Polímeros, biopolímeros y agregados

a) Polímeros, biopolímeros y agregados

Los estudios desarrollados por Tsuda y Nomura (2014) indican que la queratina hidrolizada puede ser usada como materia prima de productos que necesitan flexibilidad e hidrofobicidad, también para el desarrollo de films o plásticos biodegradables (p. 184). La queratina de las plumas de pollo es un material que tiene características útiles para este fin, las cuales se derivan de su estructura fibrilar (Martínez y Velasco, 2012, p. 171; McGovern, 2000, p. 369).

La producción de agregados puede hacer uso de la queratina; esta busca introducir polímeros sintéticos en la cadena principal de un biopolímero mediante modificaciones químicas que se dan en puntos de reacción específicos. En la queratina existen varios puntos de reacción, los cuales se muestran en la Tabla 1.4. De entre ellos, el más importante es el grupo tiol de la cisteína porque en ese lugar los monómeros sintéticos se empiezan a polimerizar (Canetti, Cacciamani y Bertini, 2013, p. 7; Martínez y Velasco, 2012, p. 198).

La queratina puede ser utilizada como refuerzo estructural de polímeros y biopolímeros, porque genera una interfase compatible con los mismos. El resultado consiste en la mejora de las propiedades mecánicas y termo mecánicas de los materiales (Martínez y Velasco, 2012, p. 195; Martínez et al., 2005, p. 176).

Los plásticos basados en proteína pueden competir con los plásticos biodegradables de la actualidad. Es posible que la parte proteica del polímero se degrade; sin embargo, la parte no degradable podría mantenerse; todo depende 16

del material usado como matriz. Otra ventaja es que su origen es no petroquímico (Martínez y Velasco, 2012, p. 195; Martínez et al., 2005, p. 177; McGovern, 2000, p. 369)

MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE QUERATINA HIDROLIZADA

A pesar que la hidrólisis se basa en la ruptura de la estructura primaria de las proteínas, en el caso de la queratina se orienta principalmente a la ruptura de los 22

puentes disulfuro, debido a que son estructuras que interfieren en la proteólisis (Nelson y Cox, 2005, p. 99). A continuación se describen los procesos existentes.

1.2.3.1 Hidrólisis

La queratina se hidroliza con agua mediante la ruptura de los puentes disulfuro, que origina cisteína y ácido sulfénico (Salazar, 2012, p. 19). Esta reacción se presenta en la Figura…

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Figura 1.5. Reacción de hidrólisis de la cistina

(Salazar, 2012, p. 9)

Hidrólisis ácida

Este proceso consiste en mantener la proteína en ebullición con soluciones de ácidos fuertes. De acuerdo con Nelson y Cox (2005), el ácido más empleado para romper puentes disulfuro es el ácido perfórmico. El tratamiento produce dos residuos de ácido cisteico (p. 99). La reacción es mostrada en la Figura 1.6.

Karthikeyan et al. (2007) indican que los tratamientos tardan de 2 a 3 h en romper los puentes disulfuro y generan polipéptidos solubles en agua (p. 711). El inconveniente de este método es que puede ser demasiado drástico y, por tanto, destruir aminoácidos (Karthikeyan et al., 2007, p. 711; Navarro, García y Sánchez, 2009, p. 125).

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Figura 1.6. Hidrólisis de puentes disulfuro con ácido perfórmico

(Nelson y Cox, 2005, p. 99)

Durante las primeras horas de hidrólisis el proceso es meramente de ruptura de enlaces peptídicos; sin embargo, a medida que el tiempo avanza se empiezan a degradar ciertos aminoácidos. Un factor importante a tomar en cuenta en este proceso es la temperatura, puesto que tiene una relación directa con la cantidad de aminoácidos degradados (Navarro et al., 2009, p. 125).

Otro medio común usado en la hidrólisis ácida de la queratina es el HCl 5-6 N. Los estudios sobre la hidrólisis de esta proteína indican que se produce descomposición parcial de cistina, treonina, tirosina, fenilalanina y arginina, con una completa destrucción del triptófano (Robbins, 2012, p. 111).

Hidrólisis básica

A diferencia de la hidrólisis ácida, en esta no se corre un riesgo tan alto de destruir aminoácidos, a menos que el pH del medio sea extremadamente básico. La recomendación de Gupta et al. (2012) es que la hidrólisis se realice a pH entre 10 y 13 (p. 736).

La queratina puede ser solubilizada mediante su reacción con diversos agentes, como: Na2S, cianuro de potasio y/o ácido tioglicólico, en un medio alcalino. El efecto principal de esta reacción es la ruptura de los puentes disulfuro, esenciales para el mantenimiento de la estructura fibrosa de la queratina.

Gupta et al. (2012) determinaron que el medio que permite recuperar el mayor porcentaje de queratina es el Na2S (p. 736).

Hidrólisis enzimática

La hidrólisis enzimática es una forma amigable con el ambiente y de bajo costo para obtener polipéptidos de queratina (Bersch y Coello, 2005, p. 1 706; Karthikeyan et al., 2007, p. 711). En este proceso se emplean enzimas especializadas conocidas como queratinasas. Las queratinasas se obtienen por 25

acción microbiana. Los microorganismos capaces de producirla son los actinomicetos, bacterias y ciertos hongos (Karthikeyan et al., 2007, p. 711).

Para Benítez, Ibarz y Pagan (2008), el proceso se desarrolla en 3 etapas: la primera corresponde a la formación de un complejo entre la enzima empleada y el sustrato usado; en la segunda etapa ocurre una rotura de enlaces amídicos que permite la liberación de péptidos y en la tercera etapa se da un ataque nucleofílico por parte de una molécula de agua, que hace que los péptidos se separen de la enzima. Este proceso se reinicia sobre los péptidos liberados o por lo menos en uno de ellos. Para finalizar la hidrólisis se debe inactivar la enzima, mediante calor, pH o ambos (pp. 229-230).

La hidrólisis puede llevarse a cabo empleando la enzima directamente sobre el sustrato, o mediante el cultivo de microorganismos productores de peptidasas y queratinasas, como el Aspergillus oryzae, el Bacillus spp o el Bacillus subtilis, (Farag y Hassan, 2004, p. 92; Vazquez et al., 2013, p. 3). En cualquier caso, el uso de técnicas de inmovilización es una alternativa para reutilizar la enzima o el microorganismo (Farag y Hassan, 2004, p. 92). La hidrólisis se lleva a cabo en biorreactores, dentro de los cuales los parámetros a controlar son la temperatura, el pH, la velocidad de agitación y el tiempo (Benítez et al., 2008, p. 229).

Una de las desventajas que presenta la hidrólisis enzimática de plumas de pollo es que los microorganismos empleados no han sido capaces de hidrolizar las estructuras más resistentes de la pluma, como el raquis y el cálamo, por lo tanto, estos deben ser eliminados en una etapa previa del proceso (Bertsch y Coello, 2005, p. 1 707). Otra desventaja es que la fuente de proteína en el sustrato debe estar en bajas concentraciones, entre el 1 y el 6 %, para que la hidrólisis sea efectiva (De Macedo et al., 2002, p. 215; Gousterova et al., 2005; p. 337).

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

2.1.2.1 Muestreo

El muestreo se llevó a cabo en un plantel avícola ubicado en el norte de Quito. Las plumas provinieron de pollos broiler, faenados a los dos meses de edad. Se tomaron las acciones adecuadas para incluir todos los tipos de plumas, desde las de recubrimiento y plumones hasta las filoplumas, en la muestra compuesta. Se realizaron dos muestreos en distintos tiempos, con el fin de obtener 2 y 10 lb de plumas, respectivamente. La primera muestra fue utilizada en ensayos preliminares y la segunda en el proceso experimental definitivo.

2.1.2.2 Preparación de la materia prima

Se probaron tres diferentes procesos de lavado, sobre 150 g de plumas cada uno. El primero consistió en el remojo de las plumas en 300 mL de éter etílico durante 4 h, seguido de un lavado con agua a temperatura ambiente (~18 °C) y jabón líquido aniónico, marca Estrella. El segundo método fue un lavado con agua a temperatura ambiente y jabón líquido aniónico. El tercer método consistió en el lavado de las plumas con agua a 30 °C y jabón líquido aniónico.

Las plumas lavadas por los 3 métodos se sometieron a un proceso de secado a temperatura ambiente durante 48 h. El mejor proceso de lavado fue el que permitió obtener plumas libres de restos de sangre y contaminantes; de moho en su cálamo (coloración verde-azulada); además, inodoras.

A continuación, se lavaron y secaron 10 lb de plumas mediante el mejor proceso de lavado definido anteriormente. Su tamaño se redujo hasta un máximo de 2 mm, en un molino de cuchillas marca THOMAS 3379-k05, ubicado en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la EPN. Las plumas molidas fueron almacenadas en fundas de polietileno herméticas de marca Ziplock. 38

2.1.3 OBTENCIÓN DEL HIDROLIZADO PROTEICO

Se prepararon soluciones con concentraciones de 0,25; 0,50 y 0,70 M de Na2S a partir de reactivo al 98 % de pureza, en escamas. Debido a que la disolución del reactivo es un proceso endotérmico, se realizó en una plancha de calentamiento con agitación marca OVAN MMH50 E, a una temperatura de 100 °C.

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