Aprovechamiento novedoso de residuos agrícolas (lignina de paja) como fuente de productos de interés biotecnológico
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La lignina de los residuos agrícolas como la paja de trigo es fuente potencial de productos de interés biotecnológico y valor industrial como los aromáticos usados en la industria farmacéutica, pero que pueden ser sintetizados mediante el uso de hongos como las basidiomicetos y los ascomicetos.
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Aprovechamiento novedoso de residuos agrícolas (lignina de paja) como fuente de productos de interés biotecnológico
- 1. Aprovechamiento novedoso de residuos agrícolas (lignina de paja) como fuente de productos de interés biotecnológico M.C. Eduardo Baltierra Trejo Dra. Liliana M árquez Benavides Dr. Juan M anuel Sánchez Yáñez Directora Codirector Cochabamba, Bolivia, Noviembre 2013 I I A F IIQB
- 2. Kim & Dale, 2004 (Estimación de 1997-2001) Residuo agrícola Producción (millones de Ton/año) Rastrojo de maíz 203.62 Paja de cebada 58.45 Paja de soya 10.62 Paja de arroz 731.34 Paja de trigo 354.35 Paja de sorgo 10.32 Bagazo de caña 180.73 Subtotal 1549.42 Residuos agrícolas
- 3. Talebnia et al., 2010 Despolimerización de la lignina Lignina de trigo Físico-químicos Ácido (H2SO4) Alcalino (NaOH) Agentes oxidantes (H2O2, O3) Hidrotérmicos Biológicos Basidiomicetos Ascomicetos (a) (b)(a) (b)
- 4. Estructura de la pared celular vegetal Estructura química de la lignina Lignina residual de paja de trigo Celulosa Hemicelulosa Lignina
- 5. Metabolismo de despolimeri zación de lignina en ascomicetos Enzimas ligninolíticas Fenol oxidasas Lacasa Hemeperoxidasas Lignina peroxidasa Manganeso peroxidasa S G H
- 6. 0 20 40 60 80 100 120 Rastrojo linaza Rastrojo maíz Paja de trigo Paja de arroz S G H Monómeros de lignina en pajas
- 7. Energía • Bioetanol • Biogás • Hidrógeno Industriales • Aromáticos • Fitohormonas • Alimento • Drogas • Cosméticos Biorremediación • Aromáticos y poliaromáticos • Nitroaromáticos • Clorofenoles • Colorantes • Explosivos • Plaguicidas Aplicaciones biotecnológicas
- 8. Antecedentes Referencia Hongo Lignina Resultado Varnaitė & Raudonienė (2005) Galactomyces geotrichum* Myrothecium verrucaria* Centeno 53 60 Sinegani et al., (2005) Armillaria sp., Polyporus sp. Phanerochaete chrysosporium Aspergillus terreus* Trichoderma reesei* Trigo Cebada Chícharo Arroz 30 36 40 22 Zeng et al., (2006) Penicillium simplicissimum* Arroz 27 Chang et al., (2012) Phanerochaete chrysosporium Fusarium monoliforme* Arroz 28 35 Kluczek-Turpeinen et al., (2007) Paecilomyces inflatus* Trigo 20
- 9. Los ascomicetos realizan la despolimerización de la lignina residual de paja de trigo (LIRPT) en aromáticos de manera más eficiente a la de los basidiomicetos en un tiempo relativamente corto. Hipótesis
- 10. Objetivo general Realizar la despolimerización de lignina residual de paja de trigo (LIRPT) con ascomicetos para la obtención de aromáticos de interés biotecnológico. Objetivos particulares Seleccionar AA con mayor potencial para la despolimerización de la LIRPT. Determinar cualitativamente y cuantitativamente los aromáticos producto de la despolimerización de la LIRPT. Objetivos
- 11. Metodología Paja Tratamiento ácido térmico Lignina Despolimerizar Aromáticos Celulosa Hemicelulosa Lignina Celulosa Hemicelulosa Ascomicetes ácidos p- hidroxibenzoico, vanillínico, ferúlico y siríngico; vainillina y guayacol Lac LiP MnPActividad enzimática Identificación de productos
- 12. 1. Despolimerización de LIRPT por ascomicetos Resultados 0 5 10 15 20 25 30 35 40 AT3 AT4 AT11 AT12 Ctrl Despolimerización(%)
