Desarrollo de materiales biodegradables a partir de biomasa integral de hongos filamentosos

Abstract

La búsqueda de alternativas sostenibles y biodegradables a los plásticos tradicionales se ha convertido en una prioridad a nivel científico y tecnológico. Frente a este escenario, los hongos filamentosos se perfilan como un recurso prometedor para el desarrollo de materiales biobasados, dado a su rápido crecimiento, capacidad de adaptación, y a la composición de su micelio. Esta tesis doctoral busca aportar al campo del desarrollo de materiales fúngicos mediante un abordaje integral que combina la obtención de películas de micelio (PM) y materiales de micelio puro (MMP), con la evaluación de su biodegradabilidad y potencial aprovechamiento de residuos agroindustriales. En una primera etapa se realizó un screening de diferentes cepas fúngicas, evaluando su crecimiento en cultivos sumergidos (agitados y estáticos) y cultivo en medio sólido, que permitió identificar y seleccionar las condiciones de cultivo y cepas más adecuadas para la producción de biomasa destinada a la formulación de dispersiones filmogénicas. Se seleccionaron las biomasas de Aspergillus niger (AN), Penicillium nalgiovense (PN) y Mucor hiemalis (MH) obtenidas bajo cultivo sumergido con agitación, esterilizadas y filtradas. Bajo estas condiciones, AN y PN crecieron como pellets mientras que MH creció como micelio disperso. Se cuantificaron los principales componentes filmogénicos de las biomasas. MH presentó mayores valores de proteínas y menos carbohidratos que AN y PN, que mostraron una composición similar entre sí. Se prepararon dispersiones de biomasa al 3 % p/p (b.s) y se evaluó la efectividad de tratamientos de ultrasonido (US) y homogeneización (UT) para la ruptura celular, mediante microscopía óptica y distribución del tamaño de partícula. La ruptura de las hifas fue efectiva logrando en todos los casos dispersiones con la mayoría de sus partículas por debajo de los 10 µm. MH presentó distribuciones de tamaño de partícula similares independientemente del tratamiento de ruptura, mientras que en PN y AN se observó una tendencia monomodal solamente en tratamientos de 30 min de US. Las dispersiones se plastificaron con glicerol (25 % p/p b.s) y se utilizaron para obtener PM por evaporación del solvente (casting). Se evaluaron sus propiedades mecánicas, térmicas (TGA), estructurales (FTIR, AFM), su permeabilidad al vapor de agua, color y opacidad. Se obtuvieron PM homogéneas y maleables con características distintivas según la cepa. Los diferentes tratamientos de ruptura celular no impactaron en el color, la opacidad ni en las propiedades mecánicas de las PM. Las PM de MH se caracterizaron por ser amarillas y opacas mientras que las de AN y PN presentaron tonos marrones y mayor transparencia. Las PM de MH presentaron mayor fragilidad que las de AN y PN, que resultaron ser más rígidas y elásticas, respectivamente. Los espectros de FTIR mostraron mayor similitud entre PN y AN que con MH, correlacionándose con su composición. Los termogramas (TGA) mostraron un perfil de degradación múltiple en función de la cepa fúngica. Las PM de AN y PN presentaron valores de permeabilidad al vapor de agua similares entre sí y comparables con películas de biomasas microbianas. Las imágenes obtenidas por AFM se correspondieron con los resultados de las pruebas mecánicas. En una segunda etapa, se obtuvieron MMP a partir de AN, PN y Monascus ruber (MR), cultivados bajo tres condiciones de cultivo sumergido: agitado (A), estático (E) y combinado (AE). Los micelios se esterilizaron y separaron del medio. En E y AE se obtuvieron MMP flotantes que cubrían la sección del recipiente, excepto por AN en la condición E cuyo crecimiento se limitó a los bordes. En la condición A los MMP se obtuvieron como un conjunto de pellets unidos. Los MMP de A y E (MR) y A y AE (AN) se trataron por inmersión en glicerol 25 % y 50 % p/p por 3, 12 y 24 h y luego se prensaron por compresión (6,4 g/cm2) por 72 h. Se determinó el color de los MMP, observándose diferencias entre las condiciones de cultivo y entre ambas superficies de cada material. La inmersión en glicerol por 3 h fue suficiente para mejorar la durabilidad y maleabilidad. Se determinaron las propiedades mecánicas de los MMP (AN: AE, PN: AE y MR: E) tratados con 0, 25 y 50 % glicerol (3 h). La incorporación de glicerol redujo la resistencia y rigidez, al mismo tiempo que aumentó notablemente la elongación. No se observaron diferencias entre ambas concentraciones de glicerol evaluadas. Tanto las PM como los MMP mantuvieron sus características iniciales durante períodos prolongados de almacenamiento sin presentar contaminación microbiana, probablemente debido a su baja actividad de agua. Estos materiales se sometieron a ensayos de desintegración en compost doméstico. Ambos tipos de materiales presentaron un comportamiento de desintegración bifásico: fase inicial rápida (primeros 30 días) seguida de una desaceleración. Las PM y los MMP alcanzaron pérdidas de peso cercanas al 70 % (77 días) y al 60 % (95 días), respectivamente Finalmente, se evaluó el cultivo a AN en extractos líquidos de bagazo cervecero (BC) como única fuente de nutrientes. Para ello, se prepararon tres medios a partir de BC mediante extracción acuosa con o sin el agregado de la enzima α-amilasa bacteriana (2,5 y 5 %v/v), y se utilizaron como control cultivos en caldo Sabouraud glucosado. Los extractos se inocularon con AN e incubaron bajo condiciones AE. Se determinó el contenido de azúcares reductores y carbohidratos totales de los medios al inicio y final de la incubación. Se determinó la cantidad de azúcares consumidos, la producción de micelio como peso seco y la tasa de conversión sustrato-a-micelio. Los extractos de BC presentaron concentraciones iniciales de carbohidratos mayores que el control destacándose los de tratamiento enzimático. En todos los extractos enzimáticos de BC, el crecimiento fúngico superó al del control, alcanzando un máximo en el extracto con 5 % de enzima y logrando la mayor conversión sustrato-a-micelio. En esta tesis se desarrollaron y caracterizaron materiales obtenidos a partir de micelio integral de hongos filamentosos, explorando su potencial como materiales biodegradables y sostenibles, incluyendo la valorización de residuos agroindustriales en su obtención.