Desarrollo de metodologías para la obtención de productos a base de queratina a partir de residuos de la industria avícola: caracterización fisicoquímica y aplicaciones tecnológicas ambientales

Abstract

El aprovechamiento de los residuos industriales para la obtención de productos con alto valor agregado constituye un reto de gran interés. Argentina por sus niveles de producción de carne de aves es uno de los principales generadores de biomasa de plumas; los altos niveles de generación y las escasas estrategias para la correcta disposición de esta biomasa pueden afectar significativamente las condiciones ambientales y de la calidad de vida de las poblaciones cercanas. Las plumas son fuente de queratina un biopolímero proteico de alto valor, biodegradable y biocompatible, por lo tanto, podrían revalorizarse como materia prima para la obtención de diferentes productos a base de queratina con mayor valor agregado, tales como, películas, esponjas, hidrogeles, entre otros, con potencial aplicación en diversas industrias como la alimentaria, agrícola, biomédica, farmacéutica y cosmética. Teniendo en cuenta la disponibilidad y el valor de la biomasa surge el interés de proponer alternativas tecnológicas para la obtención de queratina y biomateriales a base de la proteína, mitigando los efectos negativos a nivel ambiental que pueden generar el sector productivo avícola. En el presente trabajo de tesis se presentan la aplicación de alternativas tecnológicas para el aprovechamiento de residuos de la industria avícola en la obtención de queratina y productos derivados con mayor valor agregado, mitigando los efectos negativos a nivel ambiental que pueden generar dichos residuos. Se propuso la utilización de reactivos menos contaminantes/tóxicos, con menores efectos nocivos para el manipulador y el medio ambiente a los convencionalmente empleados. Se buscó optimizar las condiciones (temperatura, tiempo de reacción, concentración de los reactivos, etc.) de los diferentes procesos de obtención en función de aumentar los rendimientos y minimizar los costos. Entre estos procesos ensayados se encuentran la reducción con sulfuro de sodio, la hidrólisis alcalina con hidróxido de sodio; incluyendo modificaciones químicas entre las que se encuentran la carboximetilación con ácido monocloroacético y la sulfitolisis oxidativa con Sulfito de sodio y peróxido de hidrógeno. Además, se utilizaron otros agentes químicos para impartir características funcionales a las proteínas extraídas como la urea, sulfito de sodio, dodecilsulfato sódico. Se destaca la importancia de las condiciones de proceso en las metodologías de solubilización de plumas de pollo, donde la temperatura y el tiempo demostraron ser factores clave para mejorar el rendimiento de solubilización y el contenido de proteína soluble. Se encontró que aplicar la temperatura de 60 ºC durante 1 h en los procesos de reducción con Na2S (Red 1) y NaOH (H1) resulta en un mayor rendimiento de solubilización y contenido de proteína soluble. Las metodologías Red 1 y H1 demostraron los mayores porcentajes de rendimiento de solubilización (%Plumasol > 83 %) y proteína soluble extraída. Para ambos casos, se observó una ruptura significativa de los enlaces disulfuro presentes en la queratina, alcanzando aproximadamente un 50%. Mediante la modificación química utilizando ácido monocloroacético (MCA), se logró la modificación de los grupos -SH libres. La concentración de MCA al 0,5 %m/v produjo una modificación más notoria en comparación con el MCA al 0,2 %. Las metodologías Red 1 y H1 se perfilan como opciones viables y económicas para reemplazar la metodología convencional con el uso de reductores menos amigables con el ambiente como el 2-Mercaptoetanol. El análisis térmico utilizando Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) reveló diferencias en las temperaturas y entalpías de desnaturalización de las fracciones que componen las plumas de pollo. Estas diferencias se atribuyeron al ordenamiento molecular y empaquetamiento de la estructura de queratina, que variaron según la biomasa de partida y la fracción analizada. Los derivados de queratina, tanto los modificados como los no modificados, mostraron una alta resistencia térmica, con transiciones térmicas en el rango de 150 a 250 °C. La caracterización de la estructura mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) confirmó la presencia de picos característicos asociados a diferentes fracciones de la molécula de queratina en los productos en polvo obtenidos mediante las metodologías de reducción e hidrólisis, con o sin etapa de modificación. Además, se identificaron los principales grupos funcionales (C-S y S-H) en los productos resultantes. Uno de los ejes centrales del trabajo fue la modificación de metodologías de solubilización de la biomasa en busca de procesos viables, económicos y escalables; para este fin se buscó sustituir la etapa de diálisis (difícil de implementar a nivel industrial) por fases de lavado/precipitado. Este cambio se aplicó a las metodologías de reducción con Na2S e hidrólisis con NaOH y permitieron la correcta obtención de los derivados de queratina. Se destaca que estos productos tendrían posibles aplicaciones ambientales, no siendo necesario una purificación exhaustiva de la proteína. En una segunda etapa, a partir de la queratina soluble se propusieron metodologías para el diseño de materiales eco-compatibles como esponjas de queratina, usando el secado por liofilización que permite la formación de matrices gracias a la capacidad autoensamblante 3D de la queratina. Las metodologías aplicadas fueron: sulfitolisis, diálisis y liofilización. Las condiciones de procesamiento se ajustaron para lograr materiales con una estructura óptima y un mejor rendimiento. Se aplicó autoensamblado 3D para formar matrices porosas utilizando etapas de diálisis y secado por liofilización. Se introdujo una metodología alternativa con mezclas de L-cisteína/urea como agente reductor en un proceso de solubilización a tiempos cortos y temperaturas bajas que no requería la etapa de diálisis, generando esponjas autoportantes, compactas, económicas y no tóxicas. Las esponjas de queratina resultantes presentaron baja solubilidad en agua a pH < 9 y alta estabilidad térmica. El análisis de sorción indicó que el agua era absorbida en multicapas, y el modelo de GAB ajustó satisfactoriamente los datos experimentales. El análisis estructural por FTIR-ATR confirmó la conservación de los principales grupos funcionales de la queratina y detectó cambios químicos generados por los tratamientos. Los biomateriales de queratina en formato de esponjas permiten aprovechar las propiedades del biopolímero proteico en aplicaciones tecnológicas ambientales como el control de derrames de sustancias de carácter oleoso como crudo en fuentes hídricas, contribuyendo a subsanar el impacto negativo por contaminación de diferentes sectores industriales. La cinética de sorción de crudo de las esponjas de L-cisteína/Urea utilizadas (con una geometría definida), mostró que el equilibrio se alcanzaba en 15 minutos, lo que definió el tiempo de contacto mínimo. En particular, las esponjas demostraron un alto rendimiento como absorbentes para la contención de derrames de crudo, con capacidad de absorción y retención efectivas. Esto tiene implicaciones en la revalorización de las plumas como biomasa y en la mitigación de daños socio-ambientales por derrames de crudo. En resumen, este trabajo de investigación es de suma importancia en el campo de la revalorización de residuos agroindustriales y la generación de nuevos biomateriales. La producción masiva de plumas de pollo en Argentina y su aprovechamiento para la obtención de esponjas de queratina de alto valor agregado resulta un logro significativo. La adopción de metodologías menos agresivas y más sostenibles para la solubilización de queratina ha demostrado ser viable y efectiva, reduciendo el impacto ambiental y los riesgos asociados a agentes químicos convencionales. Este estudio presenta una alternativa tecnológica en la producción de biomateriales a base de queratina, no solo abordando la problemática de residuos de la industria avícola, sino también generando materiales con múltiples aplicaciones posibles en diferentes industrias, desde la alimentaria y agrícola hasta la biomédica y cosmética. La producción de esponjas de queratina con características funcionales y su alto desempeño en la sorción y retención de sustancias oleosas, como el crudo, abre nuevas perspectivas para la mitigación de impactos ambientales causados por derrames industriales. Finalmente, este trabajo de tesis contribuye al desarrollo de soluciones ambientales y tecnológicas integrales, al mismo tiempo que proporciona un ejemplo de cómo la revalorización de residuos agroindustriales puede generar impactos positivos en diversos ámbitos, mejorando la sostenibilidad de la industria avícola, reduciendo la contaminación ambiental y ofreciendo nuevos productos con aplicaciones beneficiosas en múltiples sectores.