Avances en el Desarrollo de Biomateriales Funcionales: Papel de Pulpa Algal y Fibra Secundaria

Avances en el Desarrollo de Biomateriales Funcionales: Papel de Pulpa Algal y Fibra Secundaria

El proyecto “Desarrollo de papeles bioactivos en base a mezclas de pulpa de algas y fibras secundarias” (D11I-1226) financiado por CONICYT a través de su programa FONDEF, ejecutado por el GIBMAR del Centro de Biotecnología (CB-UdeC) en colaboración con el Laboratorio de Productos Forestales (Depto. de Ingeniería Química, UdeC), junto a las empresas asociadas Indugras S.A., Innocon S.A. y Terra Natur S.A. de la Región del Biobío, han logrado avances significativos en la elaboración de papeles empleando algas como materia prima estructural y funcional, marcando un nuevo hito en el desarrollo de biomateriales de origen marino a nivel nacional.

El objetivo general del proyecto es desarrollar papeles bioactivos a partir de mezcla de algas y pulpa secundaria para mejorar los estándares de durabilidad y calidad en la industria frutícola. Lo anterior está fundamentado en las continuas pérdidas que la industria exportadora sufre cada temporada, debido al ataque de microoganismos oportunistas que producen pudrición en los envíos, generando mermas del orden del 5% del total de fruta exportada. Los objetivos específicos son: a) Evaluar y seleccionar algas con propiedades bioactivas, b) Producir algas seleccionadas a escala piloto, c) Determinar mezclas óptimas de pulpa de algas y fibra secundaria para potenciar las propiedades bioactivas del papel, d) Elaborar productos de embalaje a partir de la mezcla óptima de pulpas, e) Evaluar propiedades bioactivas de los productos desarrollados, f) Analizar técnica y económicamente la producción de papel con propiedades bioactivas de algas y, g) Proponer un modelo de trasferencia y de negocio para un proceso de obtención de papel con propiedades bioactivas. Los principales resultados son: a) Formulaciones algales con propiedades bioactivas, b) Mezclas óptimas de pulpa de fibra secundaria con algas y, c) Papeles con propiedades bioactivas de algas.

Propiedades bioactivas de las macroalgas

Las macroalgas están expuestas a una combinación de factores ambientales tales como luz, concentración de oxígeno, presión por organismos herbívoros y microorganismos, lo cual estimula la generación de compuestos polifenólicos e isoprenoides como agentes antioxidantes y antimicrobianos, entre otros (Carvalho & Roque, 2000; Zubia et al, 2009; Vinayak et al, 2011).

En aspectos funcionales el proyecto ha aportado con información relevante sobre la Capacidad Antioxidante (CA) de las algas, conferida principalmente por florotaninos, compuestos polifenólicos que juegan un rol primario como agentes estructurales de las paredes celulares, los que adicionalmente son potentes antioxidantes naturales. La determinación de la CA fue realizada en algas como, Ulva lactuca, Lessonia spicata, Durvillaea antarctica, Macrocystis pyrifera, Gracilaria chilensis, detectando la CA en todas ellas, no obstante, en las algas pardas se detectó las mayores concentraciones de polifenoles y por lo tanto altas capacidades antioxidantes (San-Martín et al, 2014; Agurto et al, 2014). En relación a la capacidad antibacteriana de las algas, fue realizada una bioautografía, contra diferentes cepas Gram negativas; Escherichia coli K12, Pseudomonas aeruginosa PA01, Pseudomonas syringae DC3000 y la Gram positiva Streptococcus pyogenes HU08, logrando identificar moléculas con demostrada actividad antibacteriana, antifúngica en incluso antivirales, a través de un cromatógrafo de gases acoplado a un detector selectivo de masas (GC-MS). Las moléculas 6-metil 2-fenilquinolina, neofitadieno y Fitol 3,7,11,15-tetrametil-2-hexadeceno-1-ol, fueron halladas en los extractos de M. pyrifera y especies del género Ulva, junto con la identificación de numerosas cadenas alifáticas insaturadas de 16 a 43 carbonos a las que han sido atribuidas capacidad antibacteriana (Troncoso et al, 2015).

