UCCuyo: investigan al escobajo de uva como sustrato para generar biosustancia con múltiples aplicaciones en la industria

 

Investigadores de la Universidad Católica de Cuyo vienen trabajando una línea de investigación basada en un “modelo cinético del crecimiento de la biomasa fúngica y de la producción de ácido láctico en la fermentación con Rhizopus oryzae, utilizando escobajo de uva como sustrato sólido novedoso”. Un adelanto de este trabajo que fuera publicado recientemente por la revista Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, ofrecemos a continuación.

“La viticultura es una actividad que se desarrolla a nivel mundial en grandes volúmenes, siendo  Argentina el quinto productor mundial de vino, y San Juan es una de las principales provincias elaboradoras. En el proceso productivo del vino se generan diferentes tipos de residuos, en la etapa de despalillado se separa el escobajo de uva del mosto, representando el 5% de los residuos del vino (Ruiz-moreno et al. 2015). El escobajo de uva se acumula durante los días de elaboración generando atracción de roedores, insectos, malos olores y peligro de incendio debido a su generación de calor dentro del material acumulado, lo que supone un problema medio ambiental.  En la actualidad, el destino del escobajo de uva es la molienda y dispersión sobre el terreno del viñedo, la incineración o (una pequeña parte) la producción de alimentos para animales, actividades que no añaden valor al escobajo de uva.

Una alternativa para revalorizar este residuo, es dejar de considerarlo un residuo sin valor y pasar a considerarlo un subproducto a partir del cual se generen compuestos de gran valor añadido (antioxidantes, colorantes, fibras dietéticas, ácidos orgánicos, entre otros), ya sea por aplicar procesos de extracción o fermentativos. Es decir, pasar de una economía lineal, a una economía circular, o lo que es lo mismo, a una Bioeconomía, un enfoque que plantea dejar de lado el uso de sustancias derivadas del petróleo como precursores en la síntesis química, y aprovechar y revalorizar la biomasa agrícola para realizar una síntesis biotecnológica (fermentativa).

 

El escobajo como sustrato para el desarrollo de hongos fermentativos

La propuesta del presente trabajo es utilizar el escobajo de uva como un medio de cultivo de hongos, en donde a partir de su metabolismo celular fermentativo, se produzca una biosustancia que se pueda utilizar en la industria. Es decir, utilizar a los hongos como biofábricas capaces de sintetizar un bioproducto que luego pueda utilizarse en la industria farmacéutica, química y de alimentos. En nuestro caso nos centramos en la producción de ácido láctico, una sustancia con una demanda mundial en 2016 de 1,220 kilo-toneladas, con una estimación de crecimiento a 1,960 kilo-toneladas en el año 2025 (López-Gómez, Manan, and Webb 2020). Otro punto a destacar es que en Argentina no se cuenta con una fabricación de ácido láctico, teniéndose que importar en un 100% para cubrir la demanda local, que en el 2013 fue de 2,442 toneladas de ácido láctico. El ácido láctico también ha recibido atención por su uso como monómero en la producción de ácido poliláctico, un polímero completamente biodegradable con aplicaciones en la medicina en hilos de sutura, y en la industria de envases, entre otros.

Actualmente el ácido láctico se produce por vía química o biotecnológica, siendo esta última la que ha cobrado gran interés en los últimos años.

 

 

Avances en la investigación

Para poder avanzar en este tipo de bioproducciones a escala industrial, si o si se deben realizar estudios a escala de laboratorio. Es por ello que el escobajo de uva fue caracterizado químicamente y, de acuerdo con los resultados, se consideró como un material innovador con gran potencial para ser utilizado como sustrato de fermentación. Respecto al estudio del metabolismo fermentativo del hongo, se utilizó el hongo R. oryzae NCIM 1299 para la obtención de ácido láctico sobre escobajo de uva. El tipo de crecimiento hifal de los hongos sobre el sustrato sólido representa una ventaja, ya que posibilita la penetración microbiana en los intersticios de la estructura sólida, pudiendo aprovechar íntegramente el medio de fermentación. Pero esta ventaja se convierte en un problema a la hora de realizar ensayos cinéticos de la generación de biomasa fúngica, ya que se necesita la medición del peso seco del hongo frente al tiempo, que está fuertemente adherido al escobajo de uva. Para superar este problema, utilizamos un método de cultivo sobre membrana como sistema de fermentación en estado sólido (FES), que hace factible la cuantificación gravimétrica de la biomasa fúngica. Se utilizaron comparativamente dos medios de cultivo, agar papa dextrosa (APD) y un medio diseñado con agar y escobajo de uva (Agar+EU) durante 5 días a 30°C y 50%RH.