- 13. 2. Actividad enzimática lacasa en ascomicetos Resultados 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 Actividadenzimática(IU) Tiempo (semanas) Penicillium AT3 Penicillium AT4 Aspergillus AT11 Aspergillus AT12 Control
- 14. 2. Actividad enzimática lignina peroxidasa en ascomicetos Resultados 0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 Actividadenzimática(IU) Tiempo (semanas) Penicillium AT3 Penicillium AT4 Aspergillus AT11 Aspergillus AT12 Control
- 15. 2. Actividad enzimática manganeso peroxidasa en ascomicetos Resultados 0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 Actividadenzimática(IU) Tiempo (semanas) Penicillium AT3 Penicillium AT4 Aspergillus AT11 Aspergillus AT12 Control
- 16. Resultados 0 5 10 15 20 25 G V H AV S F Concentración(mg/mL) Penicillium AT3 Penicillium AT4 Aspergillus AT11 Aspergillus AT12 3. Producción de aromáticos por ascomicetes
- 17. Penicillium AT4 realizó la despolimerización eficiente de LRPT (34.8%), superior a reportes de basidiomicetes. Se indujo la actividad enzimática en un tiempo más corto que en basidiomicetes. La producción de aromáticos fue similar a la de basidiomicetes. Es necesaria la identificación de los monómeros aromáticos y ácidos grasos generados por cada ascomiceto, para la obtención de nuevos productos de interés biotecnológico (SPCV) o para su aprovechamiento como fuentes alternativas de energía (biogás). Conclusiones
- 18. D.C. EDUARDO BALTIERRA TREJO Artículos Científicos publicados del autor: Baltierra-Trejo, E., Sánchez-Yáñez, J. M., Buenrostro-Delgado, O., & Márquez-Benavides, L. (2015). Production of short-chain fatty acids from the biodegradation of wheat straw lignin by Aspergillus fumigatus. Bioresource Technology, 196, 418-425. Baltierra-Trejo, E., Márquez-Benavides, L., & Sánchez-Yáñez, J. M. (2015). Inconsistencies and ambiguities in calculating enzyme activity: The case of laccase. Journal of Microbiological Methods, 119, 126-131. Baltierra-Trejo, E., Márquez-Benavides, L., del Consuelo Hernández-Berriel, M., & Sánchez-Yáñez, J. M. (2016). Aromatic monomers generation by Aspergillus and Penicillium spp from residual wheat straw lignin | Generación de monómeros aromáticos por Aspergillus y Penicillum spp a partir de lignina residual de paja de trigo. Vitae, 22(3), 197-204. Baltierra-Trejo, E., Silva-Espino, E., Márquez-Benavides, L., & Sánchez-Yáñez, J. M. (2016). Inducción de la degradación de lignina de paja de trigo en aromáticos por Aspergillus spp. y Penicillium chrysogenum. Journal of the Selva Andina Research Society, 7(1), 10-19. ORCID: 0000-0002-9000-2987 ResearcherID: B-6105-2016
- 19. D.C. EDUARDO BALTIERRA TREJO Contacto: E-mail: baltierrachess@gmail.com Facebook: @BaltierraT Twitter: @Baltierra_Trejo Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Instituto de Investigaciones Agropecuarias y Forestales Laboratorio de Residuos Sólidos y Uso eficiente de Energía Av. San Juanito Itzicuaro s/n Col. San Juanito Itzicuaro, Morelia Michoacán, México C.P. 58341 Tel. Tel. +52 (443)334 04 75 Ext 116
- 20. Agradecimientos IIAF IIQB Dra. Liliana Márquez Benavidez lmarquez@umich.mx Dr. Juan Manuel Sánchez Yáñez syanez@umich.mx M.C. Eduardo Baltierra Trejo baltied@yahoo.com.mx
Notas del editor
- Se recalcarán los siguientes aspectos: Existe a nivel mundial una producción de paja de trigo subaprovechada: 354 millones de toneladas (Sánchez, 2008). Tiene un potencial energético, sin embargo la mayoría se quema “in situ”. En México la generación del residuo agrícola es de 4, 378, 000 toneladas (García, 2011), siendo focos de generación el Valle de Mexicali (548, 764 toneladas y el bajío). Esta biomasa es susceptible de convertirse en fuente de energía como bioetanol y biogás.