Evaluación del efecto que produce la aplicación de fibras macroalgales sobre las propiedades físico-mecánicas del papel de pulpa secundaria

El papel es un producto versátil, que permite ser reciclado hasta siete veces (TAPPI, 2001), sin embargo, cada vez que es reciclado requiere de la incorporación de pulpa virgen para mantener sus propiedades mecánicas. En este sentido, algunas macroalgas como Rhizoclonium sp. y Gracilaria verrucosa (Hudson) Papenfuss, poseen fibras largas que varían entre 0,5 a 3 mm, favoreciendo algunas de las propiedades de resistencia del papel, permitiendo la mezcla y manteniendo sus propiedades (Su, Chen, & Chao, 1999; Laksitoresmi et al, 2010). A nivel nacional han sido obtenidas fibras algales desde Ulva lactuca Linnaeus, Macrocystis pyrifera (Linnaeus) C.Agardh y Gracilaria chilensis C.J.Bird, McLachlan & E.C.Oliveira (Tabla 1) con valores de longitud similares a los observados en especies de árboles tales como Populus simonii (Álamo), Quercus alba (Roble americano) y Eucalyptus globulus (Eucalipto), permitiendo por lo tanto, su uso como materia prima en la producción de papel (Vera, 2015).

Especies de macroalgas verdes, rojas y pardas fueron recolectadas desde praderas naturales ubicadas en la Provincia de Concepción, Región del Biobío-Chile, para su clasificación, procesamiento y cultivo, inicialmente en el laboratorio y posteriormente en el mar (Fig. 1). La elaboración de los papeles fue realizada bajo norma TAPPI T 205 om-88 (Technical Association of Pulp and Paper Industry), a partir de una pasta de fibra secundaria, del tipo kraft, en combinación con diferentes especies de algas, en proporciones con un rango variable de alga en la mezcla con fibra secundaria (Fig. 2). La evaluación de las propiedades físico-mecánicas fue realizada bajo la norma TAPPI T 220 la que contempla la determinación del gramaje, volumen específico, índice de rasgado, índice de explosión e índice de tensión, las que son utilizadas para caracterizar los productos que, dependiendo del uso, requieren diferentes valores indicadores. Los datos obtenidos fueron analizados mediante un ANOVA de dos vías, aplicando test posteriores para establecer diferencias y determinar el efecto, empleando el software STATISTICA 7 (StatSoft).

Los resultados obtenidos muestran que las propiedades de gramaje, volumen específico e índice de rasgado de las mezclas no poseen diferencias en relación al tipo de alga y proporción en la mezcla con fibras secundarias, por cuanto no presenta diferencias estadísticas (ANOVA, p>0,05). En cambio, es altamente significativo la diferencias de las propiedades mecánicas de explosión y tensión (ANOVA, p<0,001), expresadas como índices, en función del tipo de alga y su proporción de mezcla (Tabla 2). A su vez se observó un comportamiento inversamente proporcional, donde las propiedades mecánicas índice de explosión e índice de tensión, disminuyen al aumentar la biomasa algal en la mezcla con fibras secundarias.

Finalizado los análisis se establece que las mezclas al 10% de las macroalgas verdes, rojas y pardas seleccionadas son adecuadas para el desarrollo de papeles, ya que, en promedio los valores alcanzados para tensión (índice de 44,4±4,1) y explosión (índice de 2,6±0,1) son similares al de algunos productos de papel disponibles en el mercado, como por ejemplo el papel sulfito, empleado para proteger a la fruta de exportación, el cual posee valores de 45,0 y 3,0 como índices de tensión y explosión, respectivamente.

