entre otros (McMurry, 2012, p.1038). La queratina,

como otras proteínas, está compuesta por aminoácidos, sustancias cuya fórmula

general se muestra en la figura 2:

Figura 2. Estructura de un aminoácido

Se conocen aproximadamente veinticinco aminoácidos diferentes que forman las

proteínas y, de éstos, dieciocho se encuentran en cantidades mesurables en la

queratina. La queratina muestra características exclusivas como proteína debido a la

presencia de diferentes enlaces los cuales se muestran en la figura 3:

Figura 3. Esquema de los tipos de enlaces presentes en la queratina (Bharat

Bhushan, 2010)

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6

Puentes de Hidrógeno: Los puentes de hidrógeno se forman por interacción del

grupo NH con un grupo CO adecuadamente situado.

Enlaces Salinos: Como algunas de las cadenas laterales del polipéptido contienen

grupos ácidos (COO-) y otras contienen grupos básicos (NH3+), existe la posibilidad

de formación de sales entre ellas, si los grupos están favorablemente colocados.

Enlaces Disulfuro: La extrema solidez y la insolubilidad de la queratina se atribuye

a su contenido de cistina. Este dímero contiene dos grupos amino y dos grupos

carboxílicos; así pueden incorporarse a dos cadenas polipéptidas que están

enlazadas juntas por un enlace disulfuro (Wilkinson y Moore, 1990, p.450).

1.3. Clasificación de la Queratina

En la naturaleza se encuentran dos tipos de queratinas, la β-queratina y la α-queratina,

las cuales muestran una alta resistencia mecánica y térmica.

1.3.1. β-Queratina. La β-queratina no presenta cisteína. Por lo tanto, contiene pocos

entrecruzamientos a través de puentes disulfuro (cistina). La β-queratina es una

estructura laminar plegada que constituye el componente principal de los tejidos

aviares y reptiles, como las plumas, las garras y los picos de las aves (Navarro, 1992).

Esta conformación beta de la queratina se presenta en dos configuraciones: una

estructura paralela y una estructura antiparalela como se observa en la figura 4.

Figura 4. Lamina de β-queratina A) Estructura Paralela B) Estructura Antiparalela

(Kajava, Squire, & Parry, 2006, p.2)

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La forma paralela consiste de cadenas proteicas que corren en la misma dirección

(desde el terminal N al terminal C); la antiparalela consiste de cadenas que corren en

direcciones opuestas. En estas estructuras cada sección se mantiene enlazada

mediante puentes de hidrógeno.

En la formación del filamento de β-queratina, la región central de una cadena de

polipéptidos se pliega para formar cuatro hebras β laterales, que después se enlazan

mediante puentes de hidrogeno, dando como resultado una lámina plegada.

Posteriormente, la lámina se distorsiona para quedar en una superficie helicoidal. Dos

láminas plegadas se superponen y se desplazan en direcciones opuestas, formando el

filamento (B. Wang, Yang, McKittrick, & Meyers, 2015, p.9).

1.3.2. α-Queratina. La α- queratina se caracteriza por tener la presencia de cisteína,

un aminoácido que forma puentes disulfuro, lo que proporciona rigidez y resistencia a

este tipo de proteína.

La estructura primaria de la α-queratina se encuentra plegada sobre sí misma

adquiriendo tres dimensiones, con lo que se observa una estructura secundaria

llamada así proteína α-hélice. La α-queratina del cabello y de la lana consta de largas

α-hélices dextrógiras. La formación del filamento de queratina se observa en la figura 5

Figura 5. Formación de filamento de α -queratina

El enrollamiento de 2 α-hélices da lugar a un helicoide enrollado levógiro. La

asociación de 2 helicoides enrollados da lugar a un protofilamento y 4 protofilamentos

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forman una protofibrilla y 4 protofibrillas finalmente forman una hebra de queratina

(Vílchez, 2005).

En el cabello humano, existen dos subtipos de α-queratina, queratina tipo I (ácida) y

queratina tipo II (básica), interactúan entre sí y forman una hélice heterodímera zurda.

Dos dímeros se combinan entonces en anti-paralelo para formar un tetrámero

derecho. Estos procesos jerárquicos se producen hasta la consiguiente transformación

en filamentos intermedios de bobina helicoidal (Lee et al., 2014, p.256). Estos dos

tipos de queratina presentadas forman parte de distintos tipos de materiales.

A continuación, en la tabla 2, se presentan algunos ejemplos:

Tabla 2. Procedencia de distintos tipos de queratina (B. Wang et al., 2015, p.141)

Tipo de queratina Donde se encuentra

α-queratina Lana, cabello, uñas, cuernos, pezuñas,

estrato córneo

β –queratina Plumas, picos y garras de aves, garras y

escamas reptilianas

α-y β-queratina Epidermis de reptil, escamas de

pangolín

Además, existen otros tipos de clasificaciones que se han reportado. En términos de

biosíntesis y de cantidad de enlaces disulfuro, las queratinas pueden clasificarse como

queratinas blandas y queratinas duras.

Generalmente, las queratinas duras son distinguidas por su alto contenido de cisteína,

bajo contenido de glicina, y poseen una durabilidad estructural y fuerza, mientras que

las queratinas blandas son débilmente consolidadas y poseen una menor cantidad de

azufre que entrelaza las fibras (B. Wang et al., 2015).

1.4. Modificaciones químicas del cabello

El cabello puede sufrir alteraciones en su composición, dependiendo del tipo de

tratamiento al que sea sometido. La decoloración es uno de los procesos comúnmente

más usados cuando se desea cambiar de tono al cabello natural.

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Teniendo esto en cuenta, se pueden distinguir dos tipos de cabellos:

1.4.1 Cabello inalterado (virgen). Este tipo de cabello nunca ha sido expuesto a

tratamientos químicos para modificar su forma o su color, conserva sus propiedades

naturales y generalmente es usado en la elaboración de extensiones de cabello o

pelucas. Se han identificado 21 aminoácidos en el cabello humano inalterado. Estos

aminoácidos se presentan en la tabla 3 (Robbins, 2013, p.68).

Tabla 3. Aminoácidos presentes en el cabello inalterado

Aminoácidos

1. Ácido aspártico 12. Leucina

2. Treonina 13. Tirosina

3. Serina 14. Fenilalanina

4. Ácido glutámico 15. Ácido cisteico

5. Prolina 16. Lisina

6. Glicina 17. Histidina

7. Alanina 18. Arginina

8. Semi-cistina 19. Cisteína

9. Valina 20. Triptófano

11. Isoleucina 21. Citrulina

1.4.2. Cabello modificado químicamente. Este tipo de cabello es tratado

químicamente en procesos como: decoloración, permanentes, tintes, alisados u

ondulados, con el fin de cambiar la forma o el color del cabello natural. Como

consecuencia del tratamiento, en el cabello existe la presencia de derivados de

aminoácidos como el ácido cisteico, también en el caso de ondulaciones o

blanqueamiento se ha reportado una reducción en el contenido de cistina (Robbins,

2013, p.74).

1.4.3. Decoloración del cabello. En el proceso de decoloración del cabello

interviene un agente oxidante, el cual es el encargado de oxidar los pigmentos

responsables del color. Existen dos pigmentos la eumelanina responsable de las

coloraciones oscuras, del marrón al negro y la feomelanina que provoca coloraciones

claras, del amarrillo al marrón rojizo provocando la aclaración del tono natural del

cabello. El peróxido de hidrógeno es el principal agente oxidante usado en

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composiciones, cuyo fin es decolorar el cabello. Es usado junto con sales de persulfato

que actúan como aceleradores y con hidróxido de amonio que permite abrir la cutícula

de la fibra capilar, lo que facilita el proceso de oxidación.

El pH de estos sistemas es generalmente de 9 a 12 y se usan estabilizantes para

disminuir la velocidad de descomposición del peróxido. El peróxido penetra en la fibra

capilar, reaccionando más rápido con el pigmento del cabello llamado melanina que

con las proteínas. Sin embargo, debido a que el cabello contiene un gran porcentaje

de agrupaciones oxidables, también ocurre la degradación de las proteínas en este

proceso.

Se ha demostrado que del 15 al 25% de los enlaces disulfuro del cabello humano se

degradan durante el blanqueo normal. Sin embargo, hasta un 45% de los enlaces de

cistina pueden romperse. Esta última cantidad de daño puede ocurrir mientras se

blanquea el pelo de un tono negro a rubio claro.

El ácido sulfónico es el principal producto final establecido de la ruptura oxidativa del

enlace disulfuro en el proceso de decoloración del cabello humano. Los productos de

oxidación intermedios de la cistina (es decir, el monóxido disulfuro, dióxido, trióxido y

tetróxido) no existen como productos finales significativos. Sin embargo, se han

presentado pruebas que demuestran bajos niveles de óxidos de cistina en cabello

blanqueado (Robbins, 2013, p.153).

1.5. Métodos de extracción de queratina de cabello humano

La solubilización de la queratina con alto contenido de cistina a partir del cabello

requiere condiciones duras y procesos adicionales para estabilizar las moléculas de

queratina. La ruptura de los enlaces disulfuro para permitir la extracción de queratina

del cabello, sin romper los enlaces peptídicos, ha sido una preocupación principal para

estos procesos. Los reactivos empleados y las condiciones de extracción

generalmente utilizadas se presentan a continuación en la tabla 4.

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Tabla 4. Métodos de extracción de queratina (Lee et al., 2014, p.258)

Método Reactivos /condición

Derivado de disulfuro en

queratina después de la extracción

Fracciones de queratina extraídas

0,125 M Sulfuro de sodio / 40°C por 4h

Grupo sulfhidrilo α-queratina (45 y 50 kilodalton) y dímero

Basado en

reducción

1M Acido tioglicólico (pH 10.2) / 12h

Grupo sulfhidrilo α-queratina (43 y 64 kDa), dímeros (arriba de 100 KDa)

25mM Tris-HCl, 2,6 M tiourea, 5M urea y 5% 2-mercaptoetanol (pH 8.5) / 50°C por 1-3 días

Grupo sulfhidrilo (-SH)

α-queratina (40-60 kDa), dímeros o multímeros (110-115 y 125-135 kDa)

Basado en

oxidación

2% Ácido Peracético / 37°C por 12h

Ácido Sulfónico (-SO3H)

α-queratina (40-60 kDa), dímeros o multímeros (60-160 kDa)

1.5.1. Métodos basados en oxidación. En la extracción de queratina basada en la

oxidación, se han utilizado varios agentes oxidantes tales como el ácido peracético o

ácido perfórmico para oxidar los enlaces disulfuro a derivados de ácido sulfónico,

dando como resultado una forma oxidada de queratina designada como queratosa. De

experimentos realizados tratando lana con ácido peracético se ha reportado una

ruptura frecuente de los enlaces peptídicos, las proteínas de la queratina fueron

parcialmente oxidadas y los grupos sulfhidrilos no modificados permanecieron

inalterados. Mientras que al emplear ácido perfórmico para oxidar las fibras de

queratina apenas se produjo una ruptura de enlaces peptídicos, obteniéndose un

mayor rendimiento de queratina.

