tesis pedro ramirez

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IQ-2007-I-32 EVALUACIÓN DE LA CÁSCARA DE CAFÉ, EL BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR Y RESIDUOS DE PALMA PARA LA OBTENCIÓN DE LACASA POR MEDIO DEL CULTIVO EN ESTADO SÓLIDO DE LA ESPECIE Trametes pubescens PEDRO ALONSO RAMÍREZ CARDOZO UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. JULIO DE 2007

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Page 1: Tesis Pedro Ramirez

IQ-2007-I-32

EVALUACIÓN DE LA CÁSCARA DE CAFÉ, EL BAGAZO DE LA CAÑA DE

AZÚCAR Y RESIDUOS DE PALMA PARA LA OBTENCIÓN DE LACASA POR

MEDIO DEL CULTIVO EN ESTADO SÓLIDO DE LA ESPECIE Trametes

pubescens

PEDRO ALONSO RAMÍREZ CARDOZO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

BOGOTÁ D.C.

JULIO DE 2007

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IQ-2007-I-32

EVALUACIÓN DE LA PULPA DE CAFÉ, EL BAGAZO DE LA CAÑA DE

AZÚCAR Y RESIDUOS DE PALMA PARA LA OBTENCIÓN DE LACASA POR

MEDIO DEL CULTIVO EN ESTADO SÓLIDO DE LA ESPECIE Trametes

pubescens

PEDRO ALONSO RAMÍREZ CARDOZO

Proyecto de Grado para optar

El título de Ingeniero Químico

Asesora:

Isabel Cristina Jiménez Useche

Ingeniera Química

M.Sc. Ingeniería

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

BOGOTÁ D.C.

JULIO DE 2007

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NOTA DE ACEPTACIÓN

_________________________

Asesor

_________________________

Jurado 1

_________________________

Jurado 2

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“A mis padres, Pedro y Luz Amparo.

Su apoyo ha sido incondicional

durante este proceso”

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AGRADECIMIENTOS

Este trabajo se realizó en conjunto con el grupo BBG de la Universitat Rovira i

Virgili. Tarragona, España, quienes donaron el T. pubescens y los protocolos

experimentales.

El autor expresa sus agradecimientos a las siguientes personas y grupos:

A Isabel Jiménez Useche, asesora del proyecto. Universidad de Los Andes. Por la

confianza y apoyo durante este proyecto.

A Johann F. Osma, Universidad Rovira i Virgili. Por el apoyo durante este proceso.

A Oscar Fernando Sánchez. Universidad de Los Andes. Por la ayuda prestada

durante este proyecto.

A Claudia Loboguerrero, Paula Alonso y Luis Acevedo. Universidad de Los Andes.

Por la participación en distintas pruebas de este proyecto.

A José María Robles, Luz Dary Rúgeles y Sonia Rojas. Universidad de Los Andes.

Por el apoyo prestado en el laboratorio.

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A Coldanzimas Ltda. Por la donación de una muestra de Suberase (Lacasa

Comercial).

A Huntsman Colombia Ltda. Por la donación de los tintes Negro Super Cibacron,

Azul Teransil y Negro Teransil.

A Cenipalma por la donación del cuesco, la tusa y la fibra que son los principales

residuos del proceso de extracción de aceite de palma.

Al departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes por las

instalaciones del laboratorio.

Al departamento de Microbiología de la Universidad de los Andes. En especial a

Silvia Restrepo, coordinadora de pregrado y al grupo LAMFU. Por el apoyo y las

facilidades prestadas.

Al departamento de Química de la Universidad de los Andes por la colaboración

con las instalaciones de los laboratorios.

A mis familiares y amigos que siempre estuvieron pendientes de este proceso.

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vii

CONTENIDO

Pág

LISTA DE TABLAS ____________________________________________________ ix LISTA DE FIGURAS_____________________________________________________ x LISTA DE ANEXO S ____________________________________________________ xi RESUMEN____________________________________________________________ xii

INTRODUCCIÓN ____________________________________________________ 1

OBJETIVOS_________________________________________________________ 2 1. ESTADO DEL ARTE______________________________________________ 3 1.1. GENERALIDADES DE LAS ENZIMAS__________________________________________3

1.1.1. Enzimas__________________________________________________________________3 1.1.2. Nomenclatura Internacional de Enzimas ________________________________________4 1.1.3. Niveles de Estructura de las Enzimas ___________________________________________5 1.1.4. Mecanismo de Catálisis Enzimática ____________________________________________7 1.1.5. Factores que Influencian la Actividad Enzimática _________________________________8 1.1.6. Determinación de Actividad Enzimática ________________________________________9

1.2. GENERALIDADES DE LA LACASA___________________________________________13 1.2.1. Nomenclatura de la Lacasa __________________________________________________13 1.2.2. Estructura y Sitio Activo de la Lacasa _________________________________________14 1.2.3. Función Biológica de la lacasa _______________________________________________17 1.2.4. Mecanismo de Reacción de la Lacasa__________________________________________20 1.2.5. Aplicaciones de la Lacasa ___________________________________________________22

1.3. GENERALIDADES DEL Trametes pubescens ____________________________________25 1.3.1. Clasificación del Trametes pubescens _________________________________________25 1.3.2. Actividad Lignolítica de Hongos de Putrefacción Blanca __________________________26 1.3.3. Trametes pubescens como Productor de Lacasa__________________________________30

1.4. TÉCNICA DE FERMENTACIÓN EN ÉSTADO SÓLIDO (SSF) _____________________34 1.4.1. Generalidades de la técnica__________________________________________________34 1.4.2. Factores que Influyen en el Proceso ___________________________________________36 1.4.3. Microorganismos Utilizados en la SSF y Enzimas Producidas ______________________38 1.4.4. Sustratos Utilizados en la SSF _______________________________________________39 1.4.5. Ventajas de la SSF sobre la SmF _____________________________________________41

1.5. DECOLORACIÓN MICROBIANA DE TINTES __________________________________42 1.5.1. Problemática Ambiental ____________________________________________________42 1.5.2. Métodos de Decoloración ___________________________________________________44 1.5.3. Tintes que Decolora la Lacasa _______________________________________________47

2. CONSIDERACIONES PRELIMINARES ____________________________ 50 2.1. RESIDUOS AGROINDUSTRIALES____________________________________________50

2.1.1. De Industria del Aceite de Palma._____________________________________________50 2.1.2. De Industria de Caña de Azúcar ______________________________________________52 2.1.3. De Industria del Café ______________________________________________________53

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viii

2.2. TINTES INDUSTRIALES Y ENZIMA COMERCIAL______________________________55 2.2.1. Novozymes Suberase® _____________________________________________________55 2.2.2. Tintes Hunstman® ________________________________________________________55

3. METODOLOGÍA Y DISEÑO EXPERIMENTAL ______________________ 57 3.1. MATERIALES _____________________________________________________________57 3.2. METODOLOGÍA ___________________________________________________________58

3.2.1. Caract erización de Residuos_________________________________________________58 3.2.2. Fermentación en Estado Sólido_______________________________________________61 3.2.3. Degradación de Tintes _____________________________________________________62

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN_____________________________________ 64 4.1. CARACTERIZACIÓN DE RESIDUOS__________________________________________64

4.1.1. Resultados de Caracterización _______________________________________________64 4.1.2. Selección del Residuo de Palma______________________________________________68 4.1.3. Relevancia del Estudio de Residuos de Distinto origen ____________________________68

4.2. FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO _______________________________________69 4.2.1. Etapa 1: Efecto del Tipo de Sustrato y del Tiempo _______________________________69 4.2.2. Etapa 2: Efecto del Tiempo en cultivos de Fibra _________________________________72

4.3. DECOLORACIÓN DE TINTES________________________________________________73 4.3.1. Resultados de Ensayo de Decoloración ________________________________________73 4.3.2. Ensayo de Electroforesis____________________________________________________77

CONCLUSIONES ___________________________________________________ 79

REFERENCIAS_____________________________________________________ 80

ANEXOS___________________________________________________________ 83 ANEXO 1. PRÁCTICA DE CONSERVACIÓN DEL HONGO ______________________________84 ANEXO 2. PRÁCTICA DE CULTIVO EN ÉSTADO SÓLIDO ______________________________86 ANEXO 3. PRÁCTICA DE DETERMINACIÓN DE ACTIVIDAD DE LACASA _______________90 ANEXO 4. PRÁCTICA DE DECOLORACIÓN DE TINTES________________________________94

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ix

LISTA DE TABLAS

TABLA 1. CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL D E ENZIMAS (NÚMERO DE CLASE, NÚMERO D E CÓDIGO Y TIPOS DE REACCIÓN CATALIZADA) ...................................................................................................5

TABLA 2. ALGUNAS DEFINICIONES PARTICULARES DE ACTIVIDAD ENZIMÁTIC A .......................................12 TABLA 3. ALGUNAS CARACTERÍSTICAS D E LACASAS DE TR AMETES .....................................................34 TABLA 4. DEGRADACIÓN DE TINTES POR PARTE DE HONGOS. .............................................................45 TABLA 5. DATOS SUMINISTRADOS POR HUNSTMAN S.A DE LOS TINTES INDUSTRIALES. ..........................56 TABLA 6. DISEÑO EXPERIMENTAL PARA PRIMERA ETAPA DE LA SSF....................................................61 TABLA 7. ESTIMACIÓN DE LA VELOCIDAD INICIAL DE REACCIÓN DE DEGRADACIÓN DE NEGRO TERANSIL CON

LACASA DE T. PUBESCEN S ...................................................................................................76

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x

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. NIVELES DE ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS. ....................................................................7 FIGURA 2. ESQUEMA DEL MODELO LLAVE-CERRADURA PARA LA CAT ÁLISIS ENZIMÁTICA ...........................8 FIGURA 3. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD INICIAL DE LA REACCIÓN ENTRE LA β-GLOCUSIDASA Y UNA

SOLUCIÓN DE CELOBIOSA.....................................................................................................11 FIGURA 4. REACCIÓN CARACTERÍSTICA DE LA LACASA......................................................................13 FIGURA 5. SITIO ACTIVO DE LA RMAL (MULTIFORMA DE LACASA) ........................................................17 FIGURA 6. VISUALIZACIÓN DE LA LACASA DE T. VERSICOLOR EN RASMOL® . ........................................17 FIGURA 7. REACCIONES CATALIZADA POR LACASAS DE DISTINTAS FUENTES BIOLÓGICAS. .......................19 FIGURA 8. MECANISMO DE REACCIÓN. ...........................................................................................22 FIGURA 9. MONÓMERO DE LA LIGNINA. ...........................................................................................27 FIGURA 10. ACTIVIDAD LIGNOLÍTICA EN LA ESPECIE P. CHRYSOSPORIUM .............................................28 FIGURA 11. MECANISMO DE REACCIÓN DE DEGR ADACIÓN DE 1,2-DIARYLR POPAN E-1,3-DIOL POR MEDIO DE

LA LIP DE LA ESPECIE P. CHRYSOSPORIUM .............................................................................29 FIGURA 12. MECANISMO DE DEGRADACIÓN DEL 4,6-DI-T-BUTYLGUAIACOL POR MEDIO DE LACASA DE C.

VERSICOLOR......................................................................................................................29 FIGURA 13. PRODUCCIÓN DE LACASA POR PARTE DE HONGOS DE PUTREFACCIÓN BLANCA EN MEDIO D E

GLUCOSA CON ADICIÓN DE COBRE. ........................................................................................31 FIGURA 14. RELACIÓN ENTRE EL CONTENIDO DE GLUCOSA, BIOMASA Y ACTIVID AD DE LACASA EN CULTIVOS

DE LA ESPECIE T. VERSICOLOR .............................................................................................33 FIGURA 15. ALGUNAS ESTRUCTURAS DE COMPUESTOS XENOBIÓTICOS. ..............................................47 FIGURA 16. TINTES DEGRADADOS POR LÍQUIDO EXTRACELULAR DE T. VER SICOLOR. ACID GREEN 27

(ANTRAQUINÓNICO), ACID VIOLET (AZO) E INDIGO CARMINE (ÍNDIGO) ..........................................48 FIGURA 17. TINTES DEGRADADOS POR LACASA DE T. PUBESCENS. REMANZOL BRILLIANT BLUE

(IZQUIERDA). METHYL GREEN (DERECHA)...............................................................................49 FIGURA 18. RESIDUOS DE LA EXTRACCIÓN DEL ACEITE DE PALMA Y PALMISTE. TUSA (IZQUIERDA), FIBR A

(CENTRO), CUESCO (DERECHA) ............................................................................................51 FIGURA 19. RACIMOS DE LA PALMA AFRICANA. ................................................................................52 FIGURA 20. BAGAZO DE CAÑA D E AZÚCAR (ZONA DE SANTANDER, COLOMBIA) .....................................53 FIGURA 21. CÁSCARA DE C AFÉ VARIEDAD COLOMBIA. ......................................................................54 FIGURA 22. EQUIPO DE LIOFILIZ ACIÓN............................................................................................63 FIGURA 23. RESULTADOS DE HUMEDAD DE LAS MUESTRAS. ..............................................................64 FIGURA 24. RESULTADO DE CONTENIDO DE LIGNINA EN BASE HÚMEDA ................................................65 FIGURA 25. RESULTADO DE CONTENIDO DE HEMICELULOSA EN R ESIDUOS DE PALMA .............................66 FIGURA 26. RESULTADO DE SOLUBLES EN AGUA..............................................................................67 FIGURA 27. RESULTADOS DE SOLUBILIDAD EN ALCOHOL BENCENO .....................................................67 FIGURA 28. COMPARACIÓN DE SUSTRATOS EN CULTIVOS EN ESTADO SÓLIDO DE T. PUBESC ENS .............70 FIGURA 29. ACTIVIDAD DE LACASA EN CULT IVOS CON FIBRA D E PALMA ................................................72 FIGURA 30. DECOLORACIÓN CON NEGRO SUPER (IZ) Y AZUL TERANSIL (DER.).....................................74 FIGURA 31. BARRIDO DE ABSORBANCIA PARA NEGRO TERANSIL®......................................................74 FIGURA 32. DECOLORACIÓN DE NEGRO TERANSIL. ..........................................................................75 FIGURA 33. RESULTADO DE ELECTROFORESIS................................................................................77 FIGURA 34. ADAPTACIÓN DE ELECTROFORESIS. ..............................................................................78

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xi

LISTA DE ANEXOS

ANEXO 1. PRÁCTICA DE CONSERVACIÓN DEL HONGO.........................................................84 ANEXO 2. PRÁCTICA DE CULTIVO EN ÉSTADO SÓLIDO.........................................................86 ANEXO 3. PRÁCTICA DE DETERMINACIÓN DE ACTIVIDAD DE LACASA.................................90 ANEXO 4. PRÁCTICA DE DECOLORACIÓN DE TINTES...........................................................94

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xii

RESUMEN

La lacasa (E.C. 1.10.3.2) es una enzima de uso potencial debido a su habilidad de

degradar compuestos de distinta estructura química, entre los que se encuentran

contaminantes como los tintes industriales. El hongo de putrefacción blanca

Trametes pubescens (CBS 696.94) produce lacasa de forma inducida y

principalmente como metabolito secundario. Se cree que la lignina tiene un efecto

inductor de lacasa en los hongos de putrefacción blanca, para lo cual se estudian

residuos con distinto contenido de ésta provenientes de la industria del café, la

caña de azúcar y la palma africana en un proceso de fermentación en estado

sólido. Se encontró que el cultivo con fibra de palma permite conseguir una

actividad de lacasa máxima de 3089U/l en 15 días, superando la actividad de

lacasa en los otros cultivos. La aplicación de decoloración fue estudiada con tres

tintes industriales, dos compuestos principalmente por grupos azo y uno por

antraquinónicos; sin embargo, sólo se pudo apreciar la decoloración del tinte azo

Negro Teransil de Hunstam® (40% en 5 días).