Determinación de la capacidad antioxidante de papeles desarrollados a partir de fibras de macroalgas y pulpa secundarias

Los papeles desarrollados fueron sometidos a la evaluación de la capacidad antioxidante a través del método de decoloración del radical catión ABTS•+. La determinación fue realizada directamente sobre los papeles desarrollados. Los resultados mostraron que, a diferencia de lo ocurrido en las propiedades físico-mecánicas del papel la capacidad antioxidante es directamente proporcional al incremento de alga en la mezcla. Como fue esperado, los papeles desarrollados a partir de algas pardas presentaron la mayor capacidad antioxidante con un promedio de 1,18 ± 0,2 μM equivalente a TROLOX (TE) que en comparación a las demás algas presentó diferencias altamente significativas (ANOVA, p<0,001). Por otra parte el papel a partir de fibra secundaria al 100% también presentó actividad antioxidante con un valor de 0,35 ± 0,0 μM TE, el cual fue significativamente menor que aquellos papeles en combinación con algas (ANOVA, valor p<0,001). Esto puede ser explicado, ya que, la fibras secundarias están conformada por pulpa kraft, (sin proceso de blanqueo) que puede contener lignina y otros compuestos fenólicos propios de la madera (Faustino et al, 2010), capaces de reaccionar con el radical ABTS•+. Por lo tanto, se destaca que los papeles de fibra secundaria en mezcla con algas presentan bioactividad del tipo antioxidante entre 0,44 y 1,46 μM TE con un valor promedio de 0,87 ± 0,31 μM TE.

Referencias

Agurto, C., Troncoso, N., Olivares, A., Saavedra, R., & San-Martín, S. (2014). Variabilidad intraindividuo de polifenoles y capacidad antioxidante en Macrocystis pyrifera. IX Congreso Nacional de Micro y Macro Algas. Viña del Mar-Chile.

Carvalho, L., & Roque, N. (2000). Fenóis halogenados e/ou sultafados de macroalgas marinhas. Química Nova, 23(6), 757-763.

Faustino, H., Gil, N., Baptista, C., & Duarte, A. P. (2010). Antioxidan activity of lignin phenolic compunds extracted from kraft and sulphite black liquors. Molecules(15), 9308-9322.

Laksitoresmi, D. R., Kosasih, Y., Miyasyiwi, S., & Darmansah, I. (2010). Prospects red algae (Gracilaria verrucosa) as the raw material of paper as innovative solution to face global warming. IEEE International Conference on Advanced Management Science, Chengdu-China, 3.

San-Martín, S., Castillo, L., Olivares, A., Saavedra, R., Troncoso, N., & Agurto, C.
(2014). Capacidad antioxidante en macroalgas presentes en la Región del Biobío. IX Congreso Nacional de Micro y Macro Algas, Viña del Mar-Chile.

Su, Y. C., Chen, S. C., & Chao, K. P. (1999). Chemical composition and potential for utilization of the marine alga Rhizoclonium sp. Journal of Applied Phycology(11), 525-533.

TAPPI. (2001). Frequently Asked Questions. Recuperado el Junio de 2015, de http://www.tappi.org/paperu/all _ about _ paper/faq.htm

Troncoso, N., Olivares, A., Farías, J., San Martín, S., Urrutia, H., & Agurto, C. (2015). Identification of antibacterial compounds obtained from seaweeds persent in the Biobío Región, Chile. Revista de Biología Marina y Oceanografía, 50(S1), 199-204.

Vera, S. A. (2015). Determinación de un método para obtener material fibroso de macroalgas de la Región del Biobío para su aplicación en biomateriales. Tesis de pregrado, Universidad de Concepción sede Los Ángeles-Chile.

Vinayak, R. C., Sudha, S. A., & Chatterji, A. (2011). Bio-screening of a few green seaweeds from India for their cytotoxic and anrtioxidant potential. JOurnal of the Science of Food and Agriculture(91), 2471-2476.

Zubia, M., Fabre, S., Kerjean, M., Le-LAnn, V., Stiger-Pouvreau, K., Fauchon, V. M., & Deslandes, E. (2009). Antioxidant and antitumoral activities of some Phaeophyta from Brittany coasts. Food Chemistry(116), 693-701.