 

Producción a escala industrial

Una vez superada la etapa de estudio de producción de ácido en el laboratorio, se debe escalar la producción a biorreactores de banco para luego pasar a escala industrial. Para alcanzar ese objetivo, se deben desarrollar modelos matemáticos que representen adecuadamente el comportamiento del bioproceso y sus parámetros. Para modelar el crecimiento de la biomasa se utilizó: el Modelo Logístico, el Modelo de Primer Orden (FO por sus siglas en inglés) y el Modelo de Primer Orden más Retardo (FOPDT por sus siglas en inglés), siendo estos dos últimos modelos los que no se han utilizado previamente para estudios de cinética microbiana y que son ampliamente utilizados por los ingenieros de proceso en las plantas de producción industrial debido a su simplicidad matemática. Los parámetros cinéticos de crecimiento (Xmáx, µmáx, Tp y T0) se encontraron para todos los modelos y el modelo FO mostró el mejor ajuste con un R2 igual a 91.84%. También hemos determinado la relación entre el contenido de glucosamina (compuesto resultante de la hidrólisis ácida de la quitina, presente en la pared celular del hongo, por lo tanto es un ensayo indirecto de biomasa microbiana) y la biomasa seca fúngica. El conocimiento de esta relación sería muy útil para estimar el contenido de biomasa seca en experimentos a escala de banco, donde la determinación de la glucosamina sería la forma viable de realizar. El modelo de Luedeking y Piret se utilizó para modelar la producción de ácido láctico, con un R2 igual al 90.05%, y además se obtuvieron los parámetros Yp/x y mp. Los parámetros cinéticos encontrados aquí son también de gran interés para futuros diseños de biorreactores. Estos modelos se utilizarán como parte del modelo matemático de un biorreactor para FES escala de banco en nuestro laboratorio”.

La interpretación de este trabajo fue realizada por la Lic. en Tecnología de los Alimentos M. Carla Groff quien se desempeña como Becaria Doctoral del CONICET y docente de la Facultad de Ciencias Químicas y Tecnológicas. El resto del equipo de investigadores son el Dr. Gustavo Scaglia, Microb. Marta Gaido, Dr. Diego Kassuha, Dr. Oscar A. Ortiz y Dra. Sandra E. Noriega.

Para quienes quieran acceder al trabajo publicado en la RevistaBiocatalysis and Agricultural Biotechnology, les brindamos el enlace: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1878818121003510

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Universidad Católica de Cuyo

Comunicado de Prensa

UCCuyo: investigan al escobajo de uva como sustrato para generar biosustancia con múltiples aplicaciones en la industria

Investigadores de la Universidad Católica de Cuyo vienen trabajando una línea de investigación basada en un “modelo cinético del crecimiento de la biomasa fúngica y de la producción de ácido láctico en la fermentación con Rhizopus oryzae, utilizando escobajo de uva como sustrato sólido novedoso”. Un adelanto de este trabajo que fuera publicado recientemente por la revista Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, ofrecemos a continuación.

“La viticultura es una actividad que se desarrolla a nivel mundial en grandes volúmenes, siendo  Argentina el quinto productor mundial de vino, y San Juan es una de las principales provincias elaboradoras. En el proceso productivo del vino se generan diferentes tipos de residuos, en la etapa de despalillado se separa el escobajo de uva del mosto, representando el 5% de los residuos del vino (Ruiz-moreno et al. 2015). El escobajo de uva se acumula durante los días de elaboración generando atracción de roedores, insectos, malos olores y peligro de incendio debido a su generación de calor dentro del material acumulado, lo que supone un problema medio ambiental.  En la actualidad, el destino del escobajo de uva es la molienda y dispersión sobre el terreno del viñedo, la incineración o (una pequeña parte) la producción de alimentos para animales, actividades que no añaden valor al escobajo de uva.

Una alternativa para revalorizar este residuo, es dejar de considerarlo un residuo sin valor y pasar a considerarlo un subproducto a partir del cual se generen compuestos de gran valor añadido (antioxidantes, colorantes, fibras dietéticas, ácidos orgánicos, entre otros), ya sea por aplicar procesos de extracción o fermentativos. Es decir, pasar de una economía lineal, a una economía circular, o lo que es lo mismo, a una Bioeconomía, un enfoque que plantea dejar de lado el uso de sustancias derivadas del petróleo como precursores en la síntesis química, y aprovechar y revalorizar la biomasa agrícola para realizar una síntesis biotecnológica (fermentativa).

El escobajo como sustrato para el desarrollo de hongos fermentativos

La propuesta del presente trabajo es utilizar el escobajo de uva como un medio de cultivo de hongos, en donde a partir de su metabolismo celular fermentativo, se produzca una biosustancia que se pueda utilizar en la industria. Es decir, utilizar a los hongos como biofábricas capaces de sintetizar un bioproducto que luego pueda utilizarse en la industria farmacéutica, química y de alimentos. En nuestro caso nos centramos en la producción de ácido láctico, una sustancia con una demanda mundial en 2016 de 1,220 kilo-toneladas, con una estimación de crecimiento a 1,960 kilo-toneladas en el año 2025 (López-Gómez, Manan, and Webb 2020). Otro punto a destacar es que en Argentina no se cuenta con una fabricación de ácido láctico, teniéndose que importar en un 100% para cubrir la demanda local, que en el 2013 fue de 2,442 toneladas de ácido láctico. El ácido láctico también ha recibido atención por su uso como monómero en la producción de ácido poliláctico, un polímero completamente biodegradable con aplicaciones en la medicina en hilos de sutura, y en la industria de envases, entre otros.

Actualmente el ácido láctico se produce por vía química o biotecnológica, siendo esta última la que ha cobrado gran interés en los últimos años.

Avances en la investigación

Para poder avanzar en este tipo de bioproducciones a escala industrial, si o si se deben realizar estudios a escala de laboratorio. Es por ello que el escobajo de uva fue caracterizado químicamente y, de acuerdo con los resultados, se consideró como un material innovador con gran potencial para ser utilizado como sustrato de fermentación. Respecto al estudio del metabolismo fermentativo del hongo, se utilizó el hongo R. oryzae NCIM 1299 para la obtención de ácido láctico sobre escobajo de uva. El tipo de crecimiento hifal de los hongos sobre el sustrato sólido representa una ventaja, ya que posibilita la penetración microbiana en los intersticios de la estructura sólida, pudiendo aprovechar íntegramente el medio de fermentación. Pero esta ventaja se convierte en un problema a la hora de realizar ensayos cinéticos de la generación de biomasa fúngica, ya que se necesita la medición del peso seco del hongo frente al tiempo, que está fuertemente adherido al escobajo de uva. Para superar este problema, utilizamos un método de cultivo sobre membrana como sistema de fermentación en estado sólido (FES), que hace factible la cuantificación gravimétrica de la biomasa fúngica. Se utilizaron comparativamente dos medios de cultivo, agar papa dextrosa (APD) y un medio diseñado con agar y escobajo de uva (Agar+EU) durante 5 días a 30°C y 50%RH.

Producción a escala industrial

Una vez superada la etapa de estudio de producción de ácido en el laboratorio, se debe escalar la producción a biorreactores de banco para luego pasar a escala industrial. Para alcanzar ese objetivo, se deben desarrollar modelos matemáticos que representen adecuadamente el comportamiento del bioproceso y sus parámetros. Para modelar el crecimiento de la biomasa se utilizó: el Modelo Logístico, el Modelo de Primer Orden (FO por sus siglas en inglés) y el Modelo de Primer Orden más Retardo (FOPDT por sus siglas en inglés), siendo estos dos últimos modelos los que no se han utilizado previamente para estudios de cinética microbiana y que son ampliamente utilizados por los ingenieros de proceso en las plantas de producción industrial debido a su simplicidad matemática. Los parámetros cinéticos de crecimiento (Xmáx, µmáx, Tp y T0) se encontraron para todos los modelos y el modelo FO mostró el mejor ajuste con un R2 igual a 91.84%. También hemos determinado la relación entre el contenido de glucosamina (compuesto resultante de la hidrólisis ácida de la quitina, presente en la pared celular del hongo, por lo tanto es un ensayo indirecto de biomasa microbiana) y la biomasa seca fúngica. El conocimiento de esta relación sería muy útil para estimar el contenido de biomasa seca en experimentos a escala de banco, donde la determinación de la glucosamina sería la forma viable de realizar. El modelo de Luedeking y Piret se utilizó para modelar la producción de ácido láctico, con un R2 igual al 90.05%, y además se obtuvieron los parámetros Yp/x y mp. Los parámetros cinéticos encontrados aquí son también de gran interés para futuros diseños de biorreactores. Estos modelos se utilizarán como parte del modelo matemático de un biorreactor para FES escala de banco en nuestro laboratorio”.

La interpretación de este trabajo fue realizada por la Lic. en Tecnología de los Alimentos M. Carla Groff quien se desempeña como Becaria Doctoral del CONICET y docente de la Facultad de Ciencias Químicas y Tecnológicas. El resto del equipo de investigadores son el Dr. Gustavo Scaglia, Microb. Marta Gaido, Dr. Diego Kassuha, Dr. Oscar A. Ortiz y Dra. Sandra E. Noriega.

Para quienes quieran acceder al trabajo publicado en la RevistaBiocatalysis and Agricultural Biotechnology, les brindamos el enlace: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1878818121003510