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1

INTRODUCCIÓN

La lacasa es una enzima oxidoreductasa de amplio uso industrial. Entre sus usos

se destaca la habilidad de la enzima para degradar compuestos fenólicos y no

fenólicos. La lacasa se utiliza en degradación de compuestos recalcitrantes como

algunos tintes industriales, en la industria alimenticia y en nanotenología. El interés

en la decoloración de tintes se debe a que éstos son utilizados extensamente;

existen aproximadamente 10000 tintes con una producción anual de más de

700000 toneladas. Entre el 5 y el 10% de los tintes producidos a nivel industrial

son desperdiciados y terminan en efluentes naturales. Estos tintes son

responsables del color, el cual es el primer contaminante del agua. Cantidades

mínimas de tintes entre 10–50mg/l son altamente visibles y afectan drásticamente

la estética de agua y las propiedades de ésta como la solubilidad de gases.

Una de las limitaciones actuales del uso de la lacasa se debe a que su producción

es costosa, por lo que la fermentación en estado sólido (SSF) puede ser una

alternativa ya que esta técnica utiliza residuos agroindustriales de bajo costo, los

cuales sirven de sustrato y soporte al microorganismo en la producción de

enzimas. En el ámbito mundial, Colombia es el cuarto productor de café y el

séptimo productor de caña de azúcar. En cuanto al aceite de palma, Colombia es

el primer productor en Latinoamérica y el cuarto a nivel mundial. Lo que hace que

estos residuos sean atractivos para su uso en SSF.

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2

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Evaluar el efecto de la pulpa de café, el bagazo de la caña de azúcar y residuos

de palma como sustratos en la obtención y el desempeño de la lacasa por medio

de la especie Trametes pubescens utilizando cultivo en estado sólido

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Caracterizar los residuos de café, caña y palma en su contenido de lignina y

celulosa para inferir sobre su aplicabilidad en la técnica de fermentación en estado

sólido.

Ensayar los sustratos de cáscara de café, bagazo de caña y un tipo de residuos

de palma en la producción de lacasa por medio del hongo Trametes pubescens.

La actividad enzimática será calculada por medio del cambio de absorbancia que

resulta en la oxidación de ABTS por parte de la enzima.

Medir el desempeño de la lacasa obtenida con el uso de los tres sustratos en

procesos de degradación de un tinte de estructura aromática. A su vez, realizar el

mismo experimento con la enzima comercial para comparar resultados.

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3

1. ESTADO DEL ARTE

1.1. GENERALIDADES DE LAS ENZIMAS

1.1.1. Enzimas

Las enzimas, o biocatalizadores, son en su mayoría son proteínas (excepto por

algunas moléculas de ARN, las cuales son ácidos nucleicos) de alto peso

molecular y son responsables de la catálisis de la mayoría de reacciones

celulares. Son de particular interés debido a que a diferencia de los catalizadores

convencionales, las enzimas son muy específicas evitando reacciones paralelas y

productos indeseados y son más efectivas debido a que promueven mayores

velocidades de reacción bajo condiciones ambientales.1

Sin embargo, el éxito de la comercialización de las enzimas depende de tres

factores: su uso debe producir productos con mejor calidad que los producidos sin

los biocatalizadores, debe ser más económico producir con la enzima que sin ella

y las enzimas deben promover la creación de nuevos productos. Por lo tanto, los

estudios actuales están orientados a la producción económica de estos

1 Shuler M; Kargi F. Bioprocess Engineering: Basic Concepts, 2nd edition Upper Saddle River: Prentice Hall, Inc., 2002. 57 p

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4

compuestos, aprovechando que están presentes en todos los materiales

biológicos, lo cual hace que el costo de su producción pueda optimizarse. 2

La producción de enzimas se realiza por medio de distintas formas. Las enzimas

extraídas directamente de plantas, animales y microorganismos se conocen como

enzimas nativas. De origen vegetal, se tiene que las más producidas son la

papaína (100 ton/año), la amilasa (10,000 ton/año), mientras que las provenientes

de fuentes animales como la pepsina porcina y la tripsina porcina son producida a

menos escala (5-15 ton/año). Sin embargo, las enzimas mayormente producidas

provienen de procesos de fermentación con microorganismos como bacterias y

hongos debido a que las plantas superiores tienden a acumular toxinas en sus

vacuolas, mientras que los microorganismos (Ver Sección 1.4.3). Otro grupo de

enzimas se denominan xenozimas, las cuales se generan por medio de

modificaciones genéticas y mutaciones aleatorias.3

1.1.2. Nomenclatura Internacional de Enzimas

Algunas enzimas tienen un grupo asociado a la unidad proteica principal para

poder funcionar. Este grupo puede ser un grupo organometálico que se denomina

coenzima o un grupo metálico denominado cofactor (Ej.: iones de cinc, cobre,

2 Kilara A., Desai M. Enzymes.. En A.L. Barren, P.M. Davidson, S. Salminen, J.H. Thorngate III (Eds.). Food Additives. New York: Marcel Dekker, Inc., 2001. 662 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library 3 Ibíd. 662 p.

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5

magnesio). Una enzima asociada a un grupo inorgánico se denomina holoenzima;

la parte proteica de una holoenzima se denomina apoenzima4.

Las enzimas son nombradas sistemáticamente con el prefijo –asa al final del

sustrato o de la reacción catalizada. A su vez, son clasificadas con un número de

clase y número de código dependiendo de la reacción que catalizan5. La Tabla

1resume los distintos tipos de enzima y la nomenclatura internacional usada:

Tabla 1. Clasificación internacional de enzimas (Número de Clase, Número de Código y Tipos de

Reacción Catalizada)6

1. Oxidoreductasas 3. Hidrolasas (Reacciones REDOX) (Reacciones de Hidrólisis) 1.1 Actúan en >CH-OH 3.1 Ésteres 1.2 Actúan en >C=O 3.2 Enlaces glicosídicos 1.3 Actúan en >C=CH- 3.3 Enlaces peptídicos 1.4 Actúan en >CH-NH2 4. Liasas 1.5 Actúan en >CH-NH- (Adición a doble enlace) 1.6 Actúan en NADH; NADPH 4.1 >C=C<

2. Transferasas 4.2 >C=O (Transferencia de grupos funcionales) 5. Isomerasas 2.1 Grupos de un carbono (Reacciones de Isomerización) 2.2 Grupos aldehído o cetona 5.1 Racemasas 2.3 Grupos acilo 6. Ligasas 2.4 Grupos glicosídico (Formación de enlaces con ruptura de ATP) 2.7 Grupos fosfato 6.1 C-O

1.1.3. Niveles de Estructura de las Enzimas

Debido a que la mayor parte funcional de una enzima está constituida por

aminoácidos, las enzimas adoptan la forma estructural de una proteína. El arreglo

4 Boyer, R. Conceptos Básicos en Bioquímica (M. Ramírez & K. Aoki, Trads.). México DF., México: Thomson Learning, 2000. (Trabajo original publicado en 1999). 147 p. 5 Shuler M; Kargi F. Bioprocess Engineering: Basic Concepts, 2nd edition Upper Saddle River: Prentice Hall, Inc., 2002. 58 p 6 Adaptado de: Ibíd., p. 58

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6

de los átomos en una proteína es llamado conformación, lo cual le permite a la

enzima adoptar una forma tridimensional y poder hacer cambios estructurales sin

necesidad de romper los enlaces covalentes. Las proteínas adoptan una

termodinámicamente estable que se conoce como el estado nativo de las

proteínas. Los cambios de la conformación de las proteínas se realizan pro medio

de interacciones débiles, como puentes de hidrógeno, puentes bisulfuro e

interacciones hidrofóbicas7.

La estructura de las proteínas se ha jerarquizado en cuatro niveles, que describen

como se forma la macromolécula hasta llegar a la forma tridimensional (Figura 1).

La estructura primaria de las enzimas se refiere a la secuencia de residuos de

aminoácidos unidos por medio de enlace covalente. En su mayoría, los enlaces

covalentes son enlaces peptídico entre terminales amino y carboxilo y enlaces o

puente bisulfuro8.

La estructura secundaria de las proteínas se refiere a la conformación local de

algunas regiones de la cadena del polipéptido, Por lo tanto, este nivel está definido

por los patrones regulares en que los aminoácidos se organizan. Los patrones

más comunes observados en las proteínas son las hélices α y las láminas β, y la

formación de éstos depende de los aminoácidos que forman la proteína, ya que de

los grupos laterales de cada aminoácido depende el tipo de interacciones que se

da dentro de la estructura de la proteína9.

7 Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger principles of biochemistry, 4th ed. New York : W.H. Freeman and Company, 2005. 159-160 p. 8 Ibíd. 129 p. 9 Ibíd. 163-166 p.

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7

La estructura terciaria de la enzima se refiere a la organización espacial de la

enzima, pero a diferencia de la estructura secundaria, este nivel de estructura se

refiere a la organización global de la enzima, incluyendo la forma en que se

organizan las hélices y las láminas. La estructura terciaria es estabilizada por

residuos específicos como la Pro, Thr, Ser y Gly que se encargan del

acoplamiento de las regiones de la proteína y por los enlaces bisulfuro10.

La estructura cuaternaria se refiere a la organización de subunidades de las

proteínas, cada subunidad con una estructura terciaria definida. Cabe notar que

las proteínas pueden ser fibrosas o globulares, siendo las últimas las que pueden

presentar los niveles terciario y cuaternario11. Las enzimas son proteínas

globulares.

Figura 1. Niveles de estructura de las proteínas12.

1.1.4. Mecanismo de Catálisis Enzimática

Las enzimas actúan de forma similar a los catalizadores convencionales que

reducen la energía de activación de la reacción, lo cual permite el aumento de las

tasas de reacción sin modificar la conversión final, la cual es dada por condiciones

10 Ibíd. 170 p. 11 Ibíd. 170 p. 12 Ibíd. 129 p.

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8

de equilibrio. En cuanto al aspecto molecular, las enzimas forman un complejo

enzima-sustrato por medio de adsorción física en donde intervienen fuerzas de

interacción débiles. Aunque el mecanismo molecular de la catálisis enzimática no

está del todo entendido, la especificidad de las enzimas se explica por medio de la

existencia de un sitio activo, que es una pequeña región de la enzima donde

ocurre la adsorción del sustrato; por ende, la enzima sólo adsorbe sustratos

compatibles con la estructura molecular del sitio activo. Lo anterior se conoce

como el modelo llave-cerradura como se muestra en la Figura 2.13

Figura 2. Esquema del modelo Llave-Cerradura para la catálisis enzimática14

1.1.5. Factores que Influencian la Actividad Enzimática

Debido a su naturaleza de proteína, las enzimas no sólo están conformadas por

enlaces covalentes fuertes, sino también por fuerzas de interacción débiles que

definen las estructuras superiores de estos compuestos. Lo anterior hace muy

sensible a las enzimas a cambios de condiciones en el medio en que se

encuentran. La temperatura y el pH del medio de reacción son de los factores más

13 Shuler M; Kargi F. Bioprocess Engineering: Basic Concepts, 2nd edition Upper Saddle River: Prentice Hall, Inc., 2002. 58 - 59 p 14 Ibíd., p. 59

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9

relevantes y de mayor consideración, aunque factores como los esfuerzos

cortantes, la intensidad iónica del medio y el estado de la enzima (libre o

inmovilizada) también influyen en el desempeño del biocatalizador15.

El pH afecta a los grupos ionizables presentes en el sitio activo de la enzima, ya

que estos grupos están compuestos de grupos carboxilos y amino que se ionizan

generando una carga neta total en el sitio activo. Enzimas como la pepsina

muestran actividad entre rangos de pH extremadamente ácidos, siendo inactiva a

pH mayor de 4, en cambio enzimas como la arginasa presentan un punto óptimo

de pH alrededor de 10, lo cual es extremadamente básico16.

La temperatura dentro de un intervalo adecuado de temperatura favorece la

activación de la enzima. Sin embargo, fuera de este intervalo, las enzimas se

desnaturalizan con el aumento de la temperatura. Por ejemplo, la catalasa

(encargada de la descomposición del peróxido) se desactiva a una temperatura de

66º C17.

1.1.6. Determinación de Actividad Enzimática

Las Unidades de Actividad Enzimática indican la cantidad de enzima que produce

o consume un sustrato o producto de la enzima por unidad de tiempo bajo

condiciones estándar para la enzima en particular. Esta cantidad está relacionada

15 Duarte A. Introducción a la Ingeniería Bioquímica. Bogotá DC: Publicaciones de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, 1998. 196-197p. 16 Ibíd. 17 Ibíd.

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10

con la determinación de la velocidad inicial de reacción, la cual se define como la

variación inicial de sustrato, o de producto, con respecto al tiempo al inicio de la

reacción. Para determinar la velocidad inicial de reacción se mezclan soluciones

de sustrato y enzima de forma apropiada y se ajusta el pH por medio de una

solución amortiguadora. La variación de la concentración de sustrato o producto

se mide por medio de técnicas espectrofotométricas, manométricas,

polarimétricas, electrodos y métodos de muestreo y análisis18.

La Figura 3 muestra el progreso de la reacción de producción de glucosa a partir

de celobiosa por medio de la β-glocusidasa a condiciones éstandar de pH,

temperatura y fijas de concentración de sustrato y enzima. Se observa que el

origen y los puntos a 1 y 5 minutos caen sobre una misma línea, cuya pendiente

es la velocidad inicial de reacción. A partir de 5 minutos, la pendiente del progreso

de la reacción tiende a disminuir con el tiempo, por ende la velocidad de reacción

varía con respecto a su valor inicial. Lo anterior se debe a que a medida que se

consume la celobiosa la concentración de glucosa va alcanzando un valor estable.

Es importante observar que un buen estimado de la velocidad inicial de reacción

se logra con al menos tres puntos que permitan validar una tendencia lineal,

incluyendo el punto del origen. En el caso de la β-glocusidasa se lograría un mejor

estimado de la velocidad inicial tomando más datos entre 0 y 5 minutos de la

reacción, siendo los datos de 5 minutos en adelante irrelevantes para la

estimación de la velocidad inicial.

18 Ibíd., 191-193 p.

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11

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 5 10 15

Tie mpo de Reacción [min]

Glu

cosa

Pro

duc

ida

[mic

rom

ol/m

l]

Figura 3. Determinación de la velocidad inicial de la reacción entre la

β-glocusidasa y una solución de celobiosa19.

