Reducir, reutilizar, reciclar y reutilizar: todas estas son formas en que podemos vivir de manera más sostenible. Sin embargo, uno de los aspectos desafiantes del reciclaje es que a veces el proceso de reciclaje requiere un uso intensivo de productos químicos, y este es el caso del reciclaje de uno de los materiales más abundantes del mundo: la quitina.

Yangzhao Luo de la Facultad de Agricultura, Salud y Recursos Naturales de la UConn y su grupo abordaron este problema y encontraron una manera de recuperar la quitina de los desechos de mariscos de manera sostenible. Sus hallazgos se publican en Revista internacional de moléculas biológicas.

La quitina es el segundo biopolímero más abundante en la Tierra, con aproximadamente 100 mil millones de toneladas producidas cada año por hongos u organismos como insectos y crustáceos, sólo superada por la celulosa producida por las plantas. Al igual que la celulosa, la quitina en su forma pura se puede utilizar en muchas cosas, desde envases de alimentos y otros materiales duraderos y compostables hasta fertilizantes y cosméticos.

Lu explica que la quitina es una nueva área de investigación que él y su grupo comenzaron a explorar después de que una empresa pidiera ayuda para tratar de encontrar una manera de lidiar con las toneladas de desechos de productos del mar que produce. La empresa encontró a Loo porque trabaja con un derivado de quitina llamado quitosano, y pensaron que podría ofrecer su experiencia.

“La práctica típica para tratar los desechos de productos del mar es simplemente tirarlos a un vertedero, devolverlos al océano o convertirlos en abono”, dice Loh.

El problema con estas prácticas de eliminación es que el exceso de nutrientes de los materiales ingresa a los cursos de agua, lo que puede conducir a un proceso llamado eutrofización, en el que las poblaciones de algas prosperan con el exceso de nutrientes mientras consumen grandes cantidades de oxígeno disponible. Esto conduce a “zonas muertas” donde la vida marina y acuática no puede sobrevivir. Lo dice que encontrar una manera de ayudar a remodelar este flujo de desechos fue un desafío interesante.

“Esto también me interesó porque se alinea bien con la visión estratégica de nuestra universidad. Soy copresidente del Comité para Garantizar una Industria Agrícola y un Suministro de Alimentos Vibrantes y Sostenibles. Creo que este es un buen tema para explorar la sostenibilidad”.

Law encargó a dos Ph.D. Los estudiantes de su grupo de investigación comenzaron a abordar este problema y comenzaron a leer sobre los métodos actuales de procesamiento de quitina. Rápidamente aprendieron métodos tradicionales de extracción y tratamiento de desechos quitinosos utilizando grandes cantidades de ácidos y bases fuertes, una industria tan contaminante que no había instalaciones que realizaran este tratamiento en los Estados Unidos.

Debido a que la quitina es un polisacárido de muy alto peso molecular, las técnicas de procesamiento tradicionales dependen de productos químicos cáusticos para descomponerla. Además, también consume mucha agua debido a la necesidad de diluir y neutralizar los disolventes después de la extracción.

En el laboratorio de Lu, dice que normalmente abordan estos desafíos utilizando sustancias químicas que se encuentran naturalmente, a menudo en los alimentos. Se centraron en el ácido málico que se encuentra en las manzanas. Ácido láctico, que se puede encontrar en alimentos fermentados; Cloruro de colina, una sal que se utiliza a menudo como aditivo alimentario; y glicerina, que a menudo se utiliza como sustituto del azúcar.

Todos estos son productos químicos muy comunes y versátiles que también son fisiológica y biológicamente compatibles con el medio ambiente y se eligen teniendo en cuenta los enlaces de hidrógeno de la quitina.

“Pensamos en los enlaces de hidrógeno”, dice Luo. “Muchos de los tipos básicos de biomasa, incluida la quitina, no pueden disolverse en agua porque hay fuertes enlaces de hidrógeno dentro de su estructura molecular, por lo que no interactúan con el agua”.