- La paja está constituida por remanentes estructurales de la pared celular vegetal: la celulosa (39%), la hemicelulosa (38.7%) y la lignina (17%) (Xu et al., 2006). La celulosa es un polímero homogéneo formado por cadenas lineales de glucosa unida por enlace β-1-4. La hemicelulosa es un polímero heterogéneo formado por pentosas (xilosa, arabinosa), hexosas (manosa, glucosa y galactosa) y azucares ácidos unidos por enlace β-1,4 y β-1,3. La lignina es un polímero heterogéneo constituido principalmente por 3 unidades de derivadas del el alcohol p-hidroxicinamilico: el coniferilico, el sinapilico y el p-coumarilico (precursores del guayacol, el siringol y el hidroxifenol) unidas por enlaces aril-eter (β–O–4), aril-aril y C-C (Dekker et al., 2002; Martínez et al., 2005). La complejidad de las redes de lignina y la estabilidad de los anillos aromáticos la hacen recalcitrante.
- El mecanismo de despolimerización inicia por la ruptura de uniones Cα-Cβ y β-O-4 aril con la formación de aromáticos, seguido por la oxidación de los grupos funcionales por demetilación con formación de grupos alcohol y oxidación de los grupos metil y oximetil en grupos carboxilo y finalmente la ruptura de anillos aromáticos con la producción de ácidos grasos (Ferraz & Duran, 1995). Se han caracterizado en ascomicetes 3 enzimas involucradas en la despolimerización de la lignina: la lacasa (Lac), la ligninina peroxidasa (LiP) y la manganeso peroxidasa (MnP) La Lac es una glicoproteína dependiente de cobre que cataliza la oxidación aromáticos y no aromáticos acoplando la reducción de O2 en 2 moléculas de H2O y generación de radicales libres. Las LiP es una glicoproteínas con un grupo prostético Fe, dependiente de H2O2, que cataliza la oxidación de aromáticos, ruptura de uniones C-C y C-O; su actividad no requiere la participación de intermediarios debido a su alto potencial redox. La MnP es una heme-glicoproteína dependiente de H2O2 y de la oxidación de Mn2+ a Mn3+, el cual se libera de la enzima al unirse al oxalato que actúa como un mediador de reacciones de óxido-reducción de monoaromáticos y en la generación de radicales libres (Dashtban et al., 2010).
- La lignina es un polímero heterogéneo constituido principalmente por 3 unidades de derivadas del el alcohol p-hidroxicinamilico: el coniferilico, el sinapilico y el p-coumarilico (precursores del guayacol, el siringol y el hidroxifenol) unidas por enlaces aril-eter (β–O–4), aril-aril y C-C (Dekker et al., 2002; Martínez et al., 2005). La complejidad de las redes de lignina y la estabilidad de los anillos aromáticos la hacen recalcitrante.
- La lignina al ser despolimerizada, libera monómeros aromáticos de interés que biotecnológico (Varnaité & Roudoniené, 2005), sustratos susceptibles de transformarse en combustibles como biogás (Sánchez, 2009); bioetanol (Dashtban et al., 2010) o hidrógeno (Quéméneur et al., 2012); alimento para rumiantes (Tuyen et al., 2012), así como metabolitos de valor industrial y farmaceútico como la vainillina, el guayacol, la tirosina, el ácido ferúlico, el gallico, el hidroxibenzoico, el siríngico, el vainillínico, entre otros (Buranov & Mazza, 2008; Widsten & Kandelbauer; 2008). La vainillina es el aromático de mayor valor comercial, es usado en saborizantes, fragancias y farmacéuticos, la de origen sintético tiene un costo de US$15/Kg mientras que la natural de US$4500/Kg
- G. geotrichum despolimerizó un 53%, mientras que M. verrucaria el 60% con respecto al control. Determinaron que la DP fue debido a la actividad la LiP y que la de la Lac fue insignificante. En trigo, cebada y chicharo no hubo diferencia significativa entre los tratamientos que fue respectivamente del 30, 36.9 y 40%, mientras que en arroz fue superior en basiodimicetes del 30.9% con respecto a los dos ascomicetes del 22%. que fue del 26.90%, en estado líquido a 30°C por 25 días. No encontraron actividad LiP ni MnP, pero sí Lac.