Una vez se calcula la velocidad inicial, se multiplica por el volumen total de la

solución (incluyendo el volumen del amortiguador) y se divide entre la cantidad de

enzima adicionada (en unidades de volumen o de masa), obteniendo las Unidades

de Actividad Específica de Enzima. La Ecuación 1 define las unidades de

actividad específica con respecto a la velocidad inicial mostrando su análisis

dimensional:

[ ][ ] ⎥

⎤⎢⎣

⎡=

⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mgUAmgE

mlVml

molv

mgmolA

Tminmin

µ

Ecuación 1

Donde, A, v0, VT y E definen las unidades de actividad, la velocidad inicial de

reacción, el volumen total de solución y la cantidad de enzima (asumida en mg)

pata la reacción en cuestión.

Las unidades de actividad (no específica) tal como están expresadas en la

Ecuación 1 son reconocidas con la unidad U. Sin embargo la Unión Internacional

19 Adaptado de Ibíd. 194 p

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12

de Bioquímica (International Union of Biochemistry) recomienda el uso de la

unidad Katal como unidad estándar de unidad de actividad, la se define con

unidades del SI, por lo tanto 1 Katal es la cantidad de enzima que se necesita para

producir/degradar 1 mol de producto/sustrato por segundo a las condiciones del

ensayo (pH, temperatura, solvente, etc). Sin embargo, el uso de la unidad U sigue

prevaleciendo ya que las actividades definidas como Katal son muy pequeñas (1 U

= 6x10-7 Katal = 0,6 µKatal).20

A pesar de la existencia de una unidad SI para la actividad enzimática, los

sistemas sustrato-enzima son complicados y requieren de definiciones muy

específicas en cuanto al tipo de sustrato y las condiciones de éste y del ensayo

como se observa en la Tabla 2.

Tabla 2. Algunas definiciones particulares de actividad enzimática

ENZIMA UNIDAD DEFINICIÓN

Amilasa DU (Unidad dextrinizadora) Cantidad de amilasa que hidrolisa almidón soluble en

exceso de B-amilasa a una razón de 1 g/h a 30º C

Amilasa BAU (Unidad de amilasa bacterial) Cantidad de enzima que dextriniza 1 mg de almidón

por minuto en las condiciones del ensayo

Catalasa BU (Unidades Baker) Cantidad de enzima necesaria para descomponer

266mg de peróxido de hidrógeno a las condiciones del ensayo

Celulasa CA (Actividad de celulasa)

Cantidad de enzima necesaria para disminuir la viscosidad de 200 g de solución de 5% de foma de

celulosa (Hercules Type 7-LF) de 400 a 300 cP a 35 +-0,1 ºC, pH = 5.0 en 1 h.

Glucosa Isomerasa

GLcU (Unidad de glucosa isomerasa con el método de la

columna)

Cantidad de enzima necesaria para convertir glucosa

a fructosa a una velocidad inicial de 1µmol/min a condiciones específicadas

Pepsina Unidades de Pepsina Cantidad de enzima que digiere 3000 veces su peso

de albúmina de huevo coagulada a las condiciones del ensayo

20 Kilara A., Desai M. Enzymes.. En A.L. Barren, P.M. Davidson, S. Salminen, J.H. Thorngate III (Eds.). Food Additives. New York: Marcel Dekker, Inc., 2001. 664 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library

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13

Proteasas Bacterianas PC (Proteolytic

Casein) Cantidad de enzima que libera el 1,5mg de

equivalentes de tirosina (caseína solubil izada como tirosina) por minutos a las condiciones del ensayo

1.2. GENERALIDADES DE LA LACASA

1.2.1. Nomenclatura de la Lacasa

La lacasa es una oxidoreductasa clasificada por su participación de la oxidación

del bencendiol a benzoquinona (Figura 4), por tanto, su nombre sistemático es

benzenediol:oxygen oxidoreductase; también es conocida como Urushiol oxidase.

La enzima está clasificada como E.C. 1.10.3.2, donde el 1 se refiere a que la

enzima es una oxidoreductasa, el 10 a que toma bifenoles o compuestos

relacionados como donadores y el 3 porque toma el oxígeno como aceptor. Entre

el grupo E.C.1.10.3 se encuentran enzimas como la catecol oxidasa, la L-

ascorbato oxidasa y la o-aminofenol oxidasa, que participan en reacciones

similares a la de la lacasa21.

Figura 4. Reacción característica de la Lacasa22

21 Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (NC-IUBMB): Enzyme Nomenclature Recommendations. Recuperado el día 6 de junio de: http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/EC1/09p.html#100302 22 European Bioinformatics Institute. Enzyme Database. Recuperado el día 6 de junio de: http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/cgi-bin/enzymes/GetPage.pl?ec_number=1.10.3.2.

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14

La lacasa fue descubierta en el látex del Rhus vernicifera en 1883 por Yoshida, en

especial por su habilidad de oxidar el urushiol. La enzima fue redescubierta entre

1894-1896 por Bertrand, quien encontró la enzima en lacas de árboles y en

hongos23.

1.2.2. Estructura y Sitio Activo de la Lacasa

La lacasa es una holoenzima que tiene como cofactor un conjunto de cuatro

cobres unidos a la estructura proteica inicial y se encuentra en plantas, hongos,

insectos y bacterias. Estas enzima se encuentra dentro de la familia de las

oxidasas azules y catalizan reacciones de oxidación de una variedad de de

sustratos orgánicos e inorgánicos como mono-, di- y polifenoles, metoxifenoles,

aminas aromáticas y ascorbato con la reacción acoplada de reducción de cuatro

electrones de oxígeno a agua. La lacasa contiene cuatro iones de cobre que se

distribuyen entre los sitios T1 (principal responsable de la actividad enzimática),

T2, y T3 (Al último pertenecen dos de los cuatro iones de cobre)24.

La lacasa de hongos es producida de forma extracelular y como múltiples

isoenzimas (de ahí es común encontrar referencias donde se habla de lacasas).

La variedad de multiformas, inclusive en una misma especie, y la importancia de

éstas en la naturaleza no están del todo comprendidas; en general sólo una

23 Flurkey, W. H. Laccase. En J.R. Whitaker (Eds.). Handbook of Food Enzymology. New York: Marcel Dekker, Inc., 2002. 525 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library 24 Galhaup C., Haltrich D. Enhaced formation of laccase activity by the white-rot fungus Trametes Pubescens in the presence of copper. Applied Microbiology and Biotechnology 2001; 56:22-232.

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15

multiforma en particular es descrita a profundidad para cada especie y pocas

referencias presentan comparaciones entre distintas multiformas25. Debido a la

multiformas de la lacasa, y a las distintas formas de estimación de tamaño de la

molécula (ultracentrifugación, electroforesis, exclusión por tamaño, predicha por

secuencia genética), el peso molecular de la lacasa varía entre 40 a 100 kDa,

siendo más común el rango de 60 a 80 kDa. 26.

Las múltiples formas de la lacasa hacen que dependiendo de la fuente biológic de

la enzima, la lacasa tenga distintos rangos de pH óptimo. Generalmente, las

lacasas actúan en el lado ácido de la escala de pH, aproximadamente entre 3 – 5,

pero algunas lacasas provenientes de fuentes vegetales actúan cerca de pH 7. En

cuanto a la estabilidad térmica, la lacasa es estable a altas temperaturas, de

hecho, el rango óptimo de muchas isoformas de la lacasa está por encima de 50º

C.27

Hakulinen et al. (2006) hacen un estudio exhaustivo sobre estructura del sitio

activo de la lacasa recombinada de M. albomyces (rMal, ver Figura 5). Los

autores expresan que las lacasas comparten el mecanismo catalítico con enzimas

como la ascorbato oxidasa, donde cuatro iones de cobre se necesitan para la

actividad catálitica. El cobre del sitio T1 forma un sitio mononuclear mientras que

un cobre tipo T2 con dos cobres tipo T3 (T3 y T3’) forman un sitio trinuclear. Los

nombres de los sitios provienen de características espectrofotométricas; los

25 Ibíd. 26 Flurkey, W. H. Laccase. En J.R. Whitaker (Eds.). Handbook of Food Enzymology. New York: Marcel Dekker, Inc., 2002. 528 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library 27 Ibíd. 531 p.

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16

cobres T1 son cobres azules y paramagnéticos con absorción cercana a 610 nm,

los cobres T2 no son paramagnéticos y los cobres T3 forman un par acoplado de

forma antiferromagnética.28

En la Figura 5 se observa que el cobre T1 esta ligado de forma tetraedral a los

aminoácidos de cistidina e histidina. Los cobres T3 y T3’ están coordinados con

residuos de histidina y de forma tetraedral mientras que el cobre T2 está ligado a

un átomo de cloro y dos residuos de histidina.29

En la Figura 6 se encuentra una figura de la estructura tridimensional de la enzima

de la especie T. versicolor (archivo de visualización tomado de la base de datos

PDB30), en la cual se observa presencia de láminas β (amarillo) y hélices α

(rosado). Se puede apreciar el sitio activo de la enzima conformado por los sitios T

(esferas en rojo oscuro), los cuales se organizan de forma que los sitios T2 y T3

forman una tríada, mientras que el sitio T1 esta aislado. También se observan los

residuos de histidina (azul) y los residuos de cistidina (amarillo)

28 Hakulinen N., Kruus K. Koivula K., Rouvinen J. A crystallographic and spectroscopic study on the effect of X-ray radiation on the crystal structure of Melanocarpus albomyces laccase. Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 350, Issue 4, 1 December 2006, Pages 929-934. 29 Ibíd. 30 Choinowski, T., Antorini, M., Piontek, K. Crystal structure determination at room temperature of a laccase from trametes versicolor in its oxidised form containing a full complement of copper ions. PDB (Protein Databank) [en línea]. Recuperado el día 6 de junio de: http://www.pdb.org/pdb/explore.do?structureid=1gyc.

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17

Figura 5. Sitio activo de la rMal (Multiforma de lacasa)31

Figura 6. Visualización de la Lacasa de T. versicolor en Rasmol®32 .

Izquierda: vista 3D de la enzima. Derecha: acercamiento al sitio activo

1.2.3. Función Biológica de la lacasa

La lacasa se localiza en el xilema de las plantas, donde esta asociado con las

paredes celulares; esta enzima no se encuentra en el citoplasma de las células

31 Hakulinen N., Kruus K. Koivula K., Rouvinen J. A crystallographic and spectroscopic study on the effect of X-ray radiation on the crystal structure of Melanocarpus albomyces laccase. Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 350, Issue 4, 1 December 2006, Pages 929-934.. 32 RASMOL es un software de visualización molécular Disponible en: http://www.umass.edu/microbio/rasmol/. Archivo PDB disponible en:

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18

vegetales33. En los hongos , la lacasa es producida de forma extracelular pero en

bajas cantidades: sin embargo, se ha demostrado que el proceso de producción

de lacasa es inducido con la adición de compuestos al cultivo de los

microorganismos como lo son la xilidina, el ácido telúrico, el ácido veratryl y el

pirogallol.34 Moldes et al. (2002) estudian el efecto de algunos posibles inductores

de lacasa de T. hirsuta, incluyendo inductores presentes en los tipos de sustratos

que se utilizan para la producción de la enzima. En el estudio de Moldes et al. se

analiza dos tipos de residuos lignocelulósicos, el bagazo de vino y la cebada, ya

que está demostrado que la celulosa favorece el crecimiento del hongos, pero se

demuestra que el residuo de mayor contenido de lignina (bagazo de vino) permite

la obtención de mayor actividad de lacasa en el extracto del cultivo, por ende, se

puede pensar que la lignina es un inductor de la enzima.35

La lacasa (en distintas multiformas) se encuentra en plantas y hongos donde

participa en procesos de oxidación de una variedad de compuestos, en su mayoría

relacionados con la estructura del fenol. En el caso del la especie Rhus vernicifera,

la lacasa actúa sobre el urushiol para generar cadenas acopladas (Figura 7). En

otras plantas, la lacasa oxida monolignoles generando dímeros y trímeros. La

lacasa en los hongos convierte syringylglycol guaiacol en productos que contienen

33 Ibíd. 526 p. 34 Minussi R.C, Pastore G.M and Durán N. Laccase induction in fungi and laccase/N–OH mediator systems applied in paper mill effluent. Bioresource Technology, Volume 98, Issue 1, January 2007, Pages 158-164 35 Moldes D., Gallego P.P, Rodríguez-Couto S. Sanromán A. Grpe seeds: the best l ignocellulosic waste to produce laccase by solid state cultures of Trametes hirsuta. Biotechnology Letters 25: 491-495, 2003.

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19

grupos de aldehídos, ácidos carboxílicos, ésteres y quinonas36 Se cree que las

reacciones catalizadas por la lacasa en la naturaleza, sobretodo en los hongos de

putrefacción blanca, intervienen en la degradación de la lignina y los compuestos

tóxicos provenientes de ésta. También se cree que la enzima previene la acción

de compuestos tóxicos que pueden generar estrés en los microorganismos37.

Figura 7. Reacciones catalizada por lacasas de distintas fuentes biológicas38.

Sin embargo, autores como Minussi et al. (2006) afirman que la importancia

biológica de la lacasa, así como de otras enzimas con cofactor de cobre, es

incierta. Lo que está claro que la enzima es aplicable en procesos de degradación

de contaminantes ambientales, procesamiento de papel, estabilización de vinos y

36 Flurkey, W. H. Laccase. En J.R. Whitaker (Eds.). Handbook of Food Enzymology. New York: Marcel Dekker, Inc., 2002. 525 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library 37 Galhaup C. Haltrich D. Enhaced formation of laccase activity by the white-rot fungus Trametes pubescens in the presence of copper. Applied Microbiology and Biotechnology (2001) 56: 225-232. 38 Ibíd. 527 p

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20

conversión de lignina en productos útiles, por lo que la investigación de está

enzima ha sigo orientada a sus posibles aplicaciones.39

1.2.4. Mecanismo de Reacción de la Lacasa

El mecanismo de reacción de la lacasa no ha sido del todo explicado, sin

embargo, autores como Solomon et al (1996) proponen un mecanismo donde un

electrón es transferido al cobre T1. Este sitio transfiere un electrón al sitio

trinuclear T2-T3 y la reducción del sitio trinuclear se hace de forma secuencial de

cada cobre en el sitio trinuclear o por reducción de los cobres tipo T3 acoplada con

el par T1 y T2. Yarpolov et al. (1997) propone otros mecanismos, pero todos

implican la transferencia de un electrón al sitio T1 como paso inicial. Lo anterior

muestra que hay distintos mecanismos propuestos debido a que al reducirse

cuatro iones de cobre pueden ocurrir distintos pasos intermedios40. Los electrones

aceptados por el sitio T1 son transferidos al sitio trinuclear a través de la ruta Cys-

His (Figura 5) hasta que cuatro electrones son transferidos a los cuatro sitios de

cobre en el sitio activo de la enzima. Finalmente, los electrones son transferidos a

las moléculas de oxígeno reduciéndolos a agua. 41

39 Minussi R.C., Pastore G.M., Durán N. Laccase induction in fungi and laccase/N-Oh mediator systems applied in paper mill effluent. Bioresource Technology 98 (2007) 158-164 40 Flurkey, W. H. Laccase. En J.R. Whitaker (Eds.). Handbook of Food Enzymology. New York: Marcel Dekker, Inc., 2002. 534 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library 41 Hakulinen N., Kruus K. Koivula K., Rouvinen J. A crystallographic and spectroscopic study on the effect of X-ray radiation on the crystal structure of Melanocarpus albomyces laccase. Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 350, Issue 4, 1 December 2006, Pages 929-934.

