Resumen de Obtención de biopolímeros de interés industrial mediante la transformación de residuos lignocelulósicos y ligninas residuales por Streptomyces

Gabriela de Jesús Domínguez Ruiz

• español

  El agotamiento de los recursos petrolíferos y la mayor concienciación de la sociedad sobre la preservación del medio ambiente, han impulsado el desarrollo de metodologías sostenibles para transformar fuentes renovables en productos de alto valor añadido. La biomasa lignocelulósica residual como las obtenidas en prácticas agrícolas y la lignina residual procedente de la industria pastero-papelera generan graves problemas medioambientales. Así, durante los últimos años, estos residuos se han utilizado en innumerables investigaciones por su gran potencial para ser utilizados con fines biotecnológicos y/o medioambientales, generando productos de gran interés. En este trabajo se ha llevado a cabo en primer lugar, la optimización, mediante el método estadístico Ortogonal Partial Least Squares Discriminant Analysis (OPLS-DA), de las condiciones de fermentación en estado sólido (SSF) de residuos agrícolas (paja de trigo y paja de cebada) por cepas de Streptomyces, para ser utilizados como espesantes en la producción de oleogeles respetuosos con el medio ambiente. Así mismo, se ha evaluado el potencial de ligninas residuales (Kraft y álcali lignina) funcionalizadas con la enzima lacasa SilA como espesantes para la misma finalidad. Para ello, se optimizaron las condiciones de reacción enzimática por la Metodología de Superficie de Respuesta (MSR) con objeto de alcanzar el mayor grado de polimerización de las ligninas. Por otra parte, se llevó a cabo la producción y la caracterización de hidrogeles elaborados con ligninas residuales funcionalizadas con SilA y se evaluó su potencial utilidad como agentes antibacterianos y adsorbentes de contaminantes textiles. Por último, se analizó la biodegradabilidad y ecotoxicidad de los productos obtenidos. Como resultados más relevantes cabe señalar que ambos residuos agrícolas fueron transformados con éxito por las cepas de Streptomyces durante el proceso SSF. La eficacia del proceso, determinada en función de la actividad enzimática y de la solubilización de la lignina, se atribuyó preferentemente a la actividad xilanasa producida por ambas cepas. La aplicación del método OPLS-DA a los resultados, permitió seleccionar como condiciones óptimas a la cepa S. MDG 301 actuando sobre paja de trigo a 45 ºC durante 7 días de incubación. La caracterización reológica de los oleogeles obtenidos a partir de paja de trigo fermentada en las condiciones óptimas seleccionadas, presentaron valores más bajos de las funciones viscoelásticas, en comparación con los oleogeles obtenidos a partir de paja de trigo sin inocular. Sin embargo, se demostró que la acción polimerizante de la lacasa SilA sobre ligninas residuales permitió la obtención de oleogeles con características reológicas comparables e incluso superiores, en algunos casos, a la de los lubricantes comerciales. Por otro lado, se obtuvieron hidrogeles con distintas proporciones de quitosano y ligninas funcionalizadas con SilA, que presentaron características fisicoquímicas versátiles para su uso en diferentes sectores industriales. Cabe señalar que la compatibilidad de ambos polímeros se consiguió merced a la acción oxidativa de la enzima sobre las ligninas, siendo aquellos formulados con 70% de quitosano y 30% de lignina, los que presentaron mayor capacidad de retención de agua y mejor matriz estructural. Además, estos hidrogeles mostraron una alta eficacia de adsorción de colorantes textiles, así como una significativa capacidad antibacteriana frente a Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Por último, en este trabajo se demostró que los oleogeles e hidrogeles obtenidos a base de lignocelulosa y ligninas residuales funcionalizadas presentan características adecuadas en términos de biodegradabilidad y eco-seguridad, lo que supone una estrategia innovadora dentro de las tecnologías respetuosas con el medio ambiente, cumpliendo además con los requisitos de la economía circular.

• English

  The depletion of petrol resources and the great awareness of society about the preservation of the environment, have promoted the development of sustainable methodologies to transform renewable sources into products with high added value. Residual lignocellulosic biomass result of agricultural practices and the residual lignin from the pulp and paper industry generate serious environmental problems generate environmental problems by accumulation in the field or by discharge into surface streams. Thus, in recent years, these wastes have been used in countless research works exploring its great biotechnological potential to to develop products of great industrial interest.

  In this work, the optimization of the parameters that affect a Solid State Fermentation (SSF) process of two agricultural residues (wheat straw and barley straw) by selected strains of Streptomyces has been carried out applying the statistical method Ortogonal Partial Least Squares Discriminant Analysis (OPLS-DA). Fermented substrates were later used as thickeners in the production of environmentally friendly oleogels. Likewise, the potential use as thickener in of residual lignins (Kraft and alkali lignin) functionalized with the laccase SilA were also evaluated. Thus, the optimal enzyme reaction conditions were determined by the Response Surface Methodology (MSR) in order to achieve the highest polymerization degree of the lignins. On the other hand, the production and characterization of hydrogels made with residual lignins functionalized with SilA was carried out and their potential utility as antibacterial agents and adsorbents of textile pollutants was evaluated. Finally, the biodegradability and ecotoxicity of the products obtained were analyzed.

  Most remarkable results showed that both agricultural residues were successfully transformed by Streptomyces strains during the SSF process. The efficiency of this process, determined as a function of the enzymatic activity and as the solubilization of lignin, was mainly attributed to the xylanase activity produced by both strains. The analysis of all results through the OPLS-DA method allowed to select the strain S. MDG 301 growing on wheat straw at 45 ºC during 7 days of incubation for further applications. The rheological characterization of the oleogels obtained from this fermented wheat straw under the selected optimal conditions, showed lower values of the viscoelastic functions compared to oleogels formulated using uninoculated wheat straw. However, it was noticeable the polymerizing action of laccase SilA on residual lignins, which allowed us to obtaining oleogels with rheological characteristics comparable and even superior, to that used in commercial lubricants. Furthermore, the polymerizing action of SilA on residual lignins was demonstrated when these functionalized lignin were used to formulate hydrogels together with different proportions of chitosan. The films obtained from these hydrogels presented versatile physicochemical characteristics for use in different industrial sectors. It is remarkable that the compatibility of both polymers (lignin and chitosan) was achieved thanks to the oxidative action of the SilA on the phenolic moiety of lignins and those films formulated with 70% chitosan and 30% lignin, presented a great water retention capacity and a good structural matrix. Moreover, these films showed a high adsorption efficiency of textile dyes, as well as a significant antibacterial capacity against Escherichia coli and Staphylococcus aureus. Finally, the adequate characteristics in terms of biodegradability and eco-safety of oleogels and hydrogels designed in this work could assume an innovative strategy within environmentally friendly technologies and also complies with the requirements of the circular economy.