1.5.2. Métodos basados en reducción. En estos métodos ocurre un rompimiento de

los enlaces disulfuro de la molécula de queratina y se reducen para convertirse en

grupos sulfhidrilo mediante una hidrólisis alcalina, llegándose a obtener una forma

reducida de queratina.

Los reactivos generalmente utilizados para reducir los enlaces disulfuro son el Sulfuro

de sodio, 2-mercaptoetanol y ácido tioglicólico. En general, los enlaces disulfuro se

hidrolizan fácilmente a un pH alto en presencia de iones hidróxido, pero las

condiciones alcalinas severas también dan lugar a la destrucción de las cadenas

peptídicas. La queratina obtenida por ese método, es inestable y vulnerable a oxidarse

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en ambientes de pH normales a ambientes ligeramente ácidos debido a la alta

reactividad de los grupos sulfhidrilo (Lee et al., 2014, p.258).

1.5.2.1. Hidrólisis con sulfuro de sodio. El proceso de endurecimiento final en la

queratinización natural está estrechamente relacionado con la desaparición de los

grupos sulfhidrilo y la formación de disulfuro. Por lo tanto, es razonable tratar de

invertir el proceso por medio de agentes reductores para obtener un hidrolizado de

queratina (Ward & Lundgren, 1954, p.259).

Gupta et al. (2012) reportaron que el medio que permite recuperar el mayor porcentaje

de queratina es el Na2S en comparación con ácido tioglicólico y cianuro de potasio.

La acción de los sulfuros sobre las queratinas se ha reconocido desde hace mucho

tiempo y es de interés industrial. El sulfuro de sodio, cuando se disuelve en agua da

soluciones fuertemente alcalinas que contribuyen al proceso de ruptura del enlace

disulfuro como se observa en la reacción 1.

𝑁𝑎2𝑆 + 𝐻2𝑂 → 𝑁𝑎(𝑆𝐻) + 𝑁𝑎(𝑂𝐻) 1

El mecanismo principal de la acción del sulfuro de sodio sobre el enlace disulfuro

puede describirse según la reacción 2:

𝑅 − 𝑆 − 𝑆 − 𝑅 + 𝑁𝑎2𝑆 ↔ 2𝑅 − 𝑆𝐻 + 𝑁𝑎2𝑆2 2

Donde R-S-S-R representa la proteína. Posteriormente se pueden modificar los -SH

libres mediante oxidación, obteniendo una proteína soluble. La acción se produce en

los grupos disulfuro y las sustancias obtenidas se comportan como proteínas

verdaderas (Ward & Lundgren, 1954, p.261). Se han reportado varios mecanismos

aproximados para la acción de soluciones alcalinas sobre el enlace disulfuro, los

cuales sugieren lo siguiente:

La acción del álcali rompe el enlace disulfuro, reduciendo la cistina y produciendo

compuestos intermedios inestables como el ácido sulfénico (R-SOH) (Salazar,

2013).

La acción de los iones hidroxilo sobre el enlace disulfuro conduce a la formación

intermedia de dehidroalanina (figura 6), el cual es altamente reactivo.

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Figura 6. Estructura de Dehidroalanina

De este modo, el grupo cisteína (formado a partir de tiocisteína a través de la

pérdida de azufre) reacciona con el grupo dehidroalanina para formar lantionina

cuya estructura se muestra en la figura 7, o con cualquier otro grupo amino

existente en las cadenas laterales de queratina para formar residuos de

lisinoalanina, su estructura se observa en la figura 8 (Rieger, 2000, p.63).

Figura 7. Estructura de la Lantionina

Figura 8. Estructura de Lisinoalanina

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2. MARCO EXPERIMENTAL

2.1. Proceso Experimental

Para la obtención de queratina a partir de cabello humano se recogieron residuos de

cabello de un salón de belleza local sin distinción entre edad, sexo o grupo étnico. El

proceso se realizó mediante:

2.1.1. Tratamiento de la materia Prima

Lavado: Se lo realiza con agua, jabón en polvo y posteriormente con etanol, para

eliminar impurezas y grasas presentes en el cabello recolectado, ya que al tratarse

de un residuo de la actividad peluquera no se encuentra en condiciones adecuadas

para su uso.

Secado y reducción de tamaño: la muestra recolectada se seca al aire en

condiciones normales y posteriormente se reduce su tamaño, cortándolo con el fin

de aumentar su área de contacto con los reactivos utilizados en la siguiente etapa.

2.1.2. Obtención de queratina

Hidrólisis: Se emplea sulfuro de sodio para tratar la proteína y posteriormente

peróxido de hidrógeno al 30%, obteniendo un hidrolizado de queratina, el cual

puede ser utilizado en diferentes aplicaciones en la industria cosmética. Se varía la

cantidad de peróxido de hidrógeno y de sulfuro de sodio para determinar las

mejores condiciones del proceso.

2.1.3. Caracterización física y química del hidrolizado de queratina

Se determina la concentración, densidad, viscosidad, pH, el color y el olor del

hidrolizado de queratina obtenido.

2.1.4. Análisis de costos

Se realiza un análisis económico para determinar el costo del hidrolizado de

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queratina obtenido. Se lo compara con el costo de un hidrolizado de queratina

comercial, para determinar si el método utilizado es conveniente y reproducible.

2.1.5. Formulación de un producto cosmético

Una vez obtenido y caracterizado el hidrolizado de queratina, se lo utiliza como

aditivo para la formulación de un producto cosmético.

2.2. Diseño Experimental

En la figura 9 se observa el diagrama de flujo del proceso de obtención de queratina.

Recolección de materia prima(Cabello humano)

Lavado

Secado

Hidrólisis

Filtración 2

Oxidación

Hidrolizado de Queratina

Agua

Impurezas

H2O

Na2S

H2O2

T=ambiente 20°C

T=40oC

t=4h

t= 50min

Etanol 70%

Residuos de cabello

H2SO4 20% pH=7

Jabón en polvo

Filtración 1 H2O

Figura 9. Diagrama de flujo del proceso de obtención de queratina

Para el diseño experimental se determinaron dos variables independientes: la

concentración de sulfuro de sodio y el volumen de peróxido de hidrogeno, de tres

niveles cada una y como variable de respuesta la concentración de proteína en el

hidrolizado, cuantificada con el método de Biuret. Se desea estudiar la influencia de

estas dos variables en la variable respuesta, por lo que se escogió un diseño tipo

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factorial de 32, dando un total de 9 tratamientos. Para este tipo de trabajo experimental

se recomienda un total de 3 réplicas, dando un total de 27 corridas.

Tomando en cuenta lo descrito por Salazar (2013), se eligieron 3 concentraciones de

sulfuro de sodio y 3 volúmenes de peróxido de hidrógeno al 30%, que corresponden a

un nivel bajo, medio y alto. Esto se puede observar en la tabla 5

Tabla 5. Variables del diseño experimental

Nivel

Variables Independientes Variable Respuesta

Sulfuro de Sodio,

M

Peróxido de Hidrogeno

(30%), mL Concentración de

Proteína Bajo 0,1 1

Medio 0,3 2,5

Alto 0,5 4

La temperatura y el tiempo escogidos para la experimentación fueron de 40°C y 4h

para la reacción de hidrólisis, que corresponden a lo establecido por S. Wang,

Taraballi, Tan, & Ng (2012).

A continuación, en la tabla 6 se puede observar la codificación asignada para las 27

unidades experimentales.

Tabla 6. Codificación de las 27 unidades experimentales

Peróxido de Hidrógeno, mL

Sulfuro de sodio, M

1 2,5 4

0,1

Q1 Q4 Q7

Q2 Q5 Q8

Q3 Q6 Q9

0,3

Q10 Q13 Q16

Q11 Q14 Q17

Q12 Q15 Q18

0,5

Q19 Q22 Q25

Q20 Q23 Q26

Q21 Q24 Q27

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En la figura 10 se puede observar un esquema del diseño experimental en el que se

representa cada variable involucrada y sus respectivos niveles.

Figura 10. Diseño Experimental

Donde:

S= Sulfuro de Sodio

P= Peróxido de Hidrógeno

C= Concentración de Proteína (Biuret)

2.3. Materiales y Equipos

Frascos de vidrio con tapa V = 200 mL

Vasos de precipitación V= 200 mL, Ap. ± 50 mL

Pipetas V= 5 mL, Ap. ± 0,1 mL

Balones aforados V=100 mL

Cajas Petri de vidrio ɸ= 7 cm

Colony Counter Modelo: Digital S

Marca: P. Selecta

C11

C12

P11

P12

C13 P134

C21 P21

P22 C22

C23 P23

P31 C31

P32 C32

S1

Muestra de

cabello S2

S3

P33 C33

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Viscosímetro de Ostwald

Equipo de filtración a vacío

Plancha de calentamiento con agitación magnética Rango: 0-550 oC

Rango: 0-1500 rpm

Marca: Velp Scientifica

Reómetro Modelo: Physical MCR 301

Marca: Anton Paar

Tubos de ensayo Marca: IVA

Volumen: 20 mL

Espectrofotómetro UV-Vis Marca: Agilent

Modelo: Cary 60

Estufa Marca: Ecocell

Tiempo: 0-99 h

Temperatura: 0- 300 oC

Analizador Multiparámetro Marca: Consort

Modelo: C6010

Balanza Analítica Rango: 0-200 g

Ap. ± 0,0001 g

Marca: Boeco

Modelo: BAS 31 plus

2.4. Sustancias y reactivos

Sulfuro de Sodio Na2S(s)

Hidróxido de Sodio NaOH(s)

Agua destilada H2O(l)

Peróxido de Hidrógeno 30% H2O2(l)

Ácido Sulfúrico 10% H2SO4(l)

Caseína Marca: Sigma C7078

Sulfato de cobre CuSO4·5H2O(s)

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Tartrato de sodio y potasio KNaC4H4O6·4H2O(s)

Yoduro de Potasio KI(s)

Medio de cultivo Agar Nutritivo Marca: Becton Dickinson

Medio de cultivo Agar Saboraud Marca: Becton Dickinson

Medio de cultivo Agar MacConkey Marca: Becton Dickinson

2.5. Procedimiento

2.5.1. Obtención de Queratina. Se realizó un proceso de hidrólisis alcalina, seguido

de una oxidación y neutralización (Florido, 2007). Posteriormente se obtiene un

hidrolizado de queratina que puede ser utilizado para la formulación de un producto

cosmético.

2.5.2. Materia Prima. El cabello se recolectó de un salón de belleza local. Al tratarse

de un residuo de la actividad peluquera no posee un valor comercial, pero se lo puede

aprovechar para producir un producto final de valor agregado.

2.5.3. Lavado y secado. La materia prima recolectada se la trató adecuadamente.

Para esto se realizaron dos lavados: el primero con agua y jabón, el segundo con una

solución de etanol al 70% y un enjuague con abundante agua con el fin de

desengrasar los cabellos. Posteriormente se secó la muestra al aire y una vez seca se

la cortó en trozos pequeños de aproximadamente 1 cm.