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21

La lacasa ha mostrado la habilidad de degradar múltiples compuestos, por lo que

Wong et al. (1999) llevaron a cabo un estudio exhaustivo a cerca del mecanismo

de reacción de la lacasa contenida en extracto de cultivos de T. versicolor. Se

estudia la degradación de tres tintes de distinta estructura química, antraquinónico,

índigo y azo. El primer resultado que encuentran es que los tintes que sirven de

sustrato para la enzima son los tintes de tipo antraquinónico, sin embargo, la

enzima es capaz de degradar los otros dos tipos de tintes cuando existe la

presencia de un sustrato mediador en la reacción. También muestran que el ABTS

permite la degradación de tintes que no son sustrato de la enzima al formarse

radicales libres que promueven la transferencia de electrones en el medio. Otro

experimento realizado por los mismos autores muestra que en el líquido

extracelular hay metabolitos de menos de 8kDa que actúan como activadores de

la lacasa permitiéndoles degradar los distintos tipos de tintes. Sin embargo, ni el

ABTS ni los metabolitos de bajo peso molecular son capaces de degradar los

titnes por sí solos42.

42 Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16, pp. 3512-3520, 1999

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22

Figura 8. Mecanismo de reacción43.

En la Figura 8 se observa que la enzima interviene en reacciones de transferencia

de electrones, acorde a su naturaleza de oxidoreductasa. La enzima oxida un

sustrato M generando ya sea un producto PM o un intermedio M+ que sirve como

agente oxidante de un compuesto D, el cual no es sustrato de la enzima,

produciendo un producto PD. Durante el proceso, la enzima se reduce a E- pero

vuelve a su estado natural al cederle los electrones a las moléculas de oxígeno

para la formación de O-2 que finalmente produce agua. . Lo anterior muestra que la

mayor actividad de la enzima se observa cuando esta actúa en conjunto con los

distintos metabolitos que los microorganismos producen.

1.2.5. Aplicaciones de la Lacasa

La lacasa tiene la habilidad de degradar compuestos fenólicos y no-fenólicos

relacionados con la lignina, por lo que tiene múltiples aplicaciones, entre las que

43 Ibíd.

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23

se encuentra la industria de alimentos, la industria textil, la nanobiotecnología, la

bioremediación de suelos, los cosméticos, entre muchas otras aplicaciones,

incluyendo el uso en drogas para combatir el cáncer. En especial, la lacasa, así

como diferentes técnicas de oxidación enzimática, son de interés industrial debido

a que no requieren el uso de químicos tóxicos y a que no producen reacciones

laterales indeseadas.44

En la industria textil la lacasa participa en la apariencia del color del producto, en

especial, existe una aplicación en la cual la casa interviene en la eliminación de

compuestos fenólicos indeseados que son responsables de la formación de un

color marrón en bebidas como jugo, vino y cerveza. También son útiles en

procesos de cocción debido a que la enzima es capaz de participar en el

entrecruzamiento de biopolímeros, permitiendo aumentar la resistencia en masas

de gluten y harinas. Otras aplicaciones, entre la que se encuentra el uso de la

enzima en biosensores para el procesamiento de comidas están en constante

estudio, pero se requiere de técnicas de inmovilización menos costosas que las

actuales.45

En la industria de la pulpa y papel, la lacasa participa en la degradación de la

lignina, lo cual actualmente se hace con métodos en los que participan

compuestos extremadamente tóxicos (como blanqueadores de cloro). Otras

enzimas como la lignin peroxidasa y manganeso perosidasa han sido utilizadas

para aplicaciones de deslignificación de tejidos leñosos, pero la lacasa ha sido

44 Rodríguez Couto S. Toca Herrera J.L. Industrial and biotechnological applications of laccases: A review. Biotechnology Advances, Volume 24, Issue 5, September-October 2006, Pages 500-513 45 Ibíd.

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24

más fácil de manejar y de mayor disponibilidad. La habilidad de crear radicales

libres permite utilizar la lacasa como adhesivo de fibras provenientes de materiales

lignocelulósicos creando materiales compuestos con buenas propiedades

mecánicas.46

En la industria textil, la lacasa tiene una aplicación muy relevante, debido a que

esta enzima es capaz de degradar tintes de distintas estructuras moleculares que

no son degradados por técnicas tradicionales. La industria textil consume largos

volúmenes de agua y consume más de 100.000 tipos de tintes comerciales, por lo

que las legislaciones son más estrictas en el tratamiento de estos residuos.

Además de la habilidad de decolorar, la lacasa también se utiliza para blanquear

textiles y para sintetizar tintes. 47

En el campo de la nanobiotecnología la lacasa tiene aplicaciones como biosensor

para detectar varios compuestos fenólicos, oxígeno, catecol aminas, morfina,

codeína, entre otros. Se han realizados distintos estudios de inmovilización de

lacasas, como lo muestra Roy et al. (2005) inmovilizando lacasa de T. versicolor

por medio de entrecruzamiento, lo cuál permite utilizar el inmovilizado como

biosensor. 48

Otras aplicaciones de la enzima se encuentra en degradación de hidrocarburos

aromáticos policíclicos y xenobióticos, los cuales son responsables de

contaminación de suelos. Se espera que la enzima pueda utilizarse para sintetizar

químico debido a su habilidad de promover reacciones de polimerización, lo

46 Ibíd. 47 Ibíd. 48 Ibíd.

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25

anterior permitiría la síntesis de medicamentos. En la industria de cosméticos se

ha encontrado que la lacasa sustituye el uso de peróxido de hidrógeno como

agente oxidante en la formulación de productos para el cabello. 49

1.3. GENERALIDADES DEL Trametes pubescens

1.3.1. Clasificación del Trametes pubescens

La especie Trametes pubescens (CBS 696.94) es un hongo de putrefacción

blanca, el cual es considerado como uno de los principales productores de lacasa,

así como los hongos del género Trametes.50 El Tramets pubescens está

clasificado dentro de la división basidiomicetes51, los cuales se caracterizan por

ser tabicados y reproducirse asexualmente por conidios o sexualmente por

basidioporas52

Los hongos en su mayoría son organismos saprofitos que se caracterizan por su

habilidad de descomponer. En especial, los hongos tienen la habilidad de

49 Ibíd. 50 Osma J.F, Toca Herrera J.L, Rodríguez Couto S. Banana skin: A novel waste for laccase production by Trametes pubescens under solid-state conditions. Application to synthetic dye decolouration, Dyes and Pigments, Volume 75, Issue 1, 2007, Pages 32-37 51 Galhaup C., Wagner H., Hinterstoisser B., Haltrich D.. Increased production of laccase by the wood-degrading basidiomycete Trametes pubescens. Enzyme and Microbial Technology, Volume 30, Issue 4, 16 April 2002, Pages 529-536 52 Koneman E.W., Roberts G.D. Micología Práctica de Laboratorio (N.G. Meeroff & M.R. Iglesia, Trads.). Buenos Aires, Argentina: Editorial Médica Panamericana, 1987. (Trabajo original publicado en 1985). 83 p.

Page 38: Tesis Pedro Ramirez

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26

descomponer la celulosa en los tejidos leñosos, los cuales están compuestos en

un 40-60% de celulosa, un 10-30% de hemicelulosa y 15-30% de lignina. 53

Los hongos de putrefacción blanca se caracterizan por atacar la celulosa y la

hemicelulosa en forma simultánea con la degradación de lignina, la cuál se torna

más pálida y más fibrosa hasta que es removida. Lo anterior hace que las paredes

del xilema de los vegetales se angosten destruyendo la estructura del vegetal.

Entre estos hongos se incluye cientos de especies del género Agaricus y Poliporus

(a parte del género Trametes). El Coriolus versicolor es uno de los más eficientes

logrando descomponer cerca del 90% de la lignina en la mayoría de los téjidos

leñosos.54

1.3.2. Actividad Lignolítica de Hongos de Putrefacción Blanca

Los microorganismos cuya fuente de carbono y nitrógeno corresponde a tejidos

leñosos tienen la limitación de la lignina para poder acceder a los polisacáridos de

celulosa y hemicelulosa. Sólo algunos grupos de microorganismos presentan

actividad lignolítica debido a que la lignina (Figura 9) es un polímero aromático

muy irregular que es difícil de degradar. Entre los microorganismos que

sobresalen por su actividad lignolítica, se encuentran los hongos de putrefacción

blanca. Las enzimas que participan en el proceso de degradación de la lignina en

53 Ingold C.T. Hudson H.J. The Biology of fungi, 6ed. London: Chapman & Hall, 1993. 146-147 p. 54 Ibíd. 147 p

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27

los hongos de putrefacción blanca son la lignin peroxidasa (LiP), la manganeso-

dependiente peroxidasa (MnP) y la lacasa. 55

Figura 9. Monómero de la lignina56.

La especie Phanerochaete chrysosporium ha sido estudiada de forma extensiva

para entender los requerimientos fisiológicos de la ligninólisis. Se observa que la

ligninólisis sólo ocurre cuando otras fuentes de carbono, azufre y nitrógeno fáciles

de degradar están disponibles, por ende el proceso ocurre cuando ha pasado la

fase primaria del crecimiento. En el caso del P. chrysosporium , las enzimas

responsables de la actividad lignolítica son principalmente la LiP y la MnP y

algunas oxidasas que producen peróxido de hidrógeno, pero no la lacasa. La LiP

retira un electrón de la parte no fenólica de la molécula de lignina creando un

radical libre que inicia una serie de oxidaciones aleatorias que terminan en la

oxigenación y rompimiento de la cadena polimérica de la lignina. En cuanto a la

MnP, esta funciona oxidando el Mn(II) a MN(III), haciendo que el catión +3 del

manganeso actúe como mediador de bajo peso molécular que permite llegar a

zonas remotas de la lignina. La Figura 10 muestra de forma simplificada el

55 Field J. Jong E. Gumersindo F, de Bont J. Screening for lignolityc fungi applicable to the biodegradation of xenobiotics. Trends in Biotechnlogy 1993, 11:44-49. 56 Ibíd.

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28

mecanismo de ligninólisis de la especie P. chrysosporium, se incluye la

participación del alcohol veratryl, el cual es un producto sintético de novo® que

estabiliza la LiP previniendo la inactivación por la producción de peróxido.57

Figura 10. Actividad lignolítica en la especie P. chrysosporium58

Kirk y Nakatsubo (1983) explican de forma detallada el mecanismo de reacción de

la degradación del diarylpropane-1,3-diol (compuesto principal de la lignina) por

medio de la LiP de P. chrysosporium . En la reacción interviene el rompimiento de

la cadena del radical propano, rompiendo el enlace Cα-Cβ de la unidad estructural

de la lignina (Figura 11). Yolota et al. (1990) demuestran que en la especie

Coriolus versicolor la lacasa cumple la función de la LiP en el rompimiento del

mismo enlace59.

Kawai et al. (1988) encontraron que el 4,6-butylguaiacol (intermediario en la

degradación de la lignina) es degradado por medio de la lacasa del C. versicolor

hasta un producto de cadena abierta, proponiendo el mecanismo de la Figura 12.

57 Ibíd. 58 Ibíd 59 Higuchi T. Biodegradation mechanism of lignin by white-rot basidiomycetes. Journal of Biotechnology, Volume 30, Issue 1, July 1993, Pages 1-8

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29

Estos estudios, en conjunto con los realizados con la LiP muestran que estas

enzimas intervienen en el proceso de degradación inicial de la lignina en los

basidiomicetos de putrefacción blanca.60

Figura 11. Mecanismo de reacción de degradación de 1,2-diarylrpopane-1,3-diol

por medio de la LiP de la especie P. chrysosporium61

Figura 12. Mecanismo de degradación del 4,6-di-t-butylguaiacol por

medio de lacasa de C. versicolor62

Especies de putrefacción blanca como el T. versicolor63 y el T. pubescens64 liberan

lacasa en mayor proporción que otras enzimas extracelulares, mostrando que la

lacasa de estos hongos participan en la decoloración de la lignina en los tejidos

leñosos. En el T. pubescens, las distintas multiformas de la lacasa cumplen dos

60 Ibíd. 61 Ibíd. 62 Ibíd. 63 Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16, pp. 3512-3520, 1999 64 Galhaup C. Haltrich D. Enhaced formation of laccase activity by the white-rot fungus Trametes pubescens in the presence of copper. Appl Microbiol Biotechnol (2001) 56: 225-232

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30

funciones, la primera es la degradación de la matriz de lignina en los tejidos

leñosos y la segunda es la polimerización y condensación de los productos tóxicos

que provienen de la descomposición de la lignina65. Sin embargo, el mecanismo

de producción y de catálisis de la lacasa no ha sido explicado de la misma forma

que el de la LiP de P. chrysosporium

1.3.3. Trametes pubescens como Productor de Lacasa

Distintas especies de hongos y plantas producen lacasa, sin embargo, no todas

las especies producen la enzima en alta proporción; por tal razón los estudios

actuales están orientados a encontrar las especies que producen la enzima en

proporciones considerables y las especies capaces de asimilar los inductores de la

enzima. Entre estas especies Galhaup et al. (2001) afirman que el hongo de

putrefacción blanca Trametes pubescens es un productor de lacasa sobresaliente,

aunque los estudios realizados con esta especie aún están en desarrollo.66

Galhaup et al. (2001) afirma que la especie T. pubescens se desempeña mejor

que especies como el T. versicolor que han sido estudiadas con mayor frecuencia

para la producción de lacasa. Sin embargo, tanto el T. pubescens como las otras

especies productoras de lacasa muestran que el contenido de lacasa en su líquido

extracelular es muy bajo a menos de que se induzca a la formación de la enzima.

65 Shleev S., Nikitina O., Christenson A., Reimann C., Yaropolov A., Ruzgas T., Gorton L. Characterization of two new multiforms of Trametes pubescens laccase. Bioorganic Chemistry 35 (2007) 35–49 66 Ibíd.

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31

Por tal razón, se encuentra que las especies cultivadas en medio a base de

glucosa no muestran formación de la enzima. Se estudia entonces el efecto de la

adición de cobre a distintas especies para estudiar la asimilación de éste por parte

de los microorganismos y su efecto en la producción de la enzima, encontrando

que el género Trametes corresponde a las especies que más producen lacasa

(Figura 13).67

Figura 13. Producción de lacasa por parte de hongos de putrefacción blanca en

medio de glucosa con adición de cobre.68

Otro aspecto que ha sido estudiado en la producción de la enzima es el periodo

del metabolismo en el que los hongos de putrefacción blanca producen la enzima.