- El ascomicetos que realizó la mayor despolimerización de la LIRPT fue Penicillium AT4 con un 34.8%, similar a la de Aspergillus AT11 de 29.1% y significativamente superior a Penicillium AT3 y Aspergillus AT12, tras 28 días de cultivo (Tabla 1, Figura 1). La capacidad de despolimerización de LRPT es similar a la reportada con basidiomicetos como en Phlebia brevispora y Ceriporiopsis subvermispora de un 30.5 y 23.0% respectivamente en 30 días de cultivo (Arora & Sharma, 2009; Arora et al., 2011); en Phanerochaete chrysosporium del 30% en 21 días (Singh et al., 2011), también en P. chrysosporium del 25% en 7 días de cultivo pero en medio suplementado con sales inorgánicas (Zeng et al, 2011); mientras que los datos obtenidos fueron menores a los de P. y Trametes versicolor ambos del 46% en 21 días de cultivo (Salvachúa et al., 2011). Por lo anterior se requiere aumentar el conocimiento de las condiciones de cultivo óptimas para ascomicetos lo que permitirá eficientizar el proceso.
- En todas cepas se indujo la actividad Lac, la que se detectó desde la primera semana de incubación. Penicillium AT4 tuvo la mayor actividad con un valor de 111 U/L a los 7 días, lo cual es alto comparado con reportes de basidiomicetos que inducen la actividad Lac en la despolimerización de LIRPT como en P. fascicularia de 80 U/L a los 12 dias de cultivo (Arora et al., 2002), en la cepa Euc-1, que tuvo una máxima actividad Lac de 100 U/L a los 46 días (Dias et al., 2010), o similares a los de T., Phlebia rufa y Ganoderma applanatum de 110, 140, 350 U/L respectivamente a los 7 días (Dinis et al., 2009).
- En todas cepas se indujo la actividad Lac, la que se detectó desde la primera semana de incubación. Penicillium AT4 tuvo la mayor actividad con un valor de 111 U/L a los 7 días, lo cual es alto comparado con reportes de basidiomicetos que inducen la actividad Lac en la despolimerización de LIRPT como en P. fascicularia de 80 U/L a los 12 dias de cultivo (Arora et al., 2002), en la cepa Euc-1, que tuvo una máxima actividad Lac de 100 U/L a los 46 días (Dias et al., 2010), o similares a los de T., Phlebia rufa y Ganoderma applanatum de 110, 140, 350 U/L respectivamente a los 7 días (Dinis et al., 2009).
- En todas cepas se indujo la actividad Lac, la que se detectó desde la primera semana de incubación. Penicillium AT4 tuvo la mayor actividad con un valor de 111 U/L a los 7 días, lo cual es alto comparado con reportes de basidiomicetos que inducen la actividad Lac en la despolimerización de LIRPT como en P. fascicularia de 80 U/L a los 12 dias de cultivo (Arora et al., 2002), en la cepa Euc-1, que tuvo una máxima actividad Lac de 100 U/L a los 46 días (Dias et al., 2010), o similares a los de T., Phlebia rufa y Ganoderma applanatum de 110, 140, 350 U/L respectivamente a los 7 días (Dinis et al., 2009).
- Se identificaron 6 monómeros aromáticos producto de la despolimerización de la LIRPT, el guayacol fue generado en mayor cantidad por el ascomiceto Penicillium AT3 con 3.5 mg/mL de medio LIRPT en la semana 2, la vainillina por Penicillium AT3 con 2.6 mg/mL en la semana 4, el ácido hidroxibenzoico por Penicillium AT4 con 3.2 mg/mL en la semana 2, el ácido vainillínico por Aspergillus AT11 con 3.3 mg/mL en la semana 3 pero en el promedio de las 4 semanas fueron mejores Penicillium AT3 y AT4; el ácido siríngico por Aspergillus AT12 con 10.1 mg/mL en la semana 1, el ácido ferúlico por Penicillium AT3 con 21.9 mg/mL en la semana 3 (Figura 3, Tabla 3). El ascomiceto que produjo mayor cantidad de aromáticos fue Penicillium AT3 con mayor actividad entre la segunda y tercera semana de crecimiento, seguido por Penicillium AT4 el cuál fue el único hongo que produjo los 6 tipos de aromáticos de manera constante (Figura 4). Penicillium AT4 fue el ascomiceto con mayor actividad enzimática y mayor tasa de despolimerización de LIRPT, pero su producción de aromáticos fue menor a la de Penicillium AT3, debido posiblemente a que metaboliza los aromáticos con mayor eficiencia que los otros ascomicetos generando mayor biomasa celular. La producción de aromáticos por los ascomicetos Penicillium AT3 y AT4 fue superior a la reportada por el basidimiceto Lentinus crinitus realizó en la despolimerización de residuos de platano (Musa paradisiaca L.) generando ácido ferúlico, vainillina y ácido vainillínico en concentración de 0.6, 0.04 y 0.6 g/L en 16 días de cultivo (Granda et al., 2005).