2.5.4. Hidrólisis con Sulfuro de sodio. A un frasco de vidrio de 200 mL con tapa se

colocan 5 g de la muestra tratada y se adicionan 100 mL de una solución 0,1 M de

sulfuro de sodio. Se tapa el frasco y se lo incuba por 4 horas a 40°C. Se retiran restos

de cabello no disueltos mediante filtración. La solución obtenida se filtra (con papel

cualitativo), posteriormente se le adicionan 2,5 mL de H2O2 al 30% y se agita durante

50 min en un agitador magnético. Se mide el pH de la solución y se la neutraliza con

una solución de ácido sulfúrico al 20%. La solución obtenida corresponde a la

queratina para uso cosmético.

2.5.5. Proceso de hidrólisis inverso. Se va a realizar un procedimiento diferente al

establecido por Florido (2007). Para esto primero se oxida la fibra de cabello con H2O2

decolorándola, para después hidrolizar con sulfuro de sodio, mediante el siguiente

procedimiento:

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Se decolora el cabello previamente tratado (lavado y secado). Para esto se utiliza

un polvo decolorante comercial. Para decolorar 5 g de cabello se utilizan 5,19 g de

polvo decolorante y se lo solubiliza con 100 mL de peróxido de hidrógeno al 30%.

Se sumergen los 5 g de cabello en la solución decolorante y se espera 1 h con 25

min aproximadamente.

Se debe observar cómo cambia de color el cabello progresivamente. No se debe

dejar el cabello por mucho más tiempo que el indicado, ya que se destruye debido

al agresivo tratamiento.

Una vez concluido el tiempo, el cabello toma un color rubio oscuro, se lo deja secar

y posteriormente se lo somete a la etapa de hidrólisis con sulfuro de sodio según el

proceso descrito en 2.5.4.

2.5.6. Caracterización del hidrolizado de queratina obtenido

2.5.6.1. Cuantificación de Proteína. Se determinó la cantidad de proteína total en

cada uno de los extractos obtenidos empleando el método de Biuret, adaptado por

Urzagasti, I, Ramos, Fernández, & Alvarez (2006). Para esto el reactivo de Biuret se

prepara del siguiente modo: se disuelven 3,8 g de CuSO4·5H2O y 6,7 g de Na2EDTA

en 700 mL de H2O. Mientras se agita, se añaden 200 mL de NaOH 5N y luego 1 g de

KI como estabilizante. Se guarda el reactivo en un frasco color ámbar.

Construcción de la curva de calibración

Se prepara una solución patrón de caseína de 10mg/ml, a partir de una solución de

1 g de caseína en 100 mL de NaOH a 0,1 M. Luego a partir de esta solución patrón

se preparan 20 mL de soluciones de 8 mg/mL, 6mg/mL, 4mg/mL y 2 mg/mL,

utilizando agua destilada para la disolución.

Se toman 0,5 mL de cada una de las soluciones preparadas anteriormente y se las

coloca en diferentes tubos de ensayo. Posteriormente a cada uno de éstos se

agregan 2 mL de agua destilada y 1 mL del reactivo de Biuret y se los deja reposar

durante 30 min.

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Luego se llevan las soluciones a la celda del espectrofotómetro UV/Vis y se realiza

la lectura respectiva a una longitud de onda de 540 nm (Urzagasti et al., 2006).

Obteniéndose la absorbancia de cada solución para la construcción de la curva de

calibración. Los datos para la construcción de la curva de calibración se observan

en la tabla 7.

Tabla 7. Datos para la construcción de la curva de calibración

Concentración,

mg/mL

Volumen de la solución patrón,

mL

0 0

2 4

4 8

6 12

8 16

Para la lectura de las muestras de queratina, de cada uno de los hidrolizados se

tomaron 0,5 mL y se colocaron en tubos de ensayo. Posteriormente se añadieron

2 mL de agua destilada a cada tubo respectivamente. Luego se agregó 1 mL del

reactivo de Biuret a cada tubo y se lo dejó reposar durante 30 min. Concluidos los 30

min de espera se llevó cada una de las muestras al espectrofotómetro UV-Vis y se

realizó la lectura de cada una a 540 nm.

2.5.6.2. Determinación de la densidad. La medición de la densidad de líquidos

homogéneos se la puede realizar por varios métodos, siendo uno de los más exactos

el del picnómetro. Para determinar la densidad de las muestras obtenidas se siguió el

procedimiento descrito:

Asegurarse de que el picnómetro esté completamente seco por dentro y por fuera y

determinar el peso del picnómetro vacío.

Se comprueba que el picnómetro esté perfectamente limpio. Se lo llena con agua

destilada sin el tapón, al colocarlo rebasará el líquido y habrá que secar.

Posteriormente determinar el peso del picnómetro con agua.

Llenar el picnómetro con el líquido problema, enrasarlo hasta el final y determinar la

masa.

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Finalmente, la densidad ρ se determina con la fórmula 1:

ρ =m3−m1

m2−m1× ρH2O (1)

Donde:

m3 = peso del picnómetro + muestra problema

m2 = peso del picnómetro + agua

m1 = peso del picnómetro vacío

ρH2O= Densidad del agua a la temperatura ambiente

2.5.6.3. Determinación del porcentaje de sólidos. Para determinar el contenido de

sólidos totales en las soluciones de queratina obtenidas se procedió de la siguiente

manera:

Se pesa una caja Petri limpia seca y vacía.

Se colocan en la caja Petri 5 mL de la muestra de queratina y se la pesa

nuevamente.

Salazar (2013) recomienda secar en una estufa a 70oC la muestra de queratina

durante 1 h; pasado ese tiempo se saca la muestra, se la deja enfriar y se la pesa

nuevamente.

Se determina el porcentaje de sólidos con la fórmula 2:

%𝑆 =𝑀𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜

𝑀𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛=

𝑀3−𝑀1

𝑀2−𝑀1× 100 (2)

Donde:

%S = Porcentaje de sólidos totales

M1= peso caja Petri vacía

M2= peso caja Petri más solución de queratina

M3= peso caja Petri más sólido

Msólido= Peso de sólidos totales

Msolución= Peso solución de queratina

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2.5.6.4. Determinación de la viscosidad. Para la determinación de la viscosidad se

utiliza el viscosímetro de Ostwald el cual se muestra en la figura 8:

Figura 11. Viscosímetro de Ostwald

Se llena el bulbo inferior con agua destilada por el tubo D, se aspira con una pera por

el tubo C hasta que sobrepase el nivel superior A. Se deja caer el fluido y se mide el

tiempo que tarda en pasar entre el nivel superior A y el nivel inferior B. Se repite el

proceso tres veces para obtener un tiempo promedio. El ensayo se realiza para las

soluciones de queratina obtenidas y la comercial. Se mide la temperatura ambiente

para obtener la viscosidad de agua y se aplica la ecuación 3:

𝜂𝑆𝑄 = 𝜂𝑎𝑔𝑢𝑎𝜂𝑆𝑄∗𝑡𝑆𝑄

𝜌𝐴𝑔𝑢𝑎∗𝑡𝑎𝑔𝑢𝑎 (3)

Donde:

𝜂𝑆𝑄= Viscosidad de la solución de queratina

𝑡𝑆𝑄 = Tiempo de recorrido entre las marcas A y B para la solución de queratina

𝜂𝑎𝑔𝑢𝑎= Viscosidad del agua

𝜌𝐴𝑔𝑢𝑎 = Densidad del agua a la temperatura ambiente

𝑡𝑎𝑔𝑢𝑎= Tiempo que recorrido entre las marcas A y B para el agua.

2.5.6.5. Análisis Elemental. Se determina el porcentaje de Carbono, Hidrógeno,

Nitrógeno y Azufre que posee el hidrolizado de queratina y la solución estándar de

caseína. Para esto se hace uso del equipo Elementar Macro cube.

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2.5.6.6. Determinación de color y olor del hidrolizado. Se evaluó el color del

hidrolizado visualmente, de igual manera el olor de hidrolizado se lo percibió mediante

el olfato.

2.5.7. Formulación de un acondicionador para el cabello. Toda formulación tiene

una base común, la cual se compone de: los principios activos, los aditivos y el

excipiente. Siendo el principio activo el que define la actividad, para la cual esta

formulado el cosmético, el excipiente le da forma y los aditivos como: colorantes,

conservantes y aroma que se encargan de la apariencia e inocuidad del cosmético.

Para formular un acondicionador capilar se partió de la fórmula establecida por Villa et

al (2013). la cual se presenta a continuación en la tabla 8:

Tabla 8. Fórmula para acondicionador capilar con queratina

Fase Oleosa % (P/P)

Alcohol Cetílico 5

Conservante líquido Phenova 0,5

Cloruro de Cetrimonio 0,5

Fase Acuosa

Metilparabeno 0,2

Esencia de Anís 0,5

Color 0,2

Hidrolizado de queratina 10

Agua destilada 100mL

Para la preparación del acondicionador se realiza lo siguiente:

En un recipiente, todos los componentes de la fase oleosa son calentados juntos a

75oC, se homogeniza la mezcla hasta su completa disolución.

En otro recipiente el metilparabeno se disuelve en agua por calentamiento a 80oC

luego se agrega la esencia de anís, y el hidrolizado de queratina constituyendo la

fase acuosa.

Después de alcanzar las temperaturas requeridas, la fase oleosa se añade a la fase

acuosa, bajo agitación, hasta lograr la emulsión.

La emulsión formada se mantiene en agitación, posteriormente se agrega el

colorante y finalmente se coloca en un baño frío.

Se establece un pH ácido entre 3,5 y 6,5 para el acondicionador, con una solución

de ácido cítrico al 5%.

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Mientras la solución se va enfriando aumenta su viscosidad, por lo que es

recomendable envasarla a 35oC.

2.5.7.1. Controles Organolépticos. Se realiza este tipo de control para evaluar la

apariencia física del producto obtenido, en este caso el acondicionador para el cabello.

Algunos de los controles que se realizan son los siguientes:

Olor: Debe ser agradable y fresco, es una característica imprescindible, que genera

una buena aceptación del cosmético.

Color: Es un atributo importante en los cosméticos, se lo evalúa visualmente.

Textura: Debe sentirse suave y no formar grumos.

2.5.7.2. Controles fisicoquímicos. Se realiza este tipo de control para caracterizar al

acondicionador capilar formulado.

Las emulsiones pueden ser de dos tipos o/w ó w/o. Para determinar el tipo de

emulsión se puede realizar lo siguiente:

Prueba de dilución: dispersar 0,5 g de producto en 50 mL de agua. Se obtiene una

emulsión lechosa cuando es de aceite/agua (o/w). Las emulsiones agua/aceite no

permiten dilución.