Wong et al. (1999) verifican experimentalmente que el T versicolor produce la

enzima mayormente en la fase de crecimiento estacionario, cuando las fuentes de

carbono como la glucosa se han agotado. Por lo tanto, la enzima se produce

principalmente como metabolito secundario. En la Figura 14 se observa que a

medida que la glucosa se agota, la producción de lacasa se incrementa a más o

menos a 20 U/L, una vez el hongo ha llegado a la fase estacionaria de su

67 Ibíd. 68 Ibíd.

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32

metabolismo y se ha agotado la glucosa, la concentración de lacasa en el líquido

de cultivo alcanza las 100 U/L. También se observa que el contenido de biomasa

se estabiliza cuando se agota la glucosa, mostrando que el crecimiento del hongo

es sensible a este compuesto. La actividad de lacasa sigue incrementándose

hasta un valor máximo, donde tanto ésta como la biomasa comienzan a

disminuir.69

El caso descrito en la Figura 14 se aplica también para el T. pubescens. De

hecho, Galhaup et al. (2001) muestran que a pesar que el cobre tiene un efecto

muy marcado hacia la inducción de la enzima en los cultivos del T. pubescens, la

mayor producción se da en la etapa estacionaria del crecimiento del hongo. Otro

estudio realizado en el 2002 por el mismo grupo de investigación investiga más a

fondo el efecto del agotamiento de la glucosa en el incremento de la producción de

lacasa de T. pubescens. Estos autores encontraron que al alimentar la glucosa al

cultivo en forma semi batch, de manera que el contenido de glucosa siempre se

mantiene en un nivel bajo, la actividad de lacasa alcanza las 740000 U/l,

demostrando que la producción de lacasa es estimulada por el agotamiento de

fuentes de carbono70.

69 Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16, pp. 3512-3520, 1999 70 Galhaup C., Wagner H., Hinterstoisser B., Haltrich D. Increased production of laccase by the wood-degrading basidiomycete Trametes pubescens. Enzyme and Microbial Technology, Volume 30, Issue 4, 16 April 2002, Pages 529-536

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33

Figura 14. Relación entre el contenido de glucosa, biomasa y actividad de

lacasa en cultivos de la especie T. versicolor71

La especie Trametes pubescens también ha sido evaluado con residuos como la

cáscara de banano72 y la cáscara de mandarina73. En el caso de la cáscara de

banano, los autores reportan una actividad de lacasa de 1570 U/L, sin necesidad

de utilizar suplementos de cobre u otros compuestos que tradicionalmente se han

utilizado para inducir a la producción de la enzima. En el caso de la mandarina,

ésta por sí sola produce un máximo de 228 U/l en un cultivo con medio basado en

glucosa y el hongo inmovilizado en una malla de acero inoxidable. Estos

resultados muestran que residuos agroindustriales promueven a la producción de

lacasa de T. pubescens (De la misma forma que los residuos de semillas de uva

en la especie T hirsuta, ver Sección 1.2.3), lo cual es una alternativa prometedora

para reducir los costos en la producción de la enzima.

71 Ibíd. 72 Osma J.F, Toca Herrera J.L. Rodríguez Couto S. Banana skin: A novel waste for laccase production by Trametes pubescens under solid-state conditions. Application to synthetic dye decolouration. Dyes and Pigments, Volume 75, Issue 1, 2007, Pages 32-37 73 Osma J.F., Saravia V., Toca Herrera J.L. Rodríguez Couto S. Mandarin peelings: The best carbon source to produce laccase by static cultures of Trametes pubescens. Chemosphere, Volume 67, Issue 8, April 2007, Pages 1677-1680

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34

Shleev et al. (2007) muestra una caracterización de algunas multiformas de la

lacasa de T. pubescens. Las multiformas de esta especie muestran similitudes con

las de otras especies de hongos de putrefacción blanca en cuanto a su contenido

de carbohidratos y su peso molecular (Tabla 3). Tan sólo en unas pocas

multiformas, se puede observar la gran variabilidad en los pesos moleculares,

puntos isoeléctricos y rangos de pH que hacen que la lacasa sea una enzima muy

versátil y que abre las probabilidades de intervenir en muchas más reacciones que

las que se han estudiado hasta el momento.

Tabla 3. Algunas características de lacasas de Trametes74

Lacasa

MW (kDa)

pI

pH-Optimo

Carbohidratos [%]

Trametes pubescens 67 5,3 4,0 - 4,5 13 LAC1 Trametes pubescens 67 5,1 4,0 - 4,5 13 LAC2 Trametes pubescens 65 2,6 3,0 - 4,5 18 LAP2 Trametes C30 63 3,6 4,5 - 5,0 12 LAC1 Trametes C30 65 3,2 5,5 - 6,0 12 LAC2 Trametes C30 65 4 5,5 - 6,0 LAC3

1.4. TÉCNICA DE FERMENTACIÓN EN ÉSTADO SÓLIDO (SSF)

1.4.1. Generalidades de la técnica

La fermentación en estado (SSF) sólido es una técnica de gran impacto en las

industrias farmacéutica y agrícola, además de ser de interés actual las

74 Shleev S., Nikitina O., Christenson A., Reimann C., Yaropolov A., Ruzgas T., Gorton L. Characterization of two new multiforms of Trametes pubescens laccase. Bioorganic Chemistry 35 (2007) 35–49

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35

exploraciones en otros campos de aplicación. Se define como el crecimiento de

microorganismos en ambientes húmedos con cantidades de medio líquido muy

pequeñas o inclusive ausentes. La fermentación en estado sólido es un

procedimiento similar a la fermentación en estado sumergido (SmF), pero con

cantidades de medio líquido superiores; sin embargo, se han encontrado distintas

ventajas que favorecen el uso de la técnica en estado sólido. En el caso del

empleo de la técnica en estado sólido con hongos se utiliza la abreviatura FSSF;

esta sección está principalmente enfocada a la aplicación de la técnica a hongos.75

Un procedimiento general para la fermentación en estado sólido es descrito por

Gowthaman et al. (2001) y se describe a continuación:76

- Preparación del Inóculo, donde las esporas generalmente alcanzan el

sustrato real.

- Preparación del sustrato, que incluye la reducción de tamaño, la adición de

nutrientes y el ajuste de pH.

- Autoclavado o esterilizado de los medios para fvorecer el crecimiento

bacteriano.

- Inoculación del medio sólido húmedo.

- Inoculación bajo condiciones favorables y fáciles de llevar en un sistema de

reactor.

75 Gowthaman M.K., Krisma C. Moo-Young M. Fungal solid state fermentation. En Khachatourians G.G. (Ed) Applied Mycology and Biotechnology, 2001. 528 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library 76 Ibíd.

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36

- Secado de los sólidos y extracción de los productos.

- Pasos finales de filtración, concentración/purificación.

La técnica de fermentación en estado sólido ha mostrado gran aplicabilidad en la

producción de enzimas con fines industriales. En especial, la técnica se podría

emplear en procesos donde el extracto de los cultivos se puede usarse

directamente sin etapas de purificación77.

1.4.2. Factores que Influyen en el Proceso

En la SSF hay factores que influyen en el uso y la aplicabilidad de la técnica. El

tipo de inoculo, ya sea esporas o células vegetales influyen en la facilidad del

almacenamiento de los inóculos y la resistencia a errores en el manejo de éstos.

Los inóculos de micelios tienden a favorecer el contenido proteico debido a la

disponibilidad inmediata de enzimas necesarias para el crecimiento. En la técnica

también influye la densidad del inóculo.78

Otro factor importante es el nivel de humedad, la cual determina que tan accesible

es el medio para el hongo. Un óptimo nivel de humedad debe mantenerse, debido

a que la baja humedad tiende a desfavorecer la difusión de nutrientes al

microorganismo y por ende inhibe el crecimiento del microorganismo, asi como

77 Pandey A., Selvakumar C. Poonam N. Solid State Fermentation for the production of industrial enzymes. School of Applied Biological and Chemical Science, University of Ulster, Coleraine BT52 1 AS, N. Irelan, UK. 78 Gowthaman M.K., Krisma C. Moo-Young M. Fungal solid state fermentation. En Khachatourians G.G. (Ed) Applied Mycology and Biotechnology, 2001. 528 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library

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37

influye negativamente en la estabilidad de la enzima y en la adaptación del

microorganismo al sustrato. Un nivel alto de humedad puede promover el

crecimiento de bacteria, la aglomeración de partícula y limitaciones de

transferencia de oxígeno.79

El pH es otro factor fundamental en el crecimiento de los hongos. Aunque la

mayoría de los hongos filamentosos pueden crecer en un amplio rango de pH, de

2-9 siendo el rango óptimo de 3.8–6, el objetivo es aprovechar está características

de los hongos para evitar el crecimiento bacteriano, por lo que la tendencia es a

llevar cabo la técnica en los valores de pH mínimos posibles. En varios

experimentos se ha mostrado que pH ácidos del rango entre 3 y 3.5 evitan de

forma efectiva la contaminación bacteriana. Sin embargo, cabe recordar que la

naturaleza de la técnica hace casi imposible controlar el pH, debido a que el

sistema es altamente heterogéneo, lo cual no es el caso de la SmF de tres fases.80

La temperatura es el factor más importante en la FSSF, ya que a pesar que los

hongos pueden crecer en un rango amplio de temperatura (20 – 55º C), se debe

evitar la presencia de gradientes de temperaturas generados por la generación de

calor en el proceso. También se debe mantener aireado el sistema y evitar alto

contenido de humedad en el aire ya que el proceso es altamente aeróbico. Estos

problemas de transferencia de calor al sistema se convierten en un factor

importante entre mayor sea la escala del proceso.81

79 Ibíd. 80 Ibíd. 81 Ibíd.

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38

1.4.3. Microorganismos Utilizados en la SSF y Enzimas Producidas

Diferentes microorganismos son usados en la técnica de fermentación en estado

sólido, entre estos microorganismos se encuentran las bacterias, los hongos

filamentosos y las levaduras y son usados ampliamente para producir diferentes

grupos de enzimas. Entre los hongos mayormente utilizados se encuentran los

Trichoderma y los Aspergillus. La elección de la cepa adecuada para la producción

de una enzima en particular no es una decisión sencilla debido a que un mismo

microorganismo puede producir más de 19 tipos de enzimas y una sola enzima

puede ser producida por más de 28 microorganismos. De forma que la elección de

un microorganismo para un fin en particular depende de la elección conjunta entre

el tipo de microorganismo y las condicines a la que se llevará a cabo la

fermentación82.

Generalmente, las enzimas hidrolíticas como las celulasas, las xilanasas y las

pectinasas son producidas por hongos, ya que éstos las utilizan para su

crecimiento en la naturaleza. Las celulasas han sido producidas por especies del

género Trichoderma y las especies del género Aspergillius describen actividad

hidrolítica. A pesar que las bacterias y las levaduras producen xilanasas, se

prefieren los hongos filamentosos debido a que éstos producen la enzima en

82 Pandey A., Selvakumar C. Poonam N. Solid State Fermentation for the production of industrial enzymes. School of Applied Biological and Chemical Science, University of Ulster, Coleraine BT52 1 AS, N. Irelan, UK

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39

mayor proporción, incluyendo casos en el que las especies producen la enzima sin

presencia de celulasas.83

Las ligninasas son enzimas que participan en el proceso de degradación de la

lignina. Estas enzimas son de particular interés debido a que la lignina es un

polímero muy resistente a la acción microbiana y sólo especies como los

basidiomicetos de putrefacción blanca son hábiles en degradar la lignina. Entre

estas enzimas, las más comunes son las LiP, las MnP y la lacasa84. Las especies

que producen este tipo de enzimas han sido mencionadas en la sección 1.3,

debido a que estas incluyen a la lacasa que es el centro de este trabajo.

Otros tipos de enzimas importantes a nivel industrial son las proteasas, las cuales

ocupan el 60% del mercado mundial. Se ha encontrado reportes de la cepa de A.

Níger como productor de proteasas en SSF. La especie R. oligospora y P. citrinum

también ha sido reportada como productor de proteasas. Las pectinasas,

galactosidasas, glutaminasas, amilasas son otros grupos de enzimas producidas

por SSF, muchas de éstas son producidas por especies del género Aspergillius,

incluyendo modificaciones genéticas de éstas. 85

1.4.4. Sustratos Utilizados en la SSF

Una de las mayores ventajas de la FSSF es la facilidad de los hongos de crecer

en múltiples tipos de sólidos. Pro tal razón la técnica de fermentación en estado

83 Ibíd. 84 Ibíd. 85 Ibíd.

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40

sólido permite el aprovechamiento de residuos agroindustriales sin necesidad de

mayor pretratamiento. Además del aprovechamiento de residuos agroindustriales,

los residuos agroindustriales permiten inducir a los hongos a la producción de

enzimas, debido a que estos residuos tienen compuestos como la lignina, la

celulosa e inclusive pequeñas moléculas de azúcares que no son asimiladas pro el

hongo por sí solos.86

En la escogencia del sustrato para la SSF se debe tener en cuenta el tamaño de

partícula, sobretodo en términos del cociente área/volumen, ya que una alta área

superficial favorece la colonización del sustrato por parte del hongo y la

transferencia de masa de los nutrientes en el medio. Un adecuado tamaño de

partícula también influye en la homogeneidad de las condiciones físicas.87

Se han reportado múltiples residuos agroindustriales usados en la SSF con

distintos microorganismos y para distintos fines. En la lista se encuentran distintos

residuos de provenientes del trigo, el arroz, el maíz, la caña de azúcar, la soya, el

vino de uva, el coco, el banano, el té, el aceite de palma, la manzana, la mostaza,

entre otros88. Encontrando que cada industria puede tener residuos de distinta

naturaleza y por ende con distintos fines para la SSF, como el caso de trigo, cuyos

residuos pueden ser el salvado (el salvado de trigo es el residuo más utilizado en

86 Gowthaman M.K., Krisma C. Moo-Young M. Fungal solid state fermentation. En Khachatourians G.G. (Ed) Applied Mycology and Biotechnology, 2001. 309 - 310 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library 87 Ibíd. 88 Pandey A., Selvakumar C. Poonam N. Solid State Fermentation for the production of industrial enzymes. School of Applied Biological and Chemical Science, University of Ulster, Coleraine BT52 1 AS, N. Irelan, UK

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41

procesos con SSF), la harina, la cascarilla, cada uno ofreciendo compuestos

químicos como la lignina y la celulosa en distintas proporciones.

1.4.5. Ventajas de la SSF sobre la SmF

Como se ha mencionado previamente, la fermentación en estado sumergido

(SmF), ha sido más empleada que la fermentación en estado sólido. Sin embargo,

recientes estudios muestran que la SSF puede llegar a optimizar los procesos de

producción de enzimas. En especial se encuentra que en el caso de enzimas que

son producidas como metabolitos secundaros (caso de la lacasa), la SSF tiene las

siguientes ventajas:89

- Se le permite al micelio penetrar al sustrato sólido de forma más efectiva.

