Un solvente ‘verde’ y un pigmento natural en la producción de un bioplástico

Con usos similares a los de los plásticos convencionales derivados de petróleo, gas y carbón, que tardan centenas de años para descomponerse, los bioplásticos elaborados con base en caña de azúcar, maíz y papa están empezando a salir al mercado como alternativas sostenibles. 

Al cabo de más de ocho años de estudios, los investigadores demostraron que los solventes eutéticos denominados “verdes” son eficaces para extraer los carotenoides astaxantina y betacaroteno, ambos pigmentos antioxidantes, de la biomasa de la levadura Phaffia rhodozyma.  Estos pigmentos naturales son de gran interés comercial debido a su aplicación en diversas áreas industriales, tales como la alimenticia, la de cosméticos y la farmacéutica, entre otras. 

En la investigación, se arribó a su vez a la conclusión de que estos solventes pueden emplearse simultáneamente como agentes extractantes (para la extracción de compuestos) y como plastificantes, para la preparación de películas biodegradables a base de almidón bioactivo, sin necesidad de una purificación adicional.

“Demostramos en una prueba de concepto que es posible efectuar todo el proceso de producción de un pigmento natural en forma sostenible. Trabajamos con dos líneas: una de ellas de producción de pigmentos a base de levaduras y de extracción de esos compuestos naturales de alto valor económico empleando solventes eutéticos, que son una mezcla de componentes biocompatibles y biodegradables. La otra consistió en utilizar esos extractos para fabricar biomateriales como el bioplástico a base de almidón”, explica el profesor Jorge Fernando Brandão Pereira, del Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad de Coimbra en Portugal y uno de los autores corresponsales del artículo junto con Cassamo Ussemane Mussagy. 

Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de cuatro proyectos (20/08655-0, 19/15493-9, 18/06908-8 y 15/11759-3), y forma parte del posdoctorado de Ussemane Mussagy, realizado en la Universidad de São Paulo (USP) en colaboración con la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en Brasil, bajo la supervisión del profesor Adalberto Pessoa Junior. 

“Buscamos alternativas a los pigmentos sintéticos y a los procesos de extracción que utilizan solventes contaminantes. Trabajamos con métodos sostenibles para obtener los pigmentos naturales y, con base en solventes verdes, aplicarlos posteriormente en plásticos biodegradables”, le dice Ussemane Mussagy a Agência FAPESP.

Los pigmentos se emplean desde hace siglos para realzar o restaurar la apariencia original de distintos productos y asegurar su uniformidad. En los últimos años, con la creciente búsqueda de los consumidores por productos más sanos y de alto valor nutricional, además de las preocupaciones con los ecosistemas, el mercado ha apuntado a reemplazar los pigmentos sintéticos por compuestos naturales, que no contaminan y pueden tener actividad biológica, como la acción antioxidante (astaxantina) y antimicrobiana. 

Según los investigadores, los estudios científicos de producción y extracción de esos pigmentos naturales basados en microorganismos que vienen llevándose adelante generarían un aumento de la oferta en el mercado, y podría utilizárselos en diversificados productos, tales como los bioplásticos. Estos, también denominados de biopolímeros, representan menos del 1 % de las 367 millones de toneladas de plástico fabricadas anualmente en el mundo, de acuerdo con la organización European Bioplastics, representante de las industrias. 

Con la presión por disminuir la utilización de plásticos de origen fósil debido a la contaminación y al volumen de basura producido, el sector de biopolímeros prevé un crecimiento en los próximos años, impulsado por la demanda de alternativas sostenibles proveniente de las áreas de envases, de artículos electroelectrónicos e incluso la de textiles. Se estima que la producción aumentará de alrededor de 2,42 millones de toneladas en 2021 a 7,59 millones de toneladas en 2026.

El desarrollo de nuevos biopolímeros viene siendo el enfoque principal del grupo de investigación del profesor de la Unesp Rondinelli Herculano, quien colaboró en el estudio en el desarrollo del bioplástico a base de almidón.

En Brasil, el informe intitulado “Atlas del Plástico”, difundido en el año 2020 por la Fundación Heinrich Böll, una organización alemana sin fines de lucro, apuntó que se descartaron 11 millones de toneladas de plástico en 2018. Ese volumen representó un 13,5 % del total de residuos de ese año, lo que ubicó al país como el cuarto productor de basura plástica. Para la Organización de las Naciones Unidas (ONU), la contaminación plástica constituye una creciente amenaza en todos los ecosistemas, especialmente los acuáticos, pues compone el 85 % de los residuos que llegan a los océanos. 

“Los actuales procesos de producción industrial siguen siendo agresivos, aun cuando el producto sea biodegradable. Un ejemplo de ello es el del papel, el cual, pese a ser renovable y reciclable, posee mayoritariamente métodos de fabricación no sostenibles, es decir, con un alto consumo de energía, agua y compuestos químicos tóxicos. En esta investigación, demostramos que es posible obtener bioplásticos utilizando una plataforma integrada y más sostenible”, afirma Brandão Pereira. 

El proceso

Los científicos produjeron los carotenoides cultivando Phaffia rhodozyma en un biorreactor. Posteriormente, utilizaron líquidos iónicos y solventes eutéticos a base de colina, una de las vitaminas del complejo B producida por el organismo humano y existente en la naturaleza, conjugados con ácidos grasos (butanoicos) para extraer los pigmentos de la levadura. 

Tanto los líquidos iónicos como los eutéticos son apuntados como “solventes ideales” para la extracción de compuestos de matrices naturales, fundamentalmente debido a sus propiedades de solvatación, un fenómeno que sucede cuando un compuesto iónico se disuelve en una sustancia polar sin formar una nueva.

Para maximizar la recuperación de astaxantina (uno de los más importantes antioxidantes naturales producidos por levaduras o microalgas) y de betacaroteno, los investigadores probaron cinco concentraciones de biomasa-solvente (relación sólido-líquido), considerada como un parámetro crucial en procedimientos de rotura celular para recuperar moléculas intracelulares de biomasas microbianas. La concentración que aumentó en ambos fue de hasta 0,2 g mL⁻¹ de células húmedas de la levadura.

“Empleamos los biosolventes para poder extraer el pigmento de la biomasa de la levadura y aplicarlo. Detectamos que el solvente con mejor resultado, aparte de extraer el colorante de la biomasa del microorganismo, también actuó como agente plastificante del envase”, dice la profesora de la Unesp Valeria de Carvalho Santos Ebinuma, una de las supervisoras del trabajo.

El artículo del grupo apareció destacado entre los principales de Green Chemistry en el año 2021, los clasificados como hot articles. “Para realizar investigaciones de alto nivel, se requiere de inversión constante y a largo plazo. Por eso el apoyo de la FAPESP es importante. Después de años de estudios relacionados con el desarrollo de procesos sostenibles para la producción y la extracción de pigmentos de fuentes microbianas, nuestro trabajo ha sido reconocido por una publicación científica que se ubica entre el 5 % de las mejores en el área de sostenibilidad”, afirma Mussagy.   

Para el profesor Brandão Pereira, uno de los puntos importantes reside en la multidisciplinariedad del estudio. “Es un premio al esfuerzo continuo de Cassamo Ussemane Mussagy y muestra la importancia de la sinergia entre instituciones e investigadores.” 

Según Ussemane Mussagy, los próximos pasos se enfocan ahora en la aplicación de los resultados tendientes a demostrar que los envases con este tipo de plástico “verde” pueden utilizarse con diversas finalidades, lo que incluye a la industria alimenticia.