“Desde una perspectiva química, si quieres disolver algo en agua o hacerlo soluble en agua, tiene que formar un enlace de hidrógeno con agua. En otras palabras, si ese compuesto no puede formar un enlace de hidrógeno con agua, puede No se disuelven, por lo que no reaccionan con el agua”.

El glicerol actúa como donador de hidrógeno y el cloruro de colina actúa como aceptor de hidrógeno, explica Lu. Cuando se combina con cualquiera de los ácidos (ácido málico o ácido láctico), la combinación de estos tres componentes forma una solución viscosa llamada disolvente eutéctico triple profundo (TDES).

“Hemos descubierto que estas ondas TDES son particularmente efectivas para romper los enlaces de hidrógeno que mantienen unidos los componentes estructurales de la biomasa”, dice Luo.

“Al debilitar estos enlaces, el TDES facilita la separación de la quitina de otros componentes como las proteínas y el carbonato de calcio. Las propiedades únicas del TDES permiten la extracción selectiva de la quitina y pueden diseñarse para disolver esencialmente componentes no deseados como proteínas y minerales, dejando detrás de una forma pura de quitina.”

“Esta selectividad se debe a las interacciones específicas entre los componentes del TDES y los componentes de la biomasa. Al ajustar las proporciones de los tres componentes del TDES, podemos interrumpir las interacciones de los enlaces de hidrógeno dentro de la biomasa. Este enfoque permite una forma innovadora de tratar los desechos quitinosos de los mariscos. “.

En comparación con la quitina que compran en una empresa de suministros científicos, dice que el producto purificado en laboratorio es casi idéntico. Además, al ajustar las proporciones, pueden controlar el grado en que se procesa la quitina y, por lo tanto, pueden “afinar” el peso molecular del producto final.

“Los procesos químicos convencionales que utilizan una gran cantidad de ácido y base para procesar y extraer quitina normalmente producen quitina con un peso molecular pequeño que puede tener aplicaciones limitadas”, dice Luo. “Utilizando ácido málico suave o ácido láctico, podemos producir quitina con un peso molecular controlable. Podemos fabricar un peso molecular de 300 a 100.000 kDa, dependiendo de nuestro propósito para aplicaciones futuras. Este es uno de los aspectos más avanzados de esta tecnología”.

“La otra novedad es que ahora estamos trabajando en un proceso de ultrasonido que puede incorporarse al proceso de extracción para convertir la quitina en nanoquitina. El proceso desenreda las fibras de quitina a nanoescala”.

Otro beneficio de este método de extracción es que, dado que los solventes son livianos y de origen alimentario, no requieren neutralización con grandes cantidades de agua antes de poder eliminarlos de manera segura. Puede reutilizarse al menos tres veces antes de que pierda su capacidad extractiva, lo que hace que el proceso sea menos costoso y más respetuoso con el medio ambiente.

Ahora con una patente provisional con el Servicio de Comercialización de Tecnología de UConn, el grupo de Lu está colaborando con una empresa agrícola para probar si la quitina con diferentes pesos moleculares y la nanoquitina se pueden utilizar para producir cultivos.

“Presumimos que estas nanofibras de quitina podrán ser absorbidas por la planta para mejorar la producción vegetal, funciones bioestimulantes en el suelo o como una especie de fertilizante”, dice Luo.

Al colaborar con el grupo del profesor asistente de Innovación y Emprendimiento Minyu Qiao, los dos equipos están aplicando este enfoque a otros materiales, incluidas las algas, para extraer y purificar genes. El proceso típico para dicha purificación es largo y complejo, pero Lu dice que este sistema TDES reduce el proceso de extracción de varios días a un proceso que dura unas pocas horas. Al limpiar y agilizar estos procesos, Luo tiene grandes esperanzas para el futuro con este sistema.

“Esperamos poder convertir esta basura en un tesoro, o al menos en productos con valor añadido”.