- El escalamiento de cultivos implica el manejo de líquidos no newtonianos

con altas viscosidades. Entre más sumergido se tengan los sólidos, se

tendrá mayor consumo de energía para evitar gradientes de velocidad, de

concentración y de temperatura.

- La calidad del producto generalmente es mayor en la SSF

Los costos de implementar las dos técnicas también han puesto en ventaja a la

SSF sobre la SmF. Targerdy (1996) compara la producción de la celulasa por las

dos técnicas, encontrando que los costos de la SmF son de $ 20/kg, mientras que

89 Gowthaman M.K., Krisma C. Moo-Young M. Fungal solid state fermentation. En Khachatourians G.G. (Ed) Applied Mycology and Biotechnology, 2001. 324 p. Recuperado el 6 de junio de 2007 de la base de datos E-Library

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42

La producción de la enzima por SSF es de $ 0,2/Kg90. Esto demuestra que el

manejo de altos volúmenes de líquido en las fermentaciones con hongos repercute

directamente en los costos de producción, haciendo el proceso incompetitivo.

1.5. DECOLORACIÓN MICROBIANA DE TINTES

1.5.1. Problemática Ambiental

Los tintes sintéticos son utilizados extensamente en la industria. Se producen más

de 10000 tintes con una producción anual de más de 700000 toneladas. Entre el 5

y el 10% de los tintes producidos a nivel industrial son desperdiciados y terminan

en efluentes naturales. Estos tintes son responsables del color, el cual es el primer

contaminante del agua. Cantidades mínimas de tintes entre 10–50 mg/L son

altamente visibles y afectan drásticamente la estética de agua y las propiedades

de ésta como la solubilidad de gases.91 La remoción de contaminantes con color

es más importante que las de los materiales incoloros debido a que estos

repercuten negativamente en la demanda bioquímica de oxígeno (BOD). Los tintes

son difíciles de remover debido a que estos son producidos para resistir la

humedad, el jabón, el agua, la luz y agentes oxidantes.92

90 Pandey A., Selvakumar C. Poonam N. Solid State Fermentation for the production of industrial enzymes. School of Applied Biological and Chemical Science, University of Ulster, Coleraine BT52 1 AS, N. Irelan, UK 91 Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16, pp. 3512-3520, 1999 92 Ibíd.

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43

Los tintes no son susceptibles de forma uniforme al ataque microbiano, debido a

que estos tienen una diversidad de estructuras que hacen que la degradación de

estos no sea sencilla. Entre las múltiples estructuras que poseen los tintes, se

encuentran grupos ácidos, básicos, reactivos, azo, diazo, antraquinónicos, y de

complejos metálicos. Lo anterior hace que lo único que estos tintes tengan en

común es la habilidad de absorber luz en el espectro visible, lo que hace que las

reacciones de degradación de estos compuestos puedan ser monitoreadas con

espectrofotometría.93

Los tintes de la industria textil son de los que acaparan el mayor interés en la

actualidad debido a su potencial toxicidad y a que son cancerigenos. Esto se debe

a que estos compuestos tienen como base la benzidina y otros compuestos

aromáticos. Se ha demostrado que los tintes tipo azo y los basados en nitrógeno

son reducidos en el medio ambiente resultando en aminas tóxicas. Los tintes

antraquinónicos son más resistentes a la degradación debido a que están

compuestos de acoplados de aromáticos que resultan ser altamente resistentes a

la decoloración por altos periodos de tiempo. Los tintes básicos son muy brillantes,

y los basados en complejos metálicos liberan metales altamente carcinógenos al

medio ambiente. Sumado al impacto de los tintes en el medio ambiente, se tiene

también el problema de que muchas de las estructuras químicas de los tintes son

93 Banat I., Nigam P., Singh D. Marchant R. Microbial decolorization of textile-dyecontaining effluents: A review. Bioresource Technology, Volume 58, Issue 3, December 1996, Pages 217-227

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44

desconocidas y la información disponible de éstos (si son dispersos, básicos, etc)

no es relevante al momento de analizar técnicas de remoción del color.94

En Europa y Estados Unidos la legislación cada vez es más estricta en cuanto a la

exigencia a las industrias textiles a remover el color de las aguas de desperdicios

antes de depositar éstas en el ambiente. Por tal razón, las industrias de textiles

han tenido la necesidad de tener dentro de sus facilidades una planta de

tratamiento de aguas residuales. La investigación en técnicas de decoloración son

de interés actual y están más dirigidas al uso de técnicas biológicas, debido a que

además de ser más efectivas, son más limpias, económicas y de fácil uso.95

1.5.2. Métodos de Decoloración

Algunas de las técnicas utilizadas tradicionalmente para la decoloración de tintes

son la floculación físico-química combinada con flotación, electroflotación,

floculación con Fe(II)/Ca(OH)2, filtración por membranas, coagulación

electrocinética, destrucción electroquímica, intercambio iónico, irradiación,

precipitación, ozonización, método Katox (con carbón activado y aire), entre otros

métodos. Sin embargo, estos métodos implican el uso de químicos, la formación

de lodos y la dificultad en el manejo de residuos. Además, muchos de estos

94 Ibíd. 95 Ibíd.

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45

métodos resultan ser costosos y en algunos casos deficientes en la decoloración o

aún peor, en la remoción de compuestos contaminantes96.

Desde 1980 se ha estudiado la degradación de tintes con hongos de putrefacción

blanca como el Phanerochaete chrysosporium. El mecanismo de remoción de

color se le ha atribuido a las enzimas LiP, MnP y a la lacasa (ver Figura 15), las

cuales son las responsables de la actividad lignolítica en este tipo de hongos (ver

seccion 1.3.2). La especie P. chrysosporium ha sido estudiada en la degradación

de compuestos xenobióticos, los cuales son compuestos de estructura aromática

como los PAHs (hidrocarburos aromáticos policíclicos), los fenoles clorinados,

pesticidas TNT, y tintes industriales97. Varios autores han reportado la factibilidad

de algunos hongos para decolorar ciertos tintes industriales, como se resume en la

Tabla 4.

Tabla 4. Degradación de tintes por parte de hongos98.

Especie

Tinte/ Concentración

Remoción/ tiempo

Mecanismo

Referencias

Aspergillus sojae B-10

Amaranth (10 mg/1) 97.8% (5 days) No reportado

Ryu & Weon (1992)

Sudan III (10 mg/l) 97.4% (5 days) No reportado

Congo Red (10 mg/l) 93.0% (5 days) No reportado

Myrothecum verrucaria

Orange II (200 mg/1) 70.0% (5 h) Adsorción

Brahimi-Horn et al. (1992)

10B (Blue) (200 mg/1) 86.0% (5 h) Adsorción

RS (Red) (200 mg/l) 95.0% (5 h) Adsorción

Myrothecum sp.

Orange II (100 mg) 25-91% (24 h) Adsorción Mou et al. (1991)

96 Ibíd. 97 Ibíd. 98Adaptado de Ibíd.

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10B (Blue) (200 mg/l) 58-98% (24 h) Adsorción

RS (Red) (100 mg/1) 81-98% (24 h) Adsorción

Neurospora crassa

Vermelho Reanil P8B (16-32 mg/1) 89-91% (24 h) Adsorción

Corso et al. (1981)

Pycnoporus cinnabarinus Efluente industrial 90% (3 días)

Oxidasas extracelulares

Schliephake et al. (1993)

Trichoderma sp. Efluente Industrial 85% (3 días) Enzimas lignolíticas

Prasad & Joyce (1991)

Candida sp. Procyon Black SPL (100 mg/1) 93.8% (2 h) Adsorción

De Angelis & Rodrigues (1987)

Procyon Blue MX2G (100 mg/l) 96.8% (2 h) Adsorción

Procyon Red HE7B (100 mg/l) 98.9% (2 h) Adsorción

Procyon Orange HER (100 mg/I) 96.8% (2 h) Adsorción

Como se observa en la Tabla 4, los hongos tienen distintas formas de degradar o

de remover los tintes. Algunos actúan adsorviendo el color y acumulándolo y otros

degradándolo por medio de enzimas extracelulares. Field et al. (1993) se centra

en los organismos con actividad lignolítica para degradar tintes, aparte del

mencionado P. chrysosporium, se encuentran las especies Trametes versicolor,

Trametes hirsuta y demas hongos de putrefacción blanca que son capaces de

degradar compuestos como los mostrados en la Figura 15.

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47

Figura 15. Algunas estructuras de compuestos xenobióticos.99

1.5.3. Tintes que Decolora la Lacasa

Wong et al. (1999) muestran que la lacasa de T. versicolor es capaz de degradar

tintes de naturaleza distinta. A pesar que los tintes tipo antraquinónicos son los

sustratos de la enzima debido a que muestran correspondencia con el modelo de

Michaelis Menten, el líquido extracelular del cultivo contiene otros metabolitos

capaces de degradar tintes de distintas estructuras químicas (ver sección 1.2.4).

Entre lo reportado por el autor, la lacasa del T. versicolor es capaz de degradar

tintes antraquinónicos, índigos y azo, cuyas estructuras químicas se muestran en

la Figura 16.

99 Field J. Jong E. Gumersindo F, de Bont J. Screening for lignolityc fungi applicable to the biodegradation of xenobiotics. Trends in Biotechnlogy 1993, 11:44-49.

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48

Figura 16. Tintes degradados por líquido extracelular de T. versicolor. Acid

Green 27 (antraquinónico), Acid Violet (azo) e Indigo Carmine (índigo)100

Las estructuras químicas de los tintes de la Figura 15 y de la Figura 16 tienen

similitudes en tanto que están formadas por anillos aromáticos. Esto podría

permitir que la lacasa sea utilizada para una alta gama de compuestos

xenobióticos. Field et al. (1993) reporta la habilidad de la enzima de degradar

clorofenoles (con uno o más radicales de cloro), clorometoxifenoles,

cloroguaiacoles, clorocatecoles.101 Esto muestra el alto potencial que tiene la

lacasa dentro de una amplia gama de compuestos, justificando las múltiples

aplicaciones que tiene actualmente y dejando campo a aplicaciones futuras.

Osma et al. (2006) muestra que la lacasa de T. pubescens, aplicada directamente

sin purificar, es capaz de degradar dos clases de tintes de diferentes estructuras

químicas, En el estudio se demuestra que el tinte antraquinónico Remanzol

Brilliant Blue puede ser degradado en un 40,9% en un tiempo de 4 horas y que el

tinte Methyl Green, de estructura de trifenilmetano, es degradado en un 23,2% en

100 Ibíd. 101 Ibíd.

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49

4 horas. Los autores comparan la degradación de estos tintes con la enzima

comercial, encontrando que para el caso del tinte antraquinónico, el extracto del

cultivo de T. pubescens se desempeña mejor y en el otro se desempeña de forma

similar, mostrando que esta especie tiene potencial en la degradción de tintes de

distinta naturaleza química. Las estructuras químicas de los compuestos de

muestran en la Figura 17.

Figura 17. Tintes degradados por lacasa de T. pubescens.

Remanzol Brill iant Blue (izquierda). Methyl Green (derecha).

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50

2. CONSIDERACIONES PRELIMINARES

2.1. RESIDUOS AGROINDUSTRIALES

2.1.1. De Industria del Aceite de Palma.

Los residuos más comunes del proceso de la extracción de la palma son

conocidos como fibra, tusa y cuesco (Figura 18). La tusa resulta de la primera

etapa de extracción del aceite de palma, la cual resulta de pasar el racimo de

frutos por unos rastrillos que retiran al máximo los frutos; sin embargo, en este

residuo queda mucha pulpa del fruto remanente. Una vez se extraen los frutos, el

aceite crudo se extrae pro compresión dejando un bagazo de donde se obtiene las

almendras de palmiste como se mencionó previamente y el remanente es el

material exprimido del fruto que se denomina fibra. El cuesco es la cobertura de la

semilla de la palma y es el residuo de aspecto más rígido y menos propenso a

descomponerse102. De los tres residuos de la palma, se escogióuno sólo basado

en la primera etapa del proyecto, la cual fue la caracterización en cuanto a

contenido de lignina y celulosa (Ver sección 4.1). A continuación se muestra un

breve contexto de la industria de palma y su impacto en la economía colombiana.

102 García Nuñez, J.A. Cenipalma, Bogotá. Conversaciones personales. Febrero de 2007.

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51

Figura 18. Residuos de la extracción del aceite de palma y palmiste. Tusa

(izquierda), fibra (centro), cuesco (derecha)103

La palma de aceite es un árbol de origen africano y crece en climas tropicales

cálidos por debajo de 500 metros sobre el nivel del mar. El nombre científico de la

palma es Elaeis guineensis Jacq; coloquialmente conocida como palma africana

de aceite. En Colombia, la palma fue introducida en 1932, pero hasta 1942

comienza su uso comercial. Hoy en día los cultivos de palma africana en el país

alcanzan las 270.000 hectáreas, colocándolo como el primer productor de palma

en Latino América y el cuarto productor mundial de aceite de palma. 104

Los frutos del aceite de palma se arreglan en forma de racimos (Figura 19) de 10 a

40 kilogramos, los cuales pasan de un color violeta oscuro a un color naranja

vistoso al madurar los frutos. Cada fruto posee una sola semilla denominada

palmíste que está protegida por una almendra rígida conocida como cuesco. El

procesamiento del fruto de la palma consta de dos etapas, la extracción del aceite

crudo de palma y de las almendras o del palmiste. Del primer proceso se obtiene

un bagazo de donde se recuperan las almendras, las que posteriormente se

someten a impacto para retirar el palmíste. Del palmíste se obtiene el aceite de

palmíste y la torta de palmíste y del fraccionamiento del aceite de palma se

103 Fuente: Elaboración propia. Residuos donados por Cenipalma, Bogotá D.C. Febrero de 2007. 104 FEDEPALMA: Recuperado el día 15 de junio de: http://www.fedepalma.org/palma.htm

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52

obtiene la oleína y la estearina de la palma, de los cuales se extraen oleoquímicos

como margarinas, jabones, entre otros.105.

Figura 19. Racimos de la palma africana106.

El aceite de palma con fines alimenticios es el segundo aceite más consumido en

el mundo. Sin embargo, estudios recientes se orientan a producir múltiples

productos a partir de este aceite, los cuales se denominan productos

oleoquímicos, entre los que se encuentran los ácidos grasos, ésteres grasos,

alcoholes grasos, compuestos de nitrógeno graso y glicerol, elementos esenciales

en la producción de jabones, detergentes, lubricantes para pintura, barnices,

gomas y tinta107.

2.1.2. De Industria de Caña de Azúcar

El residuo que se utiliza de la industria de la caña es el bagazo de caña de azúcar,

que resulta de la extracción del “jugo o guarapo” de la caña de azúcar. La Figura

20 muestra el aspecto del bagazo después de la extracción del azúcar.

105 Ibíd. 106 Ibíd. 107 Ibíd.

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53

Figura 20. Bagazo de caña de azúcar (zona de Santander, Colombia)108

Así como la industria del aceite de palma, la industria del azúcar caña ha

encontrado nuevas aplicaciones del proceso obteniendo subproductos de interés

similar al del producto principal. Incauca S.A. tiene un proceso que consta de tres

pasos, el cultivo, la cosecha y la transformación de la caña de azúcar en azúcares,

alcohol y sus derivados. El bagazo de caña, a pesar de ser residuo de este

proceso, es utilizado actualmente para obtener bioetanol que sirve como

combustible industrial109. En el ámbito mundial, Colombia es el séptimo productor

de caña de azúcar110.

2.1.3. De Industria del Café

El residuo utilizado de la industria de café es la cáscara de café. Es bien sabido

que el café es un fruto, pero el producto se obtiene de la semilla, dejando como

residuo principal la cáscara. Existen múltiples variedades de café, de acuerdo a la

108 Fuente: Elaboración propia. Residuos adquiridos personalmente. 109 Incauca S.A. Recuperado el día 15 de junio de: http://www.incauca.com/ 110 Organización de las Naciones Unidas Para la Agricultura y Alimentación. Recuperado el día 11 de octubre de 2006 de: http://www.fao.org/es/ess/top/commodity.html?lang=es&item=489&year=2005

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zona del país, a la resistencia a microorganismos y a otros factores.111 El café

adquirido es Variedad Colombia de la zona de Santander y debido a que la

cáscara se descompone muy rápido, fue adquirido en forma de cereza y

despulpado manualmente (Figura 21).

Figura 21. Cáscara de café variedad Colombia112.

Colombia es el cuarto productor de café a nivel mundial según la

ONU113.Colombia actualmente tiene más de 300.000 hectáreas cultivadas de café

y se estima que produce entre 10 y 12 millones de sacos al año. El esfuerzo de

Cenicafé, ente investigativo de la Federación Nacional de Café de Colombia, ha

sido orientado hacia el ahorro de agua en el proceso de producción del café,

desarrollando el método Becolsub que reduce el uso de agua de 40 l/kg a 0,6 l/kg.

El proceso de extracción de la semilla de café consta de tres pasos: despulpado,

111 Canicafé. Recuperado el día 15 de junio de: http://www.cenicafe.org/modules.php?name=Variedades_de_Cafe. 112 Fuente: Elaboración propia. Residuos adquiridos personalmente. 113 Organización de las Naciones Unidas Para la Agricultura y Alimentación. Recuperado el día 11 de octubre de 2006 de: http://www.fao.org/es/ess/top/commodity.html?lang=es&item=489&year=2005

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desmucilaginado y lavado. Del despulpado es que se obtiene la cáscara que es

distinta al mucílago, que es otro residuo de la producción de café114.

2.2. TINTES INDUSTRIALES Y ENZIMA COMERCIAL

2.2.1. Novozymes Suberase®

Suberase® es un producto de Novozymes y fue donado pro Coldanzimas S.A.,

Bogotá D.C. La enzima es obtenida por medio de fermentación en estado

sumergido con una especie genéticamente modificada de Aspergillus oryzae. La

enzima es purificada y preservada para distribuirla en estado líquido.115

2.2.2. Tintes Hunstman®

Los tintes fueron donados a través de Hunstman S.A., Bogotá D.C. La Tabla 5

describe de forma breve estos tintes.116

114 Cadena G. DESARROLLOS CIENTÍFICOS DE CENICAFÉ EN LA ÚLTIMA DÉCADA Recuperado el día 15 de junio de: http://www.accefyn.org.co/PubliAcad/Periodicas/Volumen29/110/08_89_100.pdf. 115 Ficha de Datos del Producto de Novosymes®. Suberase®. Válido a partir de febrero 17 de 2007. Novozymes Latin America Ltda. 116 Hojas Datos de seguridad de Hunstman Textile Effect. Códigos de productos: Negro Super 1907610. Negro Teransil 1258983. Azul Teransil 1486814

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Tabla 5. Datos suministrados por Hunstman S.A de los tintes industriales.

Nombre

Tipo CAS Nombre Sistemático Estructura Porcentaje

Negro Super

Azo 17095-24-8 4-amino-5-hidroxi-3,6-bis[[4-[[2-(sulfonatooxi)etil] sulfonil]fenil]azo]naftaleno-2,7-disulfonato de tetrasodio

70-80%

Azo 481066-69-7

Disodium 3,5-diamino-2-[(2-sulfophenyl)azo] benzoate, reaction products with diazotized 2-[(4-aminophenyl)sulfonyl]ethyl hydrogen sulfate,sodium salts

No especificada 8-12%

Azo 577954-20-2

2-Naphthalenesulfonic acid, 7-amino-4-hydroxy-8-[[2-sulfo-4-[[2-(sulfooxy)ethyl]sulfonyl]phenyl]azo]-, potassium sodium salt, coupled with diazotized 2-[(4-amino-5-methoxy-2-methylphenyl)sulfonyl]ethyl hydrogen sulfate

No espedificada 20-30%

Negro Teransil

Azo 13301-61-6 ((4-((2,6-Dicloro-4-nitrofenil)azo)fenil)etilamino) ropanonitrilo

Azul Teransil

Antraqui- nónico

No específicado

No especificado No especificado -

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57

3. METODOLOGÍA Y DISEÑO EXPERIMENTAL

3.1. MATERIALES

Los materiales utilizados en este trabajo son:

Microorganismo: Trametes pubescens (CBS 696.94). Donado por el grupo BBG de

la Universitat Rovira i Virgili.

Otro material donado: Negro Super, Negro Teransil y Azul Teransil de Hunstman®.

Donados por Hunstman Colombia, 2007. Suberase®, donado pro Coldanzimas,

2007.

Residuos agroindustriales: tusa, fibra y cuesco de palma (Ver Sección 502.1.1),

donados por Cenipalma, 2007. Cáscara de café variedad Colombia y bagazo de

caña de azúcar, adquiridos de la región rural de Suaita, Santander.

Insumos: ABTS (Sigma A-1888), ácido succínico, acido sulfúrico industrial 98%,

dicromato de Potasio, hidróxido de Sodio, sulfato amónico ferroso. Ferroína, medio

mínimo de glucosa y sales, insumos para electroforesis en gel SDS-page.

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Equipos: Espectrofotómetro Varian, Carry 50. Departamento de Ingeniería

Química, Universidad de Los Andes.

3.2. METODOLOGÍA

3.2.1. Caracterización de Residuos

En esta etapa del proyecto se tiene un sólo factor categórico correspondiente al

tipo de residuo con cinco niveles correspondientes a la fibra, el cuesco, la tusa, la

cáscara de café y el bagazo de caña. Las respuestas son la humedad, el

contenido de lignina, el contenido de hemicelulosa, el contenido de solubles en

agua y el contenido de solubles en alcohol-benceno. Todos los ensayos se

realizan por triplicado y se reportan como el promedio más o menos la desviación

estándar. Estas pruebas se realizaron en conjunto con Claudia Loboguerreo.

Reducción de tamaño:

Las muestras de palma y bagazo fueron reducidas en tamaño en un molino

rotatorio CONDUX D640. Para poder ser introducidas al molino, estas muestras se

esterilizaron con formaldehído (10:1 agua-formaldehído) y secadas a 100 º C por 2

h. El cuesco fue tamizado y se tomó lo que se retuvo en la malla 100 (150 micras),

que corresponde a la almendra del fruto de palma. Lo que retienen las mallas 60 y

40 son fibrillas y otros residuos que no son cuesco. Todos los análisis

subsecuentes se realizan a partir de las muestras tratadas.

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Determinación de humedad:

La humedad fue detectada en un montaje con reactivo Karl Fisher® modelo DV

400, acoplado a sistemas de adquisición de datos. Este artefacto realiza la

titulación de la humedad y reporta un volumen de reactivo de Karl Fisher

consumido por el agua de humedad de la muestra. El aparato se calibra con agua

para saber la relación entre miligramos de agua y mililitros de Karl Fisher y así

determinar el contenido de humedad de la muestra.

Determinación de lignina:

La lignina es un constituyente de la pared celular, es un polímero amorfo que

contiene grupos metoxilos e hidróxidos. La lignina se determina de acuerdo al

método de Klason, donde se exponen aproximadamente 2 gr. de muestra a ácido

sulfúrico 24 N., se deja a 20º C. durante 2 horas y se llevan a calentamiento con

reflujo por 4 horas. El residuo de la digestión es la lignina, único compuesto que

resiste el ácido sulfúrico (Rodríguez de Cáceres L. 1978).

Determinación de hemicelulosa:

La celulosa es un polisacárido resultante de la unión de monómeros de glucosa.

Esta ha sido clasificada arbitrariamente en alfa, beta y gamma celulosa de

acuerdo a como son cuantificadas experimentalmente. La beta y gamma celulosa

en conjunto conforman la hemicelulosa, o celulosa de menor cadena (TAPPI

Standards, 1968).

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60

La hemicelulosa se determinó de acuerdo al método diseñado por Cross Bevar.

Una muestra de aproximadamente 2 gr. se disuelve en 100 ml. de NaOH al 17.5%

y al cabo de 30 min. se agrega 100 ml. de agua destilada. Se filtra la solución

anterior y se toma 25 ml. del filtrado, se agrega 10 ml. de dicromato de potasio 0.5

N. y 90 ml. de ácido sulfúrico 24 N. Después de 15 min., se agrega 50ml. de agua

destilada y 2-4 gotas de ferroína. La solución resultante se titula con sulfato

amónico ferroso 0.1 N. hasta color púrpura. Por aparte, se realiza un blanco

sustituyendo el filtrado por 12.5 ml. de NaOH al 17.5% y 12.5 ml. de agua, el

volumen para los cálculos es la diferencia entre el volumen de la titulación del

filtrado menos la titulación del blanco (Rodríguez de Cáceres L. 1978).

Determinación de solubilidad en agua:

La solubilidad en agua permite tener un estimado del contenido de sales

orgánicas, azúcares, gomas, pectinas, porciones de taninos y pigmentos. Esta

prueba se realizó tomando 2 gr. de la muestra, se agrega 300 ml. de agua

destilada y se deja por 48 h. Se pesa el residuo y por diferencia se conoce los

solubles (Rodríguez de Cáceres L. 1978).

Determinación de solubilidad en alcohol benceno:

El contenido de solubles en alcohol-benceno es una medida de la cantidad de

ceras, grasas, resinas, aceites, colorantes orgánicos (clorofila), taninos y gomas.

Se determina mediante un equipo de extracción soxlet, colocando 2 gr. de muestra

en un dedal de extracción y en el matraz del extractor 150 ml. de mezcla 3: 1

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61

benceno-alcohol, al cabo de 5 horas se retira la muestra y se determinan los

solubles por diferencia (Rodríguez de Cáceres L. 1978).

3.2.2. Fermentación en Estado Sólido

Estas pruebas se dividen en dos etapas, La primera etapa es la evaluación de

cultivos con tres residuos. La segunda etapa corresponde a la determinación del

día de máxima producción de lacasa en cultivos con un sustrato escogido en la

primera etapa. La respuesta del experimento en ambos casos es la actividad de

lacasa. En la primera etapa se tiene un factor categórico correspondiente al tipo de

sustrato con tres niveles correspondientes a la cáscara de café, el bagazo de caña

y la fibra de palma. La respuesta en este experimento es la actividad de lacasa y

su valor se toma por duplicado. En la segunda etapa, el factor categórico sólo

tiene el nivel de la fibra que es el sustrato escogido. Los experimentos se realizan

por triplicado. La Tabla 6 muestra el diseño experimental.

Tabla 6. Diseño experimental para primera etapa de la SSF

Factor Clase Niveles Sustrato Categórico Fibra* Bagazo Café

* Residuo seleccionado entre los de la palma

El cultivo en estado sólido se realiza tomando tres plugs de 7mm de la especie T.

pubescens (conservada en agar malta y subcultivada cada dos meses) y se lleva a

un medio de dos fases, la líquida es un medio con mínimo de sales y glucosa y la

sólida es el residuo industrial. Las condiciones en la primera etapa son 3g

sólido/20ml líquido y 25º C y en la segunda etapa son 5g sólido/30ml líquido y 30º

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C117. La actividad de lacasa se determina por medio de espectrofotometría con la

molécula ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acid)) basado en

el método descrito por Niku-Paavola et al. 1990118. Los resultados de la actividad

se expresan en U/l. Para información más detallada de estos procedimientos

consultar la sección de Anexos. (Ver ANEXO 2 y ANEXO 3)

3.2.3. Degradación de Tintes

Esta etapa tiene dos factores categóricos: el tinte y el extracto de la lacasa (T.

pubescens y comercial). La respuesta del experimento es el porcentaje de

degradación.

Se mide el porcentaje de degradación por medio del espectrofotómetro de forma

que el cambio de absorbancia con respecto al tiempo se divide entre la

absorbancia inicial. La tendencia lineal entre la absorbancia y la concentración se

comprobó para el tinte Negro Teransil, único que muestra decoloración.

La concentración del tinte se ajusta de forma que se tenga más de una unidad de

absorbancia a la máxima longitud de onda. Para el Negro Teransil la

concentración inicial es de 91mg/l que corresponde a 1,3 unidades de absorbancia

a 575 nm. (Ver ANEXO 4)

117 Osma J.F, Toca Herrera J.L, Rodríguez Couto S. Banana skin: A novel waste for laccase production by Trametes pubescens under solid-state conditions. Application to synthetic dye decolouration, Dyes and Pigments, Volume 75, Issue 1, 2007, Pages 32-37 118 Ibíd.

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63

Debido a que la decoloración de los tintes en cuestión es muy lenta en

comparación con estudios realizados con tintes analíticos de naturaleza química

similar, se decidió realizar una electroforésis en gel SDS-Page. Este ensayo fue

realizado con el extracto comercial Suberase® y con extracto de T. pubescens, el

cual fue liofilizado para concentrarlo siete veces y resuspenderlo directamente en

buffer de carga. El liofilizador es un equipo LABCOMCO perteneciente al LAMFU

del departamento de microbiología.

Figura 22. Equipo de liofilización. El gel se hizo con poliacrilamida 5%/12% y la tinción se realizó con Azul de

Coomassie G250 al 2%. Se utiliza SDS para eliminar cargas en los aminoácidos y

se usa un extracto comercial de aproximadamente 2907U/l. El Marcador de peso

es Biorad: Catalog 161-0318, Control: 300001371

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64

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. CARACTERIZACIÓN DE RESIDUOS

4.1.1. Resultados de Caracterización

El contenido de humedad de los residuos se observa en la Figura 23. No hay

evidencia estadística que distinga entre el contenido de humedad del bagazo y la

tusa ya que las barras de error se cruzan. La humedad estimada del cuesco y la

fibra sí muestra ser menor que las otras dos y diferente entre ellas. Se esperaba

que el cuesco y la fibra tuvieran un contenido bajo de humedad, debido a la

procedencia del cuesco y a que la fibra se prensa para extraer aceite.

Figura 23. Resultados de humedad de las muestras.

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65

El resultado de contenido de lignina (Figura 24) muestra que los residuos de

palma exhiben el mayor contenido de ésta. El café tiene el menor contenido de

lignina por ser menos rígido. Los resultados de la palma se compararon con el

estudio de García et al. 1991, en donde se estudian residuos de palma

colombiana, mostrando similitud en la tendencia en el contenido de lignina de los

tres residuos119.