Prueba de lavado: colocar sobre la superficie seca de la mano aproximadamente

1g de emulsión. Aplicar un chorro pequeño de agua corriente con ayuda del dedo

índice. Una emulsión aceite/agua se puede lavar completamente.

pH: Un acondicionador es ligeramente más ácido que un champú. Generalmente

un pH entre 3,5 y 6,5 otorgarán muy buenas características al cabello. El pH puede

ser medido con un medidor de pH.

Determinación de la viscosidad del acondicionador capilar

Para determinar la viscosidad del acondicionador capilar, al tratarse de una

emulsión se utiliza el reómetro PHYSICAL MCR 301 de la marca ANTON PAAR. Se

sigue el siguiente procedimiento:

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a) Encender el compresor y abrir los filtros de aire para eliminar toda el agua que

se pudiera encontrar condensada en las tuberias.

b) Encender el Reómetro y esperar hasta tener una presión de 5 bares, que se

indica en el panel de control del equipo, retirar la protección del rotor.

c) Con ayuda del software RHEOPLUS V3.40 realizar las pruebas de inercia del

equipo sin colocar el usillo (tool-master).

d) Seleccionar el tool-master C-27 con su respectiva copa y colocarlos en el

reómetro, realizar la prueba de inercia del respectivo elemento de medida.

e) Establecer la temperatura de inicio (la ambiental) en 20°C.

f) Colocar la muestra de acondicionador capilar de aproximadamente 30 mL en la

copa.

g) Poner el elemento de medida en la posición de medida y resetear la Fuerza

Normal (Normal Force).

h) Determinar los parámetros deseados para la medición.

i) Oprimir el icono start test para empezar el ensayo.

2.5.7.3. Análisis Microbiológico. El acondicionador capilar debe cumplir con

determinados requisitos microbiológicos, para uso humano. En este ensayo se

determina la presencia de: Mesófilos Aerobios, Escherichia Coli, hongos y levaduras.

Mediante el procedimiento descrito:

Preparación del material

a) Todo el material debe estar limpio, estéril y libre de sustancias que pudieran

afectar la viabilidad de los resultados.

b) Para esterilizar el material éste se envolverá en forma individual con papel y se

esterilizará en un autoclave a 121 °C durante 20 min. o en un horno a 170 °C por

dos horas.

Preparación de la muestra

a) En la preparación de la muestra a ser ensayada, no deberá producirse alteración

del número o tipo de microorganismo originalmente presente. La muestra deberá

ser removida asépticamente, transfiriendo 10 g o mL en un recipiente estéril para

realizar las pruebas respectivas.

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Preparación de la solución madre

a) Se agregan 10 g en 90 mL de solución buffer de fosfato monobásico de potasio

que contiene un agente neutralizante de los conservadores (Tween 80). Se agita

la solución hasta su homogenización.

Método de recuento en placa

a) Se toman 3 mL de la solución madre y se pipeteará 1 mL en 3 cajas de Petri

estériles. Se agrega rápidamente a estas tres cajas de Petri y una adicional que

corresponde al blanco, unos 30 mL del medio Agar MacConkey, el cual ha sido

previamente fundido y enfriado a 45oC. Se cubren las cajas Petri y se mezclarán

por rotación, posteriormente se dejan solidificar a temperatura ambiente.

b) Se realiza el mismo procedimiento anterior, utilizando los medios de cultivo Agar

dextrosa de Sabourad y Agar Nutriente.

c) Una vez solidificadas, se invertirán las cajas con los medios McConkey y Agar

Nutriente para incubarlas por 48 h a 35oC. Las cajas con el medio Sabourad se

invierten y se incuban a 25oC por 7 días.

d) Luego de la incubación se examinará el crecimiento en las placas, se contarán el

número de colonias y se expresará el promedio de las placas en términos de

número de microorganismos por g o mL de muestra. (Cerra et al., 2013)

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3. DATOS EXPERIMENTALES

3.1. Valores de absorción de las 27 soluciones de queratina obtenidas

En la tabla 9 se presentan los datos de absorción obtenidos de las muestras de

queratina a una longitud de onda de 540 nm aplicando el método de Biuret.

Tabla 9. Valores de absorbancia de los hidrolizados de queratina

Solución Abs540nm

Q1 0,0863

Q2 0,0855

Q3 0,0712

Q4 0,0827

Q5 0,0855

Q6 0,0794

Q7 0,0869

Q8 0,0847

Q9 0,075

Q10 0,1582

Q11 0,1616

Q12 0,1466

Q13 0,1886

Q14 0,1623

Q15 0,1727

Q16 0,1725

Q17 0,1693

Q18 0,1767

Q19 0,1782

Q20 0,1724

Q21 0,1775

Q22 0,1853

Q23 0,1883

Q24 0,1853

Q25 0,1960

Q26 0,1769

Q27 0,1769

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3.2. Datos obtenidos para la determinación de porcentaje de sólidos.

Se determinaron las distintas masas m1, m2 y m3 en una balanza analítica a la

temperatura ambiente T=20 oC, esto se puede observar en la tabla 10.

Tabla 10. Masas para la determinación del porcentaje de sólidos

Solución M1(g) M2(g) M3(g)

Q1 45,7722 50,782 45,8347

Q2 47,1651 52,1426 47,2361

Q3 47,3134 52,2652 47,3850

Q4 45,5316 50,4905 45,6123

Q5 43,9925 49,0128 44,0806

Q6 45,7728 50,7947 45,8381

Q7 47,1653 52,1767 47,2476

Q8 47,3135 52,2374 47,3634

Q9 45,535 50,5947 45,6301

Q10 43,9938 49,0528 44,1864

Q11 49,6238 54,7309 49,795

Q12 45,7725 50,8349 45,9677

Q13 47,1648 52,3091 47,4371

Q14 47,3134 52,457 47,6008

Q15 45,5346 50,5774 45,7981

Q16 43,9944 49,0377 44,233

Q17 45,774 50,9135 46,0461

Q18 47,1679 52,3356 47,4117

Q19 47,3133 52,5428 47,6499

Q20 45,5351 50,6706 45,788

Q21 45,7726 50,9575 46,0127

Q22 47,1644 52,4078 47,4149

Q23 47,3585 52,6037 47,6490

Q24 45,5401 50,7380 45,8150

Q25 43,9974 49,1571 44,2621

Q26 49,6254 54,9013 49,9485

Q27 47,3139 52,4623 47,6835

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3.3. Determinación de la densidad

Se registraron los datos empleando un picnómetro de volumen 10mL, las masas se

midieron en una balanza analítica a temperatura ambiente 19°C, los datos obtenidos

se observan en la tabla 11.

Tabla 11. Valores para la determinación de la densidad

Solución m1(g) m2(g) m3(g)

Q1 12,7925 22,7524 22,8383

Q2 12,7925 22,7524 22,8423

Q3 12,7925 22,7524 22,8371

Q4 12,7925 22,7524 22,8677

Q5 12,7925 22,7524 22,8809

Q6 12,7925 22,7524 22,8374

Q7 12,7925 22,7524 22,8486

Q8 12,7925 22,7524 22,787

Q9 12,7925 22,7524 22,8932

Q10 12,7925 22,7524 22,9653

Q11 12,7925 22,7524 22,9505

Q12 12,7925 22,7524 22,9692

Q13 12,7925 22,7524 23,0282

Q14 12,7925 22,7524 23,0373

Q15 12,7925 22,7524 23,0247

Q16 12,7925 22,7524 23,0149

Q17 12,7925 22,7524 23,0349

Q18 12,7925 22,7524 23,0079

Q19 12,7925 22,7524 23,0987

Q20 12,7925 22,7524 23,0276

Q21 12,7925 22,7524 23,0367

Q22 12,7925 22,7524 23,0473

Q23 12,7925 22,7524 23,114

Q24 12,7925 22,7524 23,0663

Q25 12,7925 22,7524 23,0696

Q26 12,7925 22,7524 23,1084

Q27 12,7925 22,7524 23,0953

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3.4. Densidad y viscosidad del agua a diferentes temperaturas

La tabla 12 muestra los valores de densidad y viscosidad del agua a diferentes

temperaturas.

Tabla 12. Densidad y viscosidad del agua a diferentes temperaturas (Levenspiel, 1993)

Temperatura, oC Densidad,

g/mL

Viscosidad,

cp

17 0,9988 1,0828

18 0,9986 1,0559

19 0,9984 1,0299

20 0,9982 1,0050

21 0,9980 0,9819

22 0,9978 0,9579

23 0,9976 0,9358

24 0,9973 0,9142

3.5. Determinación de la viscosidad

En la tabla 13, se detallan los datos obtenidos con el viscosímetro de Ostwald para el

cálculo de la viscosidad dinámica.

Tabla 13. Datos para cálculo de viscosidad a 19oC

Solución Tiempo, s Promedio, s Solución Tiempo, s Promedio, s

Q1 57,36

57,8000

Q16 54,81

66,567 Q2 58,02 Q17 54,82

Q3 58,02 Q18 66,5

Q4 61,84

62,620

Q19 74,9

73,923 Q5 63,23 Q20 73,37

Q6 62,79 Q21 73,5

Q7 63,07

63,947

Q22 78,01

74,347 Q8 65,72 Q23 73,17

Q9 63,05 Q24 71,86

Q10 63,82

63,780

Q25 64,96

64,713 Q11 65,87 Q26 64,38

Q12 61,65 Q27 64,8

Q13 66,19

66,153 Agua

54,82

54,817 Q14 65,84 54,81

Q15 66,43 54,82

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4. CÁLCULOS

4.1. Caracterización de la queratina obtenida

4.1.1. Cuantificación de proteínas totales. Para determinar la cantidad de proteína

presente en las muestras de queratina obtenidas se realiza una transformación de

absorbancia a concentración, por medio de la ecuación correspondiente a la curva de

calibración de la figura 12 aplicando el método de Biuret.

Figura 12. Curva de calibración para cuantificación de proteínas totales

Realizando la regresión lineal correspondiente a la curva obtenida se tiene la siguiente

ecuación:

𝐴𝑏𝑠 = 0,0195 𝐶𝑝𝑟𝑜𝑡 + 0,0401 (4)

Donde:

Abs = Absorbancia

Cprot = Concentración de proteína

Despejando la concentración de proteína de la ecuación 4 se tiene:

𝐶𝑝𝑟𝑜𝑡 =𝐴𝑏𝑠−0,0401

0,0195 (5)

y = 0,0195x + 0,0401R² = 0,992

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 2 4 6 8 10 12

Ab

sorb

anci

a

Concentración de proteína [mg/ml]

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Cálculo modelo de la solución Q1 con una absorbancia de 0,0863

𝐶𝑝𝑟𝑜𝑡 =0,0863 − 0,0401

0,0195= 2,369 𝑚𝑔/𝑚𝑙

Los datos de concentración de proteína obtenidos se presentan en la tabla 26. Al

multiplicar la concentración por el volumen de hidrolizado de queratina obtenido se

determina la cantidad de proteína presente. Se obtuvieron aproximadamente 80 mL de

hidrolizado de queratina.

𝑔𝑞𝑢𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎 = 𝐶𝑝𝑟𝑜𝑡 × 𝑉 (6)

𝑔𝑞𝑢𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎 = 2,369 × 80

𝑔𝑞𝑢𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑎 = 189,52𝑚𝑔

4.1.2 Densidad

Cálculo modelo para la solución Q1

ρ𝑄1 =m3−m1

m2−m1× ρH2O

ρ𝑄1 =22,8383 − 12,7925

22,7524 − 12,7925× 0,9982

ρ𝑄1 = 1,0069 𝑔

𝑚𝑙

4.1.3. Viscosidad

Cálculo modelo para la solución Q1

𝜂𝑆𝑄 = 𝜂𝑎𝑔𝑢𝑎𝜌𝑆𝑄∗𝑡𝑆𝑄

𝜌𝐴𝑔𝑢𝑎∗𝑡𝑎𝑔𝑢𝑎

𝜂𝑆𝑄 = 1,00191,0069 ∗ 57,800

0,99849 ∗ 54,82

𝜂𝑆𝑄 = 1,0653 cp

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4.1.4. Porcentaje de sólidos

- Cálculo modelo para la solución Q1

%S =M3−M1

M2−M1× 100

%S =45,8347−45,7722

50,782−45,7722× 100

%S = 1,2475

4.2. Análisis Estadístico

Para el análisis estadístico se utilizó el programa STATGRAPHICS, definiendo el

diseño experimental multifactorial 3k=32. Con este diseño se probó si las variables

sulfuro de sodio y peróxido de hidrogeno tienen influencia en la concentración de

proteína del hidrolizado de queratina obtenido a partir de cabello humano. Los factores

para el diseño estadístico se muestran en la tabla 14

Tabla 14. Codificación de factores para el diseño estadístico

Factor Notación

Cantidad de Sulfuro de sodio A

Cantidad de Peróxido de

Hidrogeno

B

4.2.1. Cálculo de ANOVA para dos factores. Se consideró el efecto individual de

cada factor y la interacción entre ambos. En consecuencia, la hipótesis que se desea

probar es:

Hipótesis Nula

Ho = La variación significativa en el valor de la concentración de proteína, en el

hidrolizado de queratina, debido al efecto de la concentración de sulfuro de sodio no

existe (A).

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Ho = La variación significativa en el valor de la concentración de proteína, en el

hidrolizado de queratina, debido al efecto de la cantidad de peróxido de hidrógeno

no existe (B).

Ho = La variación significativa en el valor de la concentración de proteína, en el

hidrolizado de queratina, debido al efecto de la interacción de los dos factores no

existe (AB)

Hipótesis Alternativa

Ha= La variación significativa en el valor de la concentración de proteína, en el

hidrolizado de queratina, debido al efecto de la concentración de sulfuro de sodio

existe (A).

Ha= La variación significativa en el valor de la concentración de proteína, en el

hidrolizado de queratina, debido al efecto de la cantidad de peróxido de hidrogeno

existe (B).

Ha= La variación significativa en el valor de la concentración de proteína, en el

hidrolizado de queratina, debido al efecto de la interacción de los dos factores

existe (AB)

Cálculo modelo para la ANOVA

SCA = ∑Yi..

2

bn−

Y…2

Nai=1 (7)

SCB = ∑Y.j.

2

an−

Y…2

Nbj=i (8)

SCAB = ∑ ∑Yij.

2

n−

Y…2

N− SCA − SCB

bj=i

ai=1 (9)

SCT = ∑ ∑ ∑ Yijk2 −

Y…2

Nnk=i

bj=1

ai=1 (10)

SCE = SCT − SCA − SCB−SCAB (11)

N = abn (12)

𝐶𝑀 = 𝑆𝐶A

GL (13)

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𝐹 = CMA

CME (14)

Donde:

Y… = Suma de todas las observaciones

Yi.= Suma de las observaciones del tratamiento i del factor A

Y.j. = Suma de las observaciones del tratamiento i del factor B

Yijk = Suma global de todas las observaciones

SCT = suma de cuadrados totales

SCA = suma de cuadrados del efecto A

SCB = suma de cuadrados del efecto B

SCE = Suma de cuadrados del error

N = total de observaciones del experimento

n = Número réplicas

GL = Grados de libertad

CM = Cuadrados medios

F = Estadístico de Fisher

En la tabla 15 se observa la tabla ANOVA para un diseño estadístico 3k

Tabla 15. ANOVA para diseño estadístico factorial 3k

FV SC GL CM Fo Valor-p

Efecto A SCA a-1 CMA CMA /CME P(F>Fo)

Efecto B SCB b-1 CMB CMB /CME P(F>Fo)

Efecto AB SCAB (a-1)(b-1) CMAB CMAB /CME P(F>Fo)

Error SCE ab(n-1) CME

Total SCT abn -1

Si Fcalculada > Fcrítica, las varianzas no son iguales, se cumple la hipótesis alternativa.

Mejores Condiciones para la obtención de queratina

Para saber las mejores condiciones, se utilizó el programa estadístico

STATGRAPHICS. La tabla anova determinada con este software se observa en la

figura 13.

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Figura 13. Cálculos en STATGRAPHICS

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4.3. Determinación del costo del hidrolizado de queratina producido en el

laboratorio

El hidrolizado de queratina fue elaborado en el laboratorio de Análisis Químico, de la

facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador. Para determinar

el costo de la queratina se calcula los costos directos y los costos indirectos que

intervinieron en el proceso.

4.3.1. Costos directos. Son los costos que se implementan físicamente en el

producto final y su empaque, están constituidos por los rubros: materiales directos y

mano de obra directa.

Materiales directos. Aquí se incluye la materia prima que participa directamente en

la obtención del producto y los insumos que acompañan al producto final pero no

forman parte de él. Se determinó el costo de la materia prima necesaria para

producir hidrolizado de queratina a partir de 25g de cabello a escala de laboratorio.

Los valores obtenidos fueron estimados de acuerdo al mercado ecuatoriano y se

presentan en la tabla 16.

Tabla 16. Costo de materia prima para la obtención de queratina en el laboratorio

Reactivo Cantidad Precio

($)

Cantidad

Usada

Costo

($)

Sulfuro de Sodio (Na2S), g 100 3,45 20 0,6900

Peróxido de Hidrógeno (H2O2), mL 1000 1,72 12,5 0,0215

Ácido Sulfúrico (H2SO4), mL 2500 115,5 5 0,2310

Cabello Humano, g 400 8* 25 0,5000

TOTAL 1,4425

*El cabello al tratarse de un desecho de salones de belleza, no tiene un valor comercial, se consideró un

costo de $8 con respecto a transporte de esta materia prima.

Para la determinación del costo se aplicó la fórmula 15:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 $

𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 × 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑎 (15)

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39

Para el sulfuro de sodio se tiene:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 3,45$

100𝑔× 20𝑔

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 0,69 $

Dentro de lo que se refiere a insumos intervienen costos de agua, energía eléctrica,

detergentes y reactivos que intervinieron en la obtención del producto, pero no forman

parte de éste.

Para determinar el costo de la energía consumida por los equipos de laboratorio,

empleados en el proceso de obtención del hidrolizado de queratina, se consideró un

costo de 0,081$ el kWh de energía vigente hasta el momento en la ciudad de quito. El

costo de la energía utilizada por éstos equipos se presenta en la tabla 17.

Tabla 17. Potencia, tiempo de uso, consumo y costo de la energía utilizada por

los equipos

Equipo Potencia kW tiempo h Consumo kWh Costo $

Incubadora ecobell 1,8 4 7,2 0,58320

Agitador magnético 0,8 0,833 0,6664 0,053978

Bomba de vacío 0,093 0,5 0,0465 0,0037665

Espectrofotómetro 0,038 1 0,0380 0,003078

Centrifuga 0,5 1 0,5000 0,0405

TOTAL 0,684523

Para determinar el costo de la energía empleada por un determinado equipo se utiliza

la ecuación 16:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑘𝑊) × 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (ℎ) × 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑘𝑊ℎ ($) (16)

Para la incubadora ecobell se tiene:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 1,8𝑘𝑊 × 4ℎ × 0,081$

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 0,5832 $

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40

Dentro del rubro de materiales directos también intervienen los costos de los insumos

utilizados para la obtención del hidrolizado, estos costos se pueden observar en la

tabla 18.

Tabla 18. Costo de insumos para la obtención del hidrolizado de queratina en el

laboratorio

Cantidad Valor $ Cantidad Usada Costo $

Agua Potable, m3 1 0,45 0,001 0,0004500

Jabon en polvo, g 1200 2,45 50 0,1021

Alcohol potable, mL 1000 1,87 500 0,9350

papel filtro,m2 0,3 1,04 0,3 1,0400

Sulfato de cobre, g 1000 4 3,8 0,0152

Envase de plastico 1 0,5 1 0,5100

EDTA, g 500 52,45 6,7 0,7028

Hidroxido de sodio, g 500 40,7 20 1,6280

Yoduro de Potasio, g 500 140,85 1 0,2817

Caseina, g 1000 130 1 0,1300

TOTAL 5,3453

Costos de mano de obra directa. La mano de obra directa incluye el personal que

directamente está involucrado con la elaboración del producto. Este costo se

calculó tomando como referencia el salario que gana un técnico laboratorista, más

todos los beneficios que una empresa debe dar a un empleado que ha trabajado

durante el periodo de un año, esto se puede ver en la tabla 19.

Tabla 19. Costos de mano de obra directa para obtención de queratina en laboratorio

SALARIO

% IESS

(12.15%

empresa)

Décimo

tercero

Décimo

cuarto

(1SBU)

Vacaciones

(salario/24)

Fondos

de

reserva

(8.33%

del

salario)

Total

gastos

mensual

Horas

Hombre

al mes

(8H/día)

Costo

$/HH

Técnico 389,66 47,34 32,47 31,25 16,24 32,45 549,42 240 2,29

Horas trabajadas 8

Costo mano de obra directa ($) 18,31

De esta manera el total de los costos directos es igual a:

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41

𝐶𝐷 = $1,4425 + $0,684523 + $5,3453 + $18,31

𝑪𝑫 = $𝟐𝟓, 𝟕𝟖𝟐𝟑

4.3.2. Costos Indirectos. Al tratarse de un producto obtenido a nivel de laboratorio

solo se consideró como costo indirecto la amortización de los equipos.

La amortización del costo de los equipos usados en la obtención del hidrolizado de

queratina, se presentan a continuación en la tabla 20:

Tabla 20. Amortización del costo de los equipos utilizados

Equipos Precio $ Vidad Útil, años Tiempo, h Costo

Incubadora ecobell 3316,6 10 4 0,1514

Agitador magnético 589,95 7 1 0,0096

Bomba de vacío 535 7 0,5 0,0044

Espectrofotometro 532,36 10 1 0,0061

TOTAL 0,1715

Para el cálculo de amortización del costo de los equipos se empleó la fórmula 17:

𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 $

𝑉𝑖𝑑𝑎 𝑈𝑡𝑖𝑙 𝑎ñ𝑜𝑠∗ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜 𝑒𝑛 𝐴ñ𝑜𝑠 (17)

Ejemplo de cálculo para la incubadora ecocell

𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 3316,6

10∗ 4ℎ ∗

1 𝑎ñ𝑜

8760 ℎ

𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = $0,1514

4.3.3. Costo del hidrolizado de queratina a partir de cabello humano. Para el

cálculo del costo del hidrolizado de queratina se suman los valores obtenidos

anteriormente:

𝐶𝑄 = 𝐶𝐷 + 𝐶𝐼 (18)

Donde:

CQ = Costo hidrolizado de Queratina

CD = Costo Directo

CI = Costo Indirecto

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𝐶𝑄 = $25,7823 + $0,1715

𝑪𝑸 = $𝟐𝟓, 𝟗𝟓𝟑𝟖

Para determinar el costo por gramo de hidrolizado de queratina se toma en cuenta que

se obtuvo 400 mL de hidrolizado con una densidad de 1,0345 g/mL y se aplica la

fórmula 19:

𝑔 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 = 𝜌ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑉ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 (19)

𝑔 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 = 1,0345𝑔

𝑚𝑙∗ 400 𝑚𝑙

𝑔 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 = 413,8𝑔

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 $

𝑔 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = $26,0213

413,8𝑔

𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐 = $𝟎, 𝟎𝟔𝟐

𝒈 𝒉𝒊𝒅𝒓𝒐𝒍𝒊𝒛𝒂𝒅𝒐

4.3.4. Costo de la queratina comercial. Los 500 g de queratina comercial tienen un

costo de $52,15 el costo de venta por gramo es de:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 = $52,15

500𝑔 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐 = $𝟎, 𝟎𝟔𝟐

𝒈 𝒉𝒊𝒅𝒓𝒐𝒍𝒊𝒛𝒂𝒅𝒐

Teniendo en cuenta todo lo anterior, el hidrolizado de queratina producido en el

laboratorio a partir de cabello humano, puede ingresar al mercado de productos

similares, pero para determinar su precio de venta final y tener una idea de la

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viabilidad comercial, se debe realizar un estudio de mercado y sebe tomar en cuenta el

costo del tratamiento de los residuos producidos en el proceso.

4.4. Determinación del costo del acondicionador capilar producido

Se determinan los costos directos y costos indirectos necesarios para producir 300 mL

de acondicionador capilar formulado con queratina.

4.4.1. Costos Directos. Dentro de los costos directos que intervienen en la

formulación del acondicionador se tiene:

Materiales Directos. En la tabla 21 se detallan los costos de la materia prima

utilizada en la formulación del acondicionador capilar.

Tabla 21. Costo de materia prima

Reactivo Cantidad,

g Precio

($) Cantidad

Usada Costo ($)

Alcohol cetoestearilico 100 2,54 40 1,0176

Phenova 30 1,14 4 0,1520

Cetrimonium Chloride 30 0,455 4 0,0607

Germall 115 30 0,658 1,6 0,0351

Aroma Panthene 30 1,842 4 0,2456

Colorante 30 0,965 0,1 0,0032

Hidrolizado de keratina 100 6 40 2,4000

Acido cítrico 30 0,2193 5 0,0366

TOTAL 3,9507

Mano de obra directa. Los costos de la mano de obra directa se determinaron

tomando como referencia el salario que gana un técnico laboratorista, este rubro se

presenta en la tabla 22.

Tabla 22. Costo mano de obra directa

SALARIO

% IESS

(12.15%

empresa)

Décimo

tercero

Décimo

cuarto

(1SBU)

Vacaciones

(salario/24)

Fondos de

reserva

(8.33% del

salario)

Total

gastos

mensual

Horas

Hombre

al mes

(8H/día)

Costo

$/HH

Técnico 389,66 47,34 32,47 31,25 16,24 32,458678 549,42 240 2,29

Horas trabajadas para producir acondicionador 1

Costo mano de obra directa ($) 2,29

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Insumos. El costo de la energía utilizada por los equipos para la formulación del

acondicionador capilar y el costo los insumos se presentan en la tabla 23 y tabla 24

respectivamente.

Tabla 23. Costo de la energía utilizada para la elaboración de acondicionador

Equipo Potencia

kW tiempo h

Consumo kWh

Costo $

Agitador magnético 0,8 0,833 0,6664 0,053978

Parrilla eléctrica Taurus 0,7 1 0,7 0,0567

TOTAL 0,110678

Tabla 24. Costo de Insumos

Cantidad Valor $ Cantidad

Usada Costo $

Agua Potable, m3 1 0,45 0,000265 0,0001193

Envase de plástico 1 0,5 1 0,5100

TOTAL 0,5101

4.4.2. Costos Indirectos. Al tratarse de un producto obtenido a nivel de laboratorio

solo se consideró como costo indirecto la amortización de los equipos. La amortización

del costo de los equipos usados en la formulación del acondicionador capilar, se

presentan a continuación en la tabla 25.

Tabla 25. Amortización

Equipos Precio $ Vida Útil,

años Tiempo, h Costo

Agitador magnético 30 2 1 0,0017

Parrilla eléctrica Taurus 535 7 0,5 0,0044

TOTAL 0,0061

4.4.3. Cálculo del costo total. Para el cálculo del costo del acondicionador se suman

los valores obtenidos anteriormente de acuerdo a la ecuación (20):

𝐶𝐴 = 𝐶𝐷 + 𝐶𝐼 (20)

Donde:

CA = Costo del Acondicionador

CD = Costo Directo

CI = Costo Indirecto

𝐶𝐴 = $26,8665 + $0,0061

𝑪𝑨 = $𝟔, 𝟖𝟕𝟐𝟓

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Para determinar el costo por mililitro se toma en cuenta que se obtuvieron 300 mL de

acondicionador y se aplica la fórmula 21:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑚𝐿 = $

𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟 (21)

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑚𝐿 = $6,8725

300𝑚𝐿

𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐 𝒎𝑳 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟐𝟗$

𝒎𝑳

4.4.4. Costo de acondicionador comercial. Los 385 mL de un acondicionador

comercial del mercado tienen un costo de $12,95 lo que determina que el costo por

mililitro de acondicionador es de:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑚𝐿 = $

𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑚𝐿 = $12,95

385𝑚𝐿

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑚𝐿 = 0,0336$

𝑚𝐿

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5. RESULTADOS

5.1. Procedimiento realizado para la obtención de queratina

A continuación, en la figura 14 se presenta el procedimiento realizado para la

obtención del hidrolizado de queratina.

Recolección de materia prima(Residuos de cabello)

Lavado

Secado

Hidrolisis

Filtración 2

Oxidación

Agua + Jabón Impurezas

H2O

Na2S

H2O2 30%

T=40ªCt=4h

T=ambiente 20°C

t= 50min

Alcohol Potable 70%

Residuos de Cabello

Centrifugación Melanina

V=2500rpm t=20min

Hidrolizado de Queratina

H2SO4 20%

pH=7

Neutralización

Filtración 1 H2O

Figura 14. Diagrama de flujo del procedimiento realizado para la obtención de queratina

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5.2. Cuantificación de proteínas

A continuación, en la tabla 26 se presentan los resultados de la cantidad de proteína

presente en los hidrolizados de queratina, obtenidos por el método de Biuret.

Tabla 26. Concentración y cantidad de proteína presentes en los hidrolizados de queratina

Solución Concentración,

mg/mL Promedio,

mg/mL Masa Proteína,

mg Promedio,

mg

Q1 2,3692

2,4393

189,54

195,15 Q2 2,3282 186,26

Q3 2,6205 209,64

Q4 2,1846

2,1761

174,77

174,09 Q5 2,3282 186,26

Q6 2,0154 161,23

Q7 1,8872

1,8171

150,97

145,37 Q8 1,7744 141,95

Q9 1,7897 143,18

Q10 5,5436

5,5744

443,49

445,95 Q11 5,7179 457,44

Q12 5,4615 436,92

Q13 8,1282

6,8940

650,26

551,52 Q14 6,2667 501,33

Q15 6,2872 502,97

Q16 6,2769

5,9521

502,15

476,17 Q17 5,6000 448,00

Q18 5,9795 478,36

Q19 6,0564

5,7744

484,51

461,95 Q20 5,7590 460,72

Q21 5,5077 440,62

Q22 7,4462

7,5316

595,69

602,53 Q23 7,6000 608,00

Q24 7,5487 603,90

Q25 7,9949

7,1709

639,59

573,68 Q26 6,5026 520,21

Q27 7,0154 561,23

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5.3. Densidad de los hidrolizados de queratina obtenidos

En la tabla 27 se puede observar la densidad de las soluciones de queratina obtenidas

las cuales se determinaron por el método del picnómetro.

Tabla 27. Densidad de hidrolizados de queratina obtenidos

Solución Densidad,

g/mL Promedio

Q1 1,0069

1,0070 Q2 1,0073

Q3 1,0068

Q4 1,0098

1,0093 Q5 1,0112

Q6 1,0068

Q7 1,0079

1,0074 Q8 1,0018

Q9 1,0124

Q10 1,0196

1,0193 Q11 1,0181

Q12 1,0200

Q13 1,0259

1,0261 Q14 1,0268

Q15 1,0256

Q16 1,0246

1,0250 Q17 1,0266

Q18 1,0239

Q19 1,0330

1,0286 Q20 1,0259

Q21 1,0268

Q22 1,0278

1,0307 Q23 1,0345

Q24 1,0298

Q25 1,0301

1,0322 Q26 1,0340

Q27 1,0327

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5.4. Viscosidad de las soluciones de Queratina

En la tabla 28 se muestran los valores de viscosidad de las soluciones de queratina

obtenidos mediante el viscosímetro de Ostwald.

Tabla 28. Viscosidad de hidrolizados de queratina obtenidos

Solución tpromedio, s

Viscosidad,

cp

Q1

57,8000 1,0653 Q2

Q3

Q4

62,620 1,1575 Q5

Q6

Q7

63,947 1,1798 Q8

Q9

Q10

63,780 1,1903 Q11

Q12

Q13

66,153 1,2423 Q14

Q15

Q16

66,567 1,2484 Q17

Q18

Q19

73,923 1,3977 Q20

Q21

Q22

74,347 1,3987 Q23

Q24

Q25

64,713 1,2201 Q26

Q27

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5.5. Porcentaje de sólidos de las soluciones de Queratina

En la tabla 29 se muestran los valores de porcentaje de sólidos obtenidos para las

distintas soluciones de queratina obtenidas.

Tabla 29. Porcentaje de sólidos de los hidrolizados de queratina obtenidos

Solución Sólidos,

% Promedio

Q1 1,2476

1,3733 Q2 1,4264

Q3 1,4459

Q4 1,6274

1,5609 Q5 1,7549

Q6 1,3003

Q7 1,6423

1,5117 Q8 1,0134

Q9 1,8796

Q10 3,8071

3,9717 Q11 4,1522

Q12 3,9559

Q13 6,2932

6,3419 Q14 6,5875

Q15 6,1449

Q16 6,7310

7,0477 Q17 7,2943

Q18 7,1178

Q19 8,4366

8,6306 Q20 8,8245

Q21 8,6308

Q22 9,4094

9,2788 Q23 9,1384

Q24 9,2887

Q25 9,1301

9,1777 Q26 9,2241

Q27 9,1789

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5.6. Análisis Estadístico para la obtención de queratina

Se emplea un análisis de varianza (ANOVA) que permite realizar un estudio y análisis

de los datos experimentales. La idea general de esta técnica es separar la variación

total en las partes con las que contribuye cada fuente de variación en el experimento.

Para observar si las variables concentración de sulfuro de sodio y volumen de

peróxido de hidrogeno tienen una influencia significativa en la variable respuesta, se

realizó un análisis de varianza ANOVA utilizando el programa estadístico statgraphics

obteniendo la siguiente tabla:

Tabla 30. ANOVA para la obtención de queratina

Fuente Suma de

cuadrados Gl

Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Valor critico de F

Efectos principales

A:Sulfuro de Sodio 115,063 2 57,5317 260,91 0,0000 3,55

B: Peróxido de Hidrogeno

4,0017 2 2,00089 9,07 0,0019 3,55

Interacciones

AB 4,52357 4 1,13089 5,13 0,0062 2,93

Residuos 3,96901 18 0,22050

Total (corregido) 127,558 26

La tabla descompone la variabilidad de concentración de proteína en contribuciones

debidas a varios factores. La contribución de cada factor se mide eliminando los

efectos de los demás. Los valores-P prueban la significancia estadística de cada uno

de los factores.

El factor A correspondiente a la concentración de sulfuro de sodio y el factor B

correspondiente al volumen de peróxido de hidrógeno, tienen un valor-p menor a 0,05,

por lo tanto, se puede establecer que son significativamente influyentes en la variable

concentración de proteína con un 95% de nivel de confianza.

El estadístico F obtenido del factor A y B es mayor al F crítico calculado a un 95% de

confianza, por lo tanto, se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa,

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52

por lo que el factor A tiene influencia en la variable concentración de proteína,

eliminando el efecto del factor B y el factor B tiene influencia en la variable

concentración de proteína, eliminando el efecto de A.

En el caso de la interacción de ambos factores AB, se tiene que el estadístico F

obtenido es mayor al F crítico calculado a un 95% de confianza, rechazando la

hipótesis nula, por lo que la interacción de ambos factores si influye en la variable

concentración de proteína.

La figura 15 muestra los efectos de los factores sulfuro de sodio y peróxido de

hidrogeno de manera individual. Se observa que la variable sulfuro de sodio tiene

mayor influencia en la variable respuesta concentración de proteína.

Figura 15. Efectos principales para concentración de proteína

La figura 16 representa la gráfica de medias para la concentración de sulfuro de sodio,

se puede observar que se obtuvieron diferentes concentraciones de proteína con los

distintos niveles de esta variable.

Figura 16. Medias determinadas para la concentración de sulfuro de sodio (95%

de confianza)

Sulfuro de sodio

0,1 0,5

Peroxido de hidrogeno

1,0 4,0

Gráfica de Efectos Principales para Concentración de Proteina

2,6

3,6

4,6

5,6

6,6

7,6

Co

ncen

trac

ión

de

Pro

tein

a

0,1 0,3 0,5

Medias y 95,0% de Fisher LSD

Sulfuro de sodio

1,6

2,6

3,6

4,6

5,6

6,6

7,6

Co

ncen

tració

n d

e P

rote

ina

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5.7. Mejores condiciones

Las mejores condiciones estimadas para la obtención de queratina se las determinó

mediante el software estadístico STATGRAPHICS esto se puede observar en la figura

17.

Figura 17. Condiciones óptimas para la obtención de queratina

Los valores correspondientes a las condiciones óptimas de obtención de queratina se

presentan a continuación, en la tabla 31.

Tabla 31. Resultados condiciones óptimas para la obtención de queratina

Concentración Na2S,

M

Volumen de

H2O2, mL

Concentración de

proteína, mg/mL

0,45 3,08 7,57

5.8. Análisis elemental

A continuación, en la tabla 32 se presentan los resultados del análisis elemental de la

solución de caseína estándar y el hidrolizado de queratina.

Tabla 32. Análisis elemental de hidrolizado de queratina y solución de caseína estándar

Muestra %N %C %H %S

Queratina 0,65 1,3 5,94 0,83

Caseína 0,68 0,67 4,00 0,28

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5.9. Resultados caracterización de queratina

En la tabla 33, se presentan los resultados obtenidos de la caracterización del

hidrolizado de queratina empleando las condiciones óptimas del proceso.

Tabla 33. Caracterización del hidrolizado de queratina obtenido

Organoléptico Resultado

Color Ámbar

Olor Característico, ligeramente

desagradable

Fisicoquímico

Concentración de proteína

total

7,53 mg/mL

Densidad 1,0345 g/mL

Viscosidad 1,6 cp

pH 7

5.10. Caracterización de acondicionador capilar

En la tabla 34 se presentan los resultados de los controles fisicoquímicos y

organolépticos realizados en el acondicionador capilar obtenido.

Tabla 34. Caracterización del acondicionador capilar obtenido

Organoléptica Método Resultado

Color Visual Amarillo

Olor Olfato Agradable, fuerte

Textura Aplicación en el cabello Suave, no forma grumos

Fisicoquímicas

pH Analizador multiparámetro 4,4

Tipo de emulsión Solubilidad o/w

Viscosidad Reómetro 3,5 Pa.s

Control Microbiológico

Mesófilos Aerobios Recuento en Placa Ausencia

E. Coli Recuento en placa Ausencia

Hongos y levaduras Recuento en placa Ausencia

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5.11. Análisis de costos

En la tabla 35, se presentan los resultados del análisis de costos realizado. Se puede

observar los costos del hidrolizado de queratina y acondicionador capilar obtenidos y

su respectivo costo comercial.

Tabla 35. Análisis de costos del hidrolizado de queratina y acondicionador capilar obtenidos.

Costo obtenido ($/g) Costo comercial ($/g )

Hidrolizado de

Queratina

0,063 0,104

Acondicionador capilar 0,022 0,033

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6. DISCUSIÓN

En lo que se refiere a la etapa de preparación de la muestra de cabello recolectada

para el proceso de obtención de queratina, se considera lo siguiente:

La muestra de cabello recolectado está formada de distintos tipos de cabellos debido

a que se trata de un residuo de los centros de belleza. Esta muestra generalmente

presenta contaminantes como polvo debido a la presencia natural de sebo que tiene

el pelo. Autores como Han, Chun, Lee, Lee, & Chung (2008) y Wang et al. (2012)

recomiendan lavar la muestra con agua y jabón para posteriormente realizar un

segundo lavado con etanol al 70% para remover la grasa del cabello. Sin embargo,

en este trabajo se trató de encontrar alternativas a este proceso, con el fin de reducir

costos. Para ello, en el segundo lavado de la muestra se empleó alcohol potable que

es más económico, para desengrasar el cabello. Se sumergió la muestra en el

alcohol y posteriormente se enjuagó con abundante agua. Dando buenos resultados.

En la etapa de secado, a la muestra recolectada y lavada de aproximadamente 1kg

se la secó a temperatura ambiente. El proceso demoró aproximadamente 2 días.

También se puede eliminar el agua presente en la muestra mediante el uso de una

estufa u horno a 30°C, sin embargo, se consideró esta alternativa por ser más

económica.

Un problema de trabajar con la muestra de cabello recolectada tratada y seca, es

que pequeñas cantidades ocupan un gran volumen. La reducción de tamaño

soluciona el inconveniente, para este fin se empleó tijeras al igual que Salazar

(2013).

En la etapa de hidrólisis del cabello con sulfuro de sodio se analiza lo siguiente:

Con el fin de determinar el mejor proceso de obtención de queratina se evaluó la

influencia de la concentración de sulfuro de sodio y peróxido de hidrógeno, durante el

proceso de hidrólisis. La tabla 30 muestra el análisis de varianza ANOVA,

determinándose que existe una influencia significativa del sulfuro de sodio y peróxido

de hidrógeno en la concentración de proteína del hidrolizado. Constituyendo el

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sulfuro de sodio la variable de mayor influencia y con la cual de acuerdo a la tabla

26 su aumento progresivo permite recuperar una mayor cantidad de proteína hasta

cierto límite (0,5M), por lo que se considera apropiado hacer ensayos a mayores

concentraciones.

La concentración con la que se recuperó la menor cantidad de proteína fue con

sulfuro de sodio 0,1M. Ésta concentración fue usada por S. Wang et al. (2012) en la

obtención de un hidrolizado de queratina a partir de cabello, para la elaboración de

un hidrogel de queratina con fines médicos. No se eligió esa concentración como la

adecuada para este proceso ya que se busca obtener un hidrolizado con una mayor

concentración de proteína con similares características a uno comercial y que la

cantidad de residuo producido sea mínima. Con la concentración de 0,1M de sulfuro

de sodio se disuelve aproximadamente el 15% del cabello, con 0,3M se disuelve

aproximadamente el 65% del cabello y con una concentración de 0,5M se disuelve el

74% del cabello. Se determinó la concentración de 0,45M de sulfuro de sodio (tabla

31) como la adecuada para este proceso mediante el software estadístico

Statgraphics, con esta concentración se produce una menor cantidad de residuo y

una mayor concentración de proteína. Una concentración similar fue usada por

Gupta et al. (2012) en la obtención de un hidrolizado de queratina a partir de plumas

de pollo. En ese trabajo utilizaron un volumen de 2L de sulfuro de sodio para disolver

50g de plumas, lo que equivale a unos 200mL para disolver 5g de plumas, siendo un

volumen mayor de sulfuro de sodio el empleado al compararlo con el utilizado para la

para la hidrólisis de cabello. Sin embargo, hay que tomar en cuenta que las plumas

de pollo no tienen la misma estructura del cabello humano, también presentan raquis

y cálamo, estructuras que son más resistentes.

Se siguió el procedimiento descrito por Florido (2007) para la obtención de queratina,

obteniéndose un hidrolizado de color negro, debido a la presencia de melanina. Para

solucionar este inconveniente se emplearon varias alternativas como el uso de

carbón activado, un filtro con diámetro de poro de 0,43µm y mediante centrifugación.

Utilizando el carbón activado éste se adhiere al hidrolizado, pero no se logra la

aclaración del mismo. Empleando el filtro de 0,43µm se logra obtener un hidrolizado

claro de color ámbar, sin embargo, también se reduce la cantidad de proteína

presente. Con la centrifugación se obtuvieron los mejores resultados. Se logró

separar la melanina sin afectar considerablemente la concentración de proteína. El

hidrolizado fue centrifugado a 2500 rpm durante 20min, después de la etapa de

hidrólisis. Este problema no se presenta en la hidrólisis de plumas de pollo debido a

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que éstas son blancas, el hidrolizado obtenido es claro y de un color amarillo

(Salazar, 2013).

Se intentó implementar un procedimiento inverso al propuesto por Florido (2007) en

el cual a la muestra de pelo seca, se la somete a un proceso de decoloración

mediante la acción de polvo decolorante (sales de persulfato e hidróxido de amonio)

y peróxido de hidrogeno al 30%, para después continuar con la hidrólisis con sulfuro

de sodio. Se esperaba que con la oxidación y la posterior hidrólisis, el hidrolizado

obtenido sea claro y no tenga un color negro. Sin embargo, al obtener el hidrolizado

éste presenta un olor completamente desagradable. Posiblemente debido al agresivo

tratamiento se degradan algunos aminoácidos como la cisteína, produciendo un mal

olor, por lo que no fue conveniente obtener el hidrolizado de queratina por este

método.

Durante la oxidación con H2O2 se observó la formación de espuma característica

propia de los hidrolizados de proteína y se observó un aumento de temperatura. Aquí

se produce una reoxidación de determinados enlaces de la queratina. Se ha

evidenciado que mediante la adición de H2O2 se puede volver a formar los enlaces

disulfuro. Sin embargo, no se restituye el patrón cristalino de la queratina debido a

que los enlaces no se forman igual que en la estructura original. Se determinó un

volumen de 3,08mL de peróxido de hidrógeno al 30% como el más adecuado para el

proceso (tabla 31), con este volumen se produce una reacción completa. Con el

volumen de 4mL se evidencia un exceso de H2O2 y las condiciones son más

oxidantes.

En la caracterización del hidrolizado de queratina obtenido se toman en consideración

los siguientes puntos:

Se realizó un análisis elemental del hidrolizado de queratina y de la solución patrón

de caseína (Tabla 32). Se observa que ambas soluciones de proteína son similares,

presentando la queratina un mayor porcentaje de azufre debido a la presencia de

cisteína la cual a través de los enlaces disulfuro le proporcionan rigidez y resistencia,

propiedades que caracterizan a este tipo de proteína. La cantidad de proteína fue

cuantificada por espectrofotometría empleando el reactivo de Biuret y una solución

estándar de caseína. La cantidad de proteína obtenida en el hidrolizado de queratina

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fue de 7,53 mg/mL (tabla 33), valor que se acerca al de la queratina comercial que es

de 8,1 mg/mL (ANEXO E).

En cuanto a la densidad se puede observar en la tabla 27 que de igual forma el

hidrolizado es más denso cuando se emplea una mayor concentración de sulfuro de

sodio. Para el hidrolizado obtenido el valor de densidad fue de 1,030g/mL.

Comparándolo con el valor de densidad del hidrolizado comercial que es de

1,10g/mL; se observa que este último es un poco más denso, esto debido a que el

hidrolizado comercial es un poco más concentrado. El valor de viscosidad obtenido

es de 1,6 cp similar al reportado por Pardo & Rogel (2015) que es de 1,65 cp quienes

obtuvieron un hidrolizado a partir de plumas de pollo. Sin embargo, el hidrolizado

comercial es más viscoso, posiblemente porque el método de hidrólisis utilizado para

obtenerlo no es el mismo que se realizó en este trabajo.

Mediante el programa estadístico STATGRAPHICS, se determinaron las mejores

condiciones del proceso para la obtención del hidrolizado de queratina. Estas

condiciones óptimas corresponden a una concentración 0,45 M de sulfuro de sodio y

3,08 mL de volumen de peróxido de hidrógeno al 30% para obtener

aproximadamente 80mL de hidrolizado con una concentración de proteína de 7,57

mg/mL. Como se puede observar en la figura 15 la variable de mayor influencia en la

concentración de proteína es el sulfuro de sodio, debido a que a concentraciones

altas de este compuesto existe una mayor hidrólisis.

En la formulación de un acondicionador capilar para el cabello se analiza lo siguiente:

Villa et al. (2013) establecen una formulación para un acondicionador capilar

utilizando un hidrolizado de queratina de plumas de pollo con una concentración de

proteína de 1,53 mg/mL. En la formulación se utiliza un 10% en peso de ésta

queratina. Sin embargo, debido a que la queratina obtenida es de mayor

concentración con 7,53mg/mL, se empleó solo un 5% en peso referido al peso total

de la composición, para formular el acondicionador, ya que al agregar cantidades

mayores la emulsión pierde viscosidad y no es estable.

Las características de color, olor y textura del acondicionador son agradables a los

sentidos presentando un color claro, no presenta un olor fuerte o pungente y su

textura permite la aplicación correcta por todo el cabello. Debido a que se trata de un

producto cosmético de uso humano se realizó un ensayo microbiológico como se

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observa en el (ANEXO D), determinándose que no existe la presencia de

microorganismos que puedan causar daños a la salud.

En base a la figura 15 que considera los efectos principales de los factores sobre la

variable respuesta: concentración de proteína, se puede observar que en la curva

correspondiente a la concentración de sulfuro de sodio no queda definido si a

concentraciones superiores a 0,5 M se obtendría una mayor o una menor

concentración de proteína. De acuerdo a lo señalado anteriormente a

concentraciones superiores de sulfuro de sodio se procesaría una cantidad de

cabello mayor al 74% lo que provocaría la formación de una emulsión de color negro

y por lo tanto se dañaría la muestra tratada. También se ha establecido que a

condiciones alcalinas severas se da lugar a la destrucción de las cadenas peptídicas,

por lo tanto, para concentraciones superiores de sulfuro de sodio se esperaría la

destrucción de más enlaces peptídicos, provocando una disminución de la

concentración de proteína lo cual se determinaría por espectrofotometría UV-Vis.

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7. CONCLUSIONES

Se logró la obtención de queratina mediante una hidrólisis alcalina a partir de

residuos de cabello humano provenientes de centros de belleza. El hidrolizado de

queratina obtenido tiene una concentración de proteína total de 7,53 mg/mL la cual

fue cuantificada mediante espectrofotometría UV-Vis.

Las mejores condiciones del proceso estimadas mediante análisis estadístico

usando la técnica de superficie de respuesta corresponden a 0,45M de sulfuro de

sodio y 3,08mL de peróxido de hidrógeno, obteniéndose a partir de 5g de cabello,

80mL de hidrolizado el cual tiene 602,4mg de proteína total aproximadamente.

La mayor cantidad de queratina fue obtenida a altas concentraciones de sulfuro de

sodio en un tiempo de reacción de 4h. Determinándose que esta variable gobierna

el proceso, ya que presenta mayor influencia en la hidrólisis de queratina, como se

indica en la figura 15.

Mediante el análisis de costos se estimó que el precio por gramo de hidrolizado de

queratina obtenido es de 0,06$. Al compararlo con el precio comercial de un

hidrolizado similar que es de 0,10$ se establece que es factible producirlo por el

método de obtención estudiado, generando una alternativa económica que puede

competir en el mercado con productos de este tipo.

Se determinó que para la elaboración de un acondicionador capilar con este tipo de

hidrolizado concentrado, es necesario el uso de un 5% del mismo en la formulación

indicada en la tabla 8, ya que a mayor cantidad la emulsión pierde viscosidad y no

es estable. El acondicionador obtenido es económico y no presenta

microorganismos que puedan afectar a la salud por lo que es apto para su uso.

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8. RECOMENDACIONES

Para reducir el tamaño de la muestra de cabello para la etapa de hidrólisis es

recomendable utilizar un molino de cuchillas, ya que el proceso utilizando tijeras es

demoroso y además el cabello se pega a toda superficie alrededor.

Se recomienda realizar un escalado del proceso de obtención de queratina

planteado, con el fin de determinar que equipos son necesarios para el diseño de

una planta piloto de producción del hidrolizado.

Evaluar la posibilidad de utilizar los desechos generados en la etapa de hidrólisis

(restos de cabello) para otras posibles aplicaciones como producción de fertilizantes

orgánicos o producción de un material adsorbente de metales pesados.

Probar distintos procesos de hidrólisis, que empleen otro tipo de reactivo y

comparar con el método propuesto para evaluar si se produce el mismo tipo de

residuos.

Determinar la factibilidad de utilizar la melanina separada, en la producción de

protectores solares o en la elaboración de maquillaje.

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ANEXOS

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ANEXO A. Proceso de obtención de Queratina

Figura A.1. Lavado de la muestra de cabello

Figura A.2. Muestra de cabello seca

Figura A.3. Solución de Sulfuro de Sodio y muestra de cabello para hidrólisis

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Figura A.4. Incubación de muestras por 4h a 40°C en estufa

Figura A.5. Oxidación de muestras con H2O2 en agitador magnético

Figura A.6. Muestras de hidrolizado de queratina obtenidas

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Figura A.7. Centrifugación de hidrolizado de queratina

Figura A.8. Melanina separada después de centrifugar el hidrolizado

Figura A.9. Hidrolizado de queratina obtenido A) Sin centrifugar B) Centrifugado

A B

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ANEXO B. Caracterización del Hidrolizado de Queratina obtenido

Figura B.1. A) Espectrofotómetro UV-Vis B) Ensayo de proteína total en el

hidrolizado de queratina (Método de Biuret)

Figura B.2. Equipo de análisis elemental

Figura B.3. Determinación de densidad y viscosidad de hidrolizado de queratina

A B

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ANEXO C. Formulación de acondicionador capilar con queratina

Figura C.1. Fase acuosa y fase oleosa para formulación de acondicionador

Figura C.2. Adición de hidrolizado de queratina a la emulsión formada

Figura C3. Acondicionador capilar formulado y envasado

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ANEXO D. Caracterización del acondicionador capilar formulado

Figura D.1. Reómetro Anton PAAR

Figura D.2. Medios de cultivo utilizados para análisis microbiológico de

acondicionador

Figura D.3. Siembra en placa de muestra de acondicionador en medios de cultivo

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Figura D.4. Muestras de acondicionador incubadas durante 48h en medio de

cultivo Agar nutrientre mas inhibidor tween 80

Figura D.5. Muestras de acondicionador incubadas durante 48h en medio de

cultivo Agar McConkey más inhibidor tween 80

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Figura D.6. Muestras de acondicionador incubadas durante 7días en medio de

cultivo Sabourad más inhibidor tween 80

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ANEXO E. Ficha técnica de hidrolizado de Queratina

Se presenta la ficha técnica del hidrolizado de queratina comercial, se adiciona la

concentración de proteína medida por el método de Biuret y el precio al que se

encuentra actualmente.

Prueba Hidrolizado de Queratina CSP

Organoléptico

Aspecto A

Liquido Fluido

Color A

Amarillo

Olor A

Característico desagradable

Fisicoquímico

Concentración de Proteína B

8,1mg/mL

Densidad A

1,1 a 1,2 g/mL

pH A

5.0 -7.5

Solubilidad A

Soluble en disoluciones acuosas

Sólidos Totales A

9,5-10,5%

Otros

Precio ($/500g) C

52,15

A (Jabonería de Suval) B (Cuantificación realizada experimentalmente) C (Investigación propia)