Rev. Agrotec. Amaz. 3(1), e429, doi: 10.51252/raa.v3i1.429
Artículo Original
Original Article
Ene-Jun, 2023
https://revistas.unsm.edu.pe/index.php/raa
e-ISSN: 2710-0510
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Bandejas biodegradables de almidón de papa con fibra de
tocón de espárrago (Asparagus officinalis L.)
Biodegradable potato starch trays with asparagus (Asparagus officinalis L.) stump
fiber
Diaz-Diaz, Elmer1
Cabrera-Guevara, Celestino1
Diaz-Idrogo, Yorly1
Chumacero-Acosta, Julio Santiago1
Gamboa-Alarcón, Pedro Wilfredo1*
1Universidad Nacional Autónoma de Chota, Cajamarca, Perú
Recibido: 31 Ago. 2022 | Aceptado: 02 Dic. 2022 | Publicado: 20 Ene. 2023
Autor de correspondencia*: pgamboa@unach.edu.pe
Cómo citar este artículo: Diaz-Diaz, E., Cabrera-Guevara, C., Diaz-Idrogo, Y., Chumacero-Acosta, J. S. & Gamboa-Alarcón, P. W.
(2023). Bandejas biodegradables de almidón de papa con fibra de tocón de espárrago (Asparagus officinalis L.). Revista
Agrotecnológica Amazónica, 3(1), e429. https://doi.org/10.51252/raa.v3i1.429
RESUMEN
Los envases biodegradables a base de almidón son una alternativa para disminuir la fracción de residuos sólidos
urbanos originados por el uso de bandejas de poliestireno expandido, generalmente difíciles de biodegradarse.
En el presente trabajo se ha investigado la obtención de una bandeja biodegradable de almidón de papa (A), fibra
de tocones de espárrago (F) y glicerina (G), en un proceso de termoformado con presión de 24 bar a 150 °C por
un tiempo de 20 minutos. Se empleó el Diseño de Mezclas Simplex Centroide para determinar las cantidades de
los componentes en cada tratamiento. Las bandejas fueron caracterizadas mediante pruebas físicas (espesor y
densidad) y pruebas mecánicas (fracturabilidad, dureza, resistencia a la tracción y porcentaje de elongación).
Finalmente, mediante el uso de la función deseabilidad, se determinó que la mezcla óptima para la obtención de
bandejas biodegradables fue la relación F/A de 85/6,89 y % G de 13,11%, que maximizó los valores de dureza
(19,19 kg), fracturabilidad (9,09 mm), resistencia a la tracción (0,133 MPa) y porcentaje de elongación (2,998
mm).
Palabras clave: diseño de mezclas; envases termoformados; propiedades mecánicas
ABSTRACT
Starch-based biodegradable containers are an alternative to reduce the fraction of urban solid waste originated
by the use of expanded polystyrene trays, which are generally difficult to biodegrade. In the present work, the
obtaining of a biodegradable tray made of potato starch (A), asparagus stump fiber (F) and glycerin (G) was
investigated in a thermoforming process with a pressure of 24 bar at 150 °C for a time of 20 minutes. Simplex
Centroid Mixture Design was used to determine the amounts of the components in each treatment. The trays
were characterized by physical tests (thickness and density) and mechanical tests (fracturability, hardness,
tensile strength and elongation percentage). Finally, using the desirability function, it was determined that the
optimum mixture for obtaining biodegradable trays was the F/A ratio of 85/6.89 and % G of 13.11 %, which
maximized the values of hardness (19.19 kg), fracturability (9.09 mm), tensile strength (0.133 MPa) and
elongation percentage (2.998 mm).
Keywords: mix design; thermoformed trays; mechanical properties
Diaz-Diaz, E. et al.
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1. INTRODUCCIÓN
A nivel mundial, el principal envase utilizado para contener productos alimenticios es el poliestireno
expandido (PEE), material que tiene como principales propiedades: ser aislante térmico, resistente a la
humedad, ligero, moldeable y barato. Sin embargo, al ser un producto derivado de petróleo, genera
problemas medioambientales relacionados al deterioro de los paisajes por su resistencia a la
biodegradabilidad, generalmente cientos de años. Esto ha originado una grave contaminación ambiental y
un efecto negativo en el hábitat de los humanos y de la vida silvestre.
Diversos investigadores buscan desarrollar envases a base de polímeros biodegradables renovables, con
alta biodegradabilidad y bajo coste (Ferreira et al., 2019). En el caso de las bandejas para el envasado de
alimentos, se han desarrollado envases biodegradables que utilizan como la combinación de diferentes
tipos de almidón reforzados con fibras lignocelulósicas (Cruz-Tirado et al., 2017; Kaisangsri et al., 2012).
Para ello mediante un proceso de termoformado o prensado a temperaturas altas utilizan temperaturas
que oscilan entre los 120 – 220 °C y tiempos entre los 2 a 20 minutos (Bergel et al., 2017; Cinelli et al., 2006;
Cruz-Tirado et al., 2019; Espina et al., 2016). La determinación de los parámetros a emplear, depende del
tipo y densidad de la mezcla, presión de prensado, entre otros factores
Entre las diversas fuentes de almidón, el obtenido de tubérculos (papa, oca, arracacha, yuca, entre otros)
son los que tienen mayor empleo en la elaboración de bandejas biodegradables, principalmente por su fácil
proceso de obtención en comparación con los cereales (Waterschoot et al., 2015). Tiene como
características principales, tamaño granular grande, alto contenido de fósforo y baja temperatura de
gelatinización (Wang et al., 2017).
El almidón de papa es un material que tiene entre sus propiedades: disolución en agua fría, elevada
viscosidad, estabilidad de retrogradación y alta claridad en la pasta, las cuales han permitido su uso en la
formación de películas, bandejas biodegradables, materiales de relleno y espesantes (Jiang et al., 2021).
Posee un volumen de partícula elipsoidal entre 2– 66 μm; representa el 20% de los compuestos presentes
en la papa, además se encuentra conformado por 14% de amilosa y 86% amilopectina (Zhang et al., 2020).
El espárrago es una hortaliza herbácea perenne, baja en calorías, de gran importancia nutricional y
comercial, principalmente espárragos blancos y verdes (Sarabi et al., 2010). Es una planta diclina con una
flor masculina de color verde y una flor femenina menos conspicua en una planta separada (Sinha, 2011).
Desde el punto de vista de consumo, el espárrago se divide en tres partes: parte comestible, tocón y raíces.
El tocón representa el 13% de toda la planta (Lee et al., 2014; Ruiz Quispe, 2018). Dentro de su composición
contiene más del 90% de agua, 3,8% de Carbohidratos 2,2% de fibra, 0,12% de grasa y 2,2% proteínas. Sin
embargo, este subproducto no tiene un manejo adecuado de los residuos de esta industria (Angulo Cueva,
2019).
Por todo lo mencionado, el objetivo del presente trabajo fue desarrollar una bandeja biodegradable a base
de almidón de papa y fibra de tocones de espárrago que tenga las mejores propiedades mecánicas y puedan
ser una alternativa de uso como envase de alimentos.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Para la obtención del almidón de papa variedad amarilla, primero el tubérculo se cortó en trozos de 0,5 cm
por 1 cm, posterior a ello los trozos obtenidos se licuaron utilizando una licuadora industrial (Gastro Corp.
Modelo: LAR – 04 de 4 litros de capacidad) obteniéndose una pasta de papa, la cual se lavó y tamizo
(tamiz<710 μm). Se dejó sedimentar a 10 °C por 24 horas para lograr obtener el almidón. Se eliminó el
sobrenadante y la parte de almidón resultante se lavó 3 veces. Por último, se secó por 24 horas a 60 °C
(Estufa BINDER), se molió y tamizó donde se obtuvo almidón nativo con tamaño de partícula aprox. 400 -
450 μm. La papa amarilla utilizada provino de la provincia de Chota, Cajamarca.
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En el caso de las fibras vegetales fueran obtenidas de los tocones de espárragos, residuos agroindustriales.
Se inició limpiando y cortando, para luego ser secados a 80°C por 6 horas, posterior a ello, se molieron por
30 minutos y tamizaron (tamiz < 1000 μm.). Los tocones fueron residuos agroindustriales provenientes de
la Empresa Santa Sofía del Sur S.A.
La extracción de almidón y obtención de las fibras vegetales se realizaron en el Instituto de Investigación
Tecnológica Agroindustrial de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Santa.
2.1. Elaboración de bandejas biodegradables
Para la elaboración de bandejas biodegradables se mezclaron el almidón y las fibras vegetales, posterior a
ello en una Moldeadora Semi Neumática y utilizando una bandeja de acero inoxidable se dio forma
rectangular a la bandeja (3cm de alto, 21,5 cm de largo de boca, 17,5 cm de largo de fondo, 14,5 cm de ancho
y 2 cm de distancia entre largo de boca y largo de fondo). Este proceso se realizó a una presión de 24 bar a
150 °C por un tiempo de 20 minutos. Finalmente, las bandejas se acondicionaron a temperatura ambiente
a una humedad relativa de 85% durante 5 días. En cada prueba se utilizó 5ml de suero de leche y 2,5g
estearato de magnesio.
Se aplicó un diseño de mezclas Simplex Centroide en donde el almidón, la fibra y la glicerina serán los
ingredientes y a cada combinación particular o mezcla se le realizará una evaluación de sus propiedades
mecánicas. Luego, a partir del tratamiento óptimo se desarrollará la formulación de las bandejas
biodegradables en función a la relación almidón: fibra: glicerina.
Para obtener los parámetros óptimos de las bandejas biodegradables se utilizará un Diseño de Mezclas
Simplex Centroide (DMSC), a través del método lineal (ecuación 1) combinando tres componentes e
incrementando las cantidades de almidón, fibra y glicerina en función a las proporciones establecidas.
𝐸(𝑌) = 𝛽𝐴𝑥𝐴+ 𝛽𝐵𝑥𝐵+ 𝛽𝐶𝑥𝐶 … (ecuación 1)
Dónde:
𝐸(𝑌) =Valor óptimo de análisis sensorial.
𝛽𝐴, 𝛽𝐵, 𝛽𝐶= coeficientes que cuantifican el efecto de las mezclas puras.
𝑥𝐴, 𝑥𝐵, 𝑥𝐶=proporciones de los componentes (almidón, fibra, glicerina).
A = almidón; B = fibra; C= glicerina.
Tabla 1.
Componentes de almidón de papa, fibras vegetales de tocones de espárrago y glicerina obtenidas del DMSC
para elaborar bandejas biodegradables
Trat.
Diseño de Mezclas Componentes
X1
Almidón
X2
Fibra
X3
Glicerina
Total
M1
1
95,00
0
5,00
0
5,00
105,00
M2
0
85,00
1
15,00
0
5,00
105,00
M3
0
85,00
0
5,00
1
15,00
105,00
M4
1/2
90,00
1/2
10,00
0
5,00
105,00
M5
1/2
90,00
0
5,00
1/2
10,00
105,00
M6
0
85,00
1/2
10,00
1/2
10,00
105,00
M7
1/3
88,333
1/3
8,333
1/3
8,333
105,00
M8
2/3
91,667
1/6
6,667
1/6
6,667
105,00
M9
1/6
86,667
2/3
11,667
1/6
6,667
105,00
M10
1/6
86,667
1/6
6,667
2/3
11,667
105,00
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2.2. Caracterización física y mecánica
Propiedades físicas
El espesor de las bandejas biodegradables se obtuvo del promedio de 5 medidas, utilizando un vernier
digital de acero inoxidable DC051 (0 - 150 mm).
A partir de la masa (g) y volumen (cm3) de las muestras se calculó la densidad de las mismas. Las muestras
median 25mm de ancho y 100 mm de largo, estas se pesaron para determinar su masa y para encontrar su
volumen se multiplicaron sus dimensiones.
Propiedades mecánicas
Para el ensayo de tracción, se fijaron en la base de la máquina muestras de bandejas regulares (cortadas
desde la base de la bandeja) con dimensiones de 25 x 100 mm2 con una separación de agarre inicial de 80
mm y una velocidad de cruceta de 2 mm s 1 a simple romper. Se registraron los valores de resistencia a la
tracción (MPa) y deformación a la rotura (alargamiento, %). Los valores reportados son las medias de 3
repeticiones por cada tratamiento.
Las pruebas de compresión se realizaron utilizando muestras cuadradas de 50 mm de lado. La resistencia
a la punción y la fracturabilidad de bandejas se midieron utilizando un accesorio HDP/CFS y una sonda
esférica de acero inoxidable P/0,25 S (TA.HDPlus analizador de textura). Se reportaron medias de 3
repeticiones por cada tratamiento.
2.3. Análisis estadístico
Para determinar diferencias significativas entre los tratamientos, se utilizó el análisis de varianza (ANOVA)
y posteriormente la prueba de Tukey con un nivel de significancia establecido en p < 0,05. Los análisis se
realizaron en el software estadístico Design Expert.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Espesor y densidad
En la Figura 1 se representan el grafico de contornos y superficie de respuesta del espesor de las bandejas
biodegradables en función a la cantidad de almidón de papa, fibra de tocón de espárrago y glicerina
utilizada durante su elaboración. El espesor de la bandeja de M4 (A/F de 90/10 y 5% G) y M8 (A/F de
91,67/6,67 y 6,67% G) fueron las que obtuvieron valores más altos con 0,53 y 0,523 cm, respectivamente.
Las concentraciones bajas de glicerina favorecen el incremento significativo de espesor de las bandejas
(diferencias significativas entre tratamientos según la prueba de Tukey, p<0,05). La bandeja M3 producida
con una relación almidón/fibra 85/15 y 5% de glicerina tuvo el menor grosor (0,42 cm).
En cuanto al efecto del contenido de fibra y almidón sobre este parámetro, se observa que los mayores
espesores se obtuvieron en las mezclas intermedias de ambos componentes. Probablemente, la adición de
glicerina y fibra en la matriz polimérica obstruye la capacidad de expansión del almidón durante el proceso
de termoformado, generando bandejas de espuma con mayor densidad (relación inversa entre la capacidad
de expansión y la densidad) (Cruz-Tirado et al., 2017). La glicerina, tiene la propiedad de absorber el agua,
lo cual evitaría que las bandejas de espuma tengan una baja densidad, debiendo utilizarse concentraciones
menores a 5%.
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Figura 1. Superficie de respuesta (a) y gráfico de contornos (b) para el espesor de las bandejas
biodegradables en función a la cantidad de almidón de papa, fibra de tocón de espárrago y glicerina
En la Figura 2, se observa los resultados de gráficos de contorno y superficie para la variable densidad. La
densidad de las bandejas osciló entre 0,4789 y 0,7083 g/cm3, siendo la bandeja M8 producida con una
relación A/F de 91,67/6,67 y 6,67% de G la de menor densidad. De acuerdo a la prueba ANOVA, p<0,05, la
adición de glicerina tiene un efecto significativo en la densidad final a (prueba de Tukey, p<0,05) de cada
muestra, posiblemente, debido a que la glicerina tiene una influencia directa en la absorción de humedad,
lo cual en concentraciones considerables evitaría la dispersión homogénea de la mezcla y capacidad de
expansión (Bolt, 2005). Los valores de densidad registrados en el presente estudio fueron altos en
comparación con el poliestireno expandido (0,041 – a 0,06 g/cm3) (Cabanillas et al., 2019; Vercelheze et
al., 2012) y superior a la densidad lazos de espumas producidas con almidón con fibra vegetal de hojas de
banana y achira (0,144–0,209 g/cm3) (Hoyos Mireles et al., 2021) y almidón de oca con fibra de piel de
espárrago (0,171 – 0,272 g/cm3) (Cruz-Tirado et al., 2017) e inferiores para las bandejas elaboradas con
almidón de yuca con fibras de celulosa y aislado de proteína de girasol (0,456–0,587 g/cm3) (Salgado et
al., 2008).
Figura 2. Superficie de respuesta (a) y gráfico de contornos (b) para la densidad de las bandejas
biodegradables en función a la cantidad de almidón de papa, fibra de tocón de espárrago y glicerina
Diaz-Diaz, E. et al.
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3.2. Optimización propiedades mecánicas de los envases
El análisis de las propiedades mecánicas permite determinar la resistencia del material y posibles
alternativas de uso como contenedor de alguna comida.
En la Figura 3, se observa el gráfico superficie de respuesta para la dureza por efecto de la interacción
almidón, fibra de espárrago y glicerina, los valores de R2 (0,9984) y valor F (715,78) del modelo implican
que el modelo es significativo, solo existiendo un 2,89% de posibilidades de que se produzca un valor por
algún ruido. Los resultados obtenidos muestran que la interacción de los 3 factores tiene un efecto
significativo sobre la dureza. Mediante el gráfico de superficie de respuesta el tratamiento con relación A/F
de 86,667/11/667 y 6,667% de G obtendrá un valor deseado óptimo de 23, 01 kg de fuerza.
El efecto de la fibra, almidón y glicerina tuvo un efecto diferente en la dureza de las bandejas. El incremento
de la concentración de fibra de espárrago aumenta la fuerza de bandejas, además su interacción con la
glicerina tiene un efecto en la resistencia de las bandejas. Los resultados indican que la mejor incorporación
a la matriz de almidón se da en tratamientos con mayor contenido de fibra y concentraciones bajas de
glicerina. En tal sentido, según Cruz-Tirado et al. (2019) y Miléo et al. (2016) la adición de fibras con mayor
contenido de celulosa a mezclas de almidón, permiten transmitir la fuerza de tracción a las fibras de
espárrago, mejorando la resistencia a la tracción e incrementando sus propiedades mecánicas. En el caso
de la glicerina, su aplicación en concentraciones adecuadas permite la formación de una estructura
compacta, menos porosa (Cinelli et al., 2006), que permite actuar como plastificante en las bandejas, con
aumento de deformación a la rotura de estas bandejas (Kaisangsri et al., 2012).
Figura 3. Superficie de respuesta (a) y gráfico de contornos (b) para la dureza de las bandejas
biodegradables en función a la cantidad de almidón de papa, fibra de tocón de espárrago y glicerina
En la Figura 4, se observa el gráfico superficie de respuesta para la fracturabilidad por efecto de la
interacción almidón, fibra de espárrago y glicerina, mediante su aplicación se evalúa la integridad de las
bandejas durante el desplazamiento. De acuerdo a los resultados observados, la relación de las variables
almidón y glicerina tienen un efecto significativo (p< 0,05) en el desplazamiento, concentraciones de
glicerina por encima del 7% optimizan la integridad de las bandejas. En cuanto a la interacción de las
variables fibra y almidón, no existe una relación significativa de mejora en cuanto a la incorporación de
fibra en reemplazo del almidón.
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Figura 4. Superficie de respuesta (a) y gráfico de contornos (b) para la fracturabilidad de las bandejas
biodegradables en función a la cantidad de almidón de papa, fibra de tocón de espárrago y glicerina
En la Figura 5 la interacción de las variables fibra, almidón y glicerina con respecto a la resistencia a la
tracción (a) y elongación (b)., los resultados muestran una diferencia significativa (p<0,05) entre los
tratamientos y para la interacción de las variables, lo que indica que resistencia a la tracción y % elongación
dependen del nivel de concentración de fibra, almidón y glicerina.
Figura 5. Superficie de respuesta de resistencia a la tracción (a) y porcentaje de elongación (b)en bandejas
biodegradables de almidón de papa, fibra de tocón de espárrago y glicerina
De la optimización de las variables de estudio obtuvo que el tratamiento con relación A/F de 90/5 y G 10%
permite tener un valor deseado de resistencia a la tracción de 0,1548 MPa y un tratamiento de A/F de 85/5
y G 15% permite tener un valor óptimo de % elongación de 4,24%. Las bandejas biodegradables con adición
de subproductos agroindustriales constituyen una alternativa emergente medioambiental promisoria para
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sustituir el uso de convencional de plásticos (poliestireno expandido) (Bergel et al., 2017; Espina et al.,
2016). Los resultados obtenidos muestran resistencias a la tracción y % elongación superiores a envases
desarrollados de ase de almidón de yuca reforzado con fibra de cáscara de piña (RT 0,60 -0,83 MPa y E 1,16
y 1,38%) (Cabanillas et al., 2019), bandejas a base de grano de cerveza y fécula de maíz (RT 1,1 -2 MPa y E
0, 89%) (Ferreira et al., 2019).
El porcentaje de elongación de los tratamientos en su mayoría se encontraron por debajo del valor
comercial del poliestireno (2,82%) (Cabanillas et al., 2019). Sin embargo, el tratamiento M3 con relación
A/F de 85/5 y 10% de G obtuvo un valor óptimo 4,24% de elongación, este aumento de valor en el
porcentaje de elongación se da probablemente debido al incremento de la plasticidad por la adición de
glicerina y al porcentaje de fibra de espárrago que permite fortalecer la matriz e interacción fibra y almidón
en bajas concentraciones que pueden probablemente atribuirse al tamaño de la fibra, obteniendo bandejas
con mayor porcentaje de elongación.
En la Tabla 2 se presenta el tratamiento óptimo del diseño de deseabilidad, que permite realizar una
optimización simultanea de las diferentes respuestas obtenidas y convertir cada respuesta de la variable
dependiente en una función que varía entre 0 y 1, siendo 1 el valor ideal (Barrios Córdova et al. 2020; De
Jesus Rahmer et al., 2019). El punto de deseabilidad máximo se obtiene con una relación A/F de 85/6,89 y
% G 13,11; encontrando esta combinación de factores con una deseabilidad óptima de 0,6613.
Tabla 2.
Valor óptimo de maximización de múltiples respuestas
Factor
Temperatura y
tiempo
Concentración de ácido
cítrico y tiempo
Almidón
Fibra
Glicerina
Dureza
(kg)
Fracturabilidad
(mm)
Resist.
Tracción
(MPa)
% Elong.
(mm)
Óptimo
85,0
6,89
13,11
19,190
9,509
0,133
2,998
4. CONCLUSIONES
Fue posible elaborar bandejas biodegradables a base de almidón de papa y fibra de tocones de espárrago
mediante un proceso de termoformado. Se determinó que la bandeja elaborada con la mezcla F/A de
85/6,89 y % G de 13,11% tendrá las propiedades mecánicas adecuadas para utilizarse en el envasado de
alimentos.
Asimismo, fue posible establecer que las propiedades físicas analizadas tienen una relación inversamente
proporcional a la cantidad glicerina y fibra adicionada en la matriz polimérica, que limita la capacidad de
expansión de la mezcla durante el termoformado. En el caso de las propiedades mecánicas, el incremento
de la concentración de fibra de espárrago aumenta la fuerza de bandejas, además su interacción con la
glicerina tiene un efecto en la resistencia de las bandejas. Los resultados indican que la mejor incorporación
a la matriz de almidón se da en tratamientos con mayor contenido de fibra y concentraciones bajas de
glicerina.
FINANCIAMIENTO
Investigación financiada por la Universidad Nacional Autónoma de Chota mediante contrato de Ejecución
de Proyecto de Investigación del V Concurso de Emprendimiento e Innovación Start Up N° 001-2019-
UNACH.
CONFLICTO DE INTERESES
No existe ningún tipo de conflicto de interés relacionado con la materia del trabajo.
Diaz-Diaz, E. et al.
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CONTRIBUCIÓN DE LOS AUTORES
Conceptualización: Gamboa-Alarcón, P. W.
Curación de datos: Gamboa-Alarcón, P. W.
Análisis formal: Diaz-Diaz, E.
Adquisición de fondos: Diaz-Diaz, E.
Investigación: Diaz-Idrogo, Y.
Metodología: Gamboa-Alarcón, P. W. y Chumacero-Acosta, J. S.
Administración del proyecto: Cabrera-Guevara, C.
Recursos: Cabrera-Guevara, C.
Software: Diaz-Idrogo, Y.
Supervisión: Diaz-Diaz, E.
Validación: Gamboa-Alarcón, P. W. y Chumacero-Acosta, J. S.
Visualización: Diaz-Idrogo, Y.
Redacción - borrador original: Diaz-Diaz, E., Diaz-Idrogo, Y. y Cabrera-Guevara, C.
Redacción - revisión y edición: Diaz-Diaz, E., Diaz-Idrogo, Y. y Cabrera-Guevara, C.
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