Figura 24. Resultado de contenido de lignina en base húmeda

El resultado de contenido de hemicelulosa (Figura 25) muestra que hay diferencia

significativa entre el contenido de ésta en los tres residuos de palma. La tusa

muestra mayor contenido de hemicelulosa, de lo cual se puede inferir que el

contenido total de carbohidratos en esta muestra es mayor. El contenido de

celulosa en los otros residuos no fue determinado, pero Ferrer et al. (2002) reporta

119 García J. Determination of Kinetic Constants and Thermal Modeling of Pyrolisis of Palm Oil Mill Solid Wates. University of Georgia, 1991

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66

un 52.25% de celulosa total en el bagazo de caña venezolano120 y Peñaloza et al.

(1985) muestra un contenido de celulosa en la cáscara del café del 18.65%121.

Figura 25. Resultado de contenido de hemicelulosa en residuos de palma

Los resultados de solubles en agua de la Figura 26 muestran que los residuos de

palma tienen un bajo contenido en comparación con los otros residuos. Esto

muestra que estos residuos son deficientes en azúcares y sales minerales, por

ende, estos residuos pueden ser de difícil acceso al microorganismo. El café tiene

alta solubilidad en agua en parte por su contenido en taninos cercano al 2.33%,

cafeína 0.68% y minerales como el potasio 1.39%122. Sin embargo, el contenido

de taninos y cafeína puede influir negativamente en el uso de café en cultivos con

microorganismos123. El bagazo de la caña muestra alta solubilidad en agua debido

120 Ferrer J., Páez G., Arenas de Moreno L. , Chandler C., Mármol Z. y Sandoval L. Cinética de la hidrólisis ácida de bagacillo de caña deazúcar. Rev. Fac. Agron. (LUZ). 2002, 19: 23-33 121 Penaloza W., Molina M., Gomez brenes r., Bressani R. Solid-State Fermentation: an Alternative to Improve the Nutritive Value of Coffee Pulp. APPLIED AND Environmental Microbiology, Feb. 1985, p. 388-393 122 Ibíd. 123 Murrieta D., Mata G., Iglesias L. Cambios en la producción de lacasa por el hongo Pleurotas Pulmonarius (Fr.) Quél. Cultivado en Pulpa de Café en Confrontación con Tricoderma Vides Pers., Un Moho Contaminante. Foresta veracruzana, año/vol. 4, número 001. Universidad Veracruzana. Xalapa, México. Pp 47-52.

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67

a que este contiene azúcar a pesar que se ha llevado a procesos de extracción del

jugo de caña. Esta observación es muy importante debido a que el contenido de

azúcares hace más accesible este residuo al hongo.

Figura 26. Resultado de solubles en agua

El contenido de solubles en alcohol benceno no es distinguible entre los residuos

de palma. Sin embargo de esto se puede inferir que los residuos de palma tienen

contaminantes como ceras, grasas y pigmentos que pueden influir negativamente

en el crecimiento del hongo (Figura 27).

Figura 27. Resultados de solubilidad en alcohol benceno

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68

4.1.2. Selección del Residuo de Palma

En la escogencia del residuo de palma se debe tener en cuenta dos aspectos

fundamentales: el primero es el contenido de lignina de estas muestras que induce

la formación de lacasa y el segundo es la facilidad que este medio le puede

ofrecer al hongo para su crecimiento.

El cuesco presenta el mayor contenido de lignina de los tres, superando en casi un

10% el contenido de lignina de la fibra y en un 20% el de la tusa. La tusa es el

compuesto con menor cantidad de lignina, siendo comparable con el contenido del

bagazo de caña.

Tanto en contenido de lignina y celulosa, la fibra está en un intermedio entre los

dos compuestos. Por ende, la fibra puede favorecer tanto la adaptación del hongo

al medio como la inducción a la formación de lacasa. Además, la fibra supera en

casi un 20% el contenido de lignina del bagazo de caña. Por lo tanto, para los para

la fermentación en estado sólido se escoge la fibra de la palma como residuo

proveniente de la extracción del aceite de palma.

4.1.3. Relevancia del Estudio de Residuos de Distinto origen

Aunque los tres residuos de palma muestran mayor contenido de lignina que el

bagazo de caña y la cáscara de café, el estudio de residuos de distinto origen

hace que se puedan evaluar distintos factores que favorecen tanto el crecimiento

del hongo como la inducción a la formación de lacasa.

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69

La cáscara de café a pesar de su bajo contenido de lignina puede ofrecer un

medio más accesible al hongo, aunque el contenido de taninos y cafeína puede

inhibir el crecimiento de éste. Al mismo tiempo, la formación de lacasa podría ser

inducida de forma similar que en los otros residuos, haciendo que un mayor

contenido de lignina no sea relevante en la obtención de la enzima.

El bagazo es un residuo cuya importancia radica en que el contenido de lignina es

intermedio entre la fibra de palma y la cáscara de café. Además, se observa que

los solubles en agua pueden proporcionar azúcares y sales que favorezcan el

crecimiento del hongo.

La fibra de la palma es el sustrato de mayor contenido de lignina. Sin embargo, el

alto contenido de lignina hace que el medio sea rígido y puede dificultar el acceso

del hongo a las fuentes de carbono. Sin embargo, el hongo podría adaptarse al

medio a pesar de estas condiciones incrementándose la inducción a la formación

de lacasa.

4.2. FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO

4.2.1. Etapa 1: Efecto del Tipo de Sustrato y del Tiempo

La Figura 28 muestra los resultados de la actividad de lacasa en los sustratos de

fibra, bagazo y cáscara de café.

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70

Figura 28. Comparación de sustratos en cultivos en estado sólido de T. pubescens

La influencia del tipo de sustrato en la actividad de lacasa se hace evidente con

los resultados de la Figura 28. Se tiene mayor inducción a la actividad de lacasa

en los cultivos de fibra, ya que se observa que las barras de varianza de la Figura

28 no se cruzan antes del día 13, siendo los datos de fibra significativamente

mayores a los de los otros dos residuos. Después del día 13, la actividad de

lacasa en el cultivo de fibra tiende a estabilizarse.

En cuanto al bagazo de caña y la cáscara de café, se observa que antes del

noveno día los cultivos de café muestran baja producción de lacasa,

probablemente debido a que la presencia de taninos y colorantes afecta el

desarrollo del microorganismo124. El bagazo de caña al contener azúcares libres

124 Murrieta D., Mata G., Iglesias L. Cambios en la producción de lacasa por el hongo Pleurotas Pulmonarius (Fr.) Quél. Cultivado en Pulpa de Café en Confrontación con Tricoderma Vides Pers.,

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71

favorece la adaptación del microorganismo, lo cual se refleja en una producción de

enzima ligeramente mayor a la del cultivo con café. Sin embargo, después del

noveno día, la producción de lacasa en los cultivos de café se dispara y las barras

de varianza de los datos se cruzan con las de los cultivos de caña. Esto hace que

el mayor contenido de lignina del bagazo de caña sea irrelevante en comparación

con el contenido de ésta en la cáscara de café.

También se puede inferir que en los cultivos con los tres residuos la tasa de

producción de lacasa tiende a incrementarse; esto se deduce a partir del cambio

de pendiente de la actividad de lacasa con respecto al tiempo observado en los

resultados de la Figura 28. Lo anterior se debe a que en los primeros días el

microorganismo se está adaptando al medio y está agotando fuentes de carbono

de fácil acceso, como la glucosa y los polisacáridos del sólido (celulosa), haciendo

que la producción de lacasa sea baja. A medida que el tiempo aumenta, la

velocidad a la que el microorganismo produce la enzima se incrementa, lo cual se

puede deber al agotamiento de fuentes de carbono y aumento de la actividad

lignolítica125. Esto concuerda con que la enzima es mayormente producida como

metabolito secundario pero está presente en todas las etapas del metabolismo126.

Un Moho Contaminante. Foresta veracruzana, año/vol. 4, número 001. Universidad Veracruzana. Xalapa, México. Pp 47-52 125 Galhaup C., Wagner H, Hinterstoisser B., Haltrich D. Increased production of laccase by the wood-degrading basidiomycete Trametes pubescens. Enzyme and Microbial Technology 30 (2002) 529–536 126 Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16, pp. 3512-3520, 1999

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72

4.2.2. Etapa 2: Efecto del Tiempo en cultivos de Fibra

En la segunda etapa de las pruebas de la fermentación en estado sólido se

escogió la fibra para analizar el efecto del tiempo y hallar un óptimo en la

producción de la enzima. Cabe notar que las condiciones del experimento se

modificaron un poco respecto a la Etapa 1 (Ver Sección 3.2.2).

En la Figura 29 se observa que el máximo de producción de la enzima

corresponde al día 15 con 3089U/l, pero las barras de varianza se cruzan con el

valor en el día 14; esto hace que no se pueda distinguir entre la actividad de

lacasa en estos dos días. Sin embargo, se evidencia el hecho que en el día 16 no

se tiene un valor de actividad de lacasa máximo, ya que este valor cae

abruptamente a las 2008U/l y de ahí hasta el día 22 tiende a estabilizarse en el

rango entre 2000-2500U/l.

Figura 29. Actividad de lacasa en cultivos con fibra de palma

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73

Esta tendencia de aumento y disminución de la actividad de lacasa durante el

tiempo de cultivo concuerda con resultados obtenidos por autores como Osma et

al. 2007 para cultivos de T. pubescens en estado sumergido con fuentes de

carbono de glicerol, glucosa y cáscara de mandarina127. La especie de

putrefacción blanca Pleurotus ostreatus también muestran este comportamiento

de aumento y disminución de actividad de lacasa con fuentes tanto ricas como

limitadas en carbono y nitrógeno128.

4.3. DECOLORACIÓN DE TINTES

4.3.1. Resultados de Ensayo de Decoloración

Resultados obtenidos en la pre-experimentación con los tres tintes muestran una

decoloración muy lenta, y sólo resultados con Negro Teransil son apreciables. Por

tal razón se hizo la curva de calibración del Negro Teransil. La Figura 30 muestra

los resultados de la decoloración con los otros dos tintes observando datos con

alta varianza, debido a que el cambio color en estos tintes es tan mínimo que no

es detectado por el espectrofotómetro de forma que el resultado sea reproducible.

127 Osma J.F., Saravia V., Toca Herrera J.L. Rodríguez Couto S. Mandarin peelings: The best carbon source to produce laccase by static cultures of Trametes pubescens. Chemosphere, Volume 67, Issue 8,April 2007, Pages 1677-1680 128 Hou H., Zhou J., Wang J., Du C. Yan B. Enhancement of laccase production by Pleurotus ostreatus and its use for the decolorization of anthraquinone dye. Process Biochemistry, Volume 39, Issue 11, 30 July 2004, Pages 1415-1419

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74

Figura 30. Decoloración con Negro Super (iz) y Azul Teransil (der.)

La longitud máxima se estimó realizando un barrido en todo el rango de luz visible

(340-800nm) encontrando que la máxima absorbancia para este tinte corresponde

a 575nm, longitud de onda a la cual se hace la curva de calibración (Figura 31).

Figura 31. Barrido de absorbancia para Negro Teransil®

Los resultados de la decoloración del tinte se muestran en la Figura 32. De estos

resultados se calculo que la concentración inicial del tinte es de 91mg/l (1,3

unidades de absorbancia a 575nm) y la concentración final es de 36,4mg/l.

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75

Figura 32. Decoloración de Negro Teransil.

A: extracto de cultivo de 2062U/L. B: extracto de cultivo de 1323U/L.

C: extracto comercial, Suberase®.

Los resultados de la degradación de tintes no son del todo satisfactorios. Osma et

al. 2007 muestra que el extracto de cultivo de T. pubescens y cáscara de banana

es capaz de degradar el tinte Remanzol Brilliant Blue R de Merck® en un 40.9% al

cabo de 4h129. Este tinte analítico es de tipo antraquinónico, por lo que era de

esperarse que el tinte industrial Azul Teransil (Tabla 5) mostrara mayor

sensibilidad a la decoloración, sin embargo, los resultados no confirmaron esto.

En cuanto a los tintes tipo azo, Negro Super y Negro Teransil (Tabla 5), se

esperaba una degradación lenta. Se observa que el tinte Negro Teransil se

degrada en un 40% del color inicial al cabo de 5 días con extracto de cultivo de

2062U/l.

129 Osma J., Toca J., Rodriguez S. Banana skin: a novel waste for laccase production by Trametes Pubescens under solid-state conditions. Application to synthetic dye decolouration. Department of Chemical Engineering, Rovira I Virgili University. Tarragona Spain

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76

Tabla 7. Estimación de la velocidad inicial de reacción de degradación de Negro Teransil con

lacasa de T. pubescens

Fuente Actividad de Lacasa [U/l]

Velocidad inicial específica* [(mg/l)/(día (U/L))]

T. pubescens 2062 ± 40 2,72E-06 T. pubescens 1323 ± 45 2,29E-06

Comercial 4822 ± 500 5,39E-07 *La dispersión entre los datos es despreciable (Figura 32)

En cuanto al efecto de la actividad enzimática, se observa que la enzima comercial

tiene menor capacidad de degradar el Negro Teransil. La Tabla 7 muestra la

estimación de la velocidad inicial específica; observando que este valor para los

dos extractos del cultivo de T. pubescens es similar, como era de esperarse,

mientras que el de la enzima comercial es menor en un orden de magnitud. Lo

anterior muestra que el hecho que el extracto comercial tenga mayor capacidad de

oxidar el ABTS no se traduce en una mayor capacidad de degradación del tinte.

Este aspecto del mecanismo de reacción de la lacasa en decoloración de tintes ha

sido discutido por varios autores, confirmando que lacasa actúa con mediadores y

no por sí sola en el medio natural130.

Debido a la poca información de la estructura de los tintes, es difícil saber por qué

hay degradación en uno y en los otros no. Por ejemplo, los dos tintes negros

contienen mezclas de compuestos tipo azo, por lo que se esperaría que la

decoloración de ambos tuviera una respuesta similar en el ensayo de

decoloración. Una posible causa responsable de la baja decoloración puede ser

que los tintes tienen dos componentes, uno cromóforo encargado del color y uno

reactivo. En el caso del Negro Super, los compuestos tipo azo son parte del 130 Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16, pp. 3512-3520, 1999

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77

componente reactivo del tinte [Acuña O. Huntsman Colombia ltda. (Conversación

Personal, junio de 2007)]. Probablemente, la degradación de los componentes azo

y antraquinónico en los tintes no ha sido detectada porque la disminución del color

no es notable ya que se puede estar atacando el componente reactivo mas no el

cromóforo que es responsable del color.

4.3.2. Ensayo de Electroforesis

Los resultados de la electroforesis se muestran en la Figura 33. Esta figura

muestra el gel pasado por el transiluminador, donde se ve la imagen en contraste

e invertida.

Figura 33. Resultado de Electroforesis

La Figura 34 es una adaptación de los resultados de la electroforesis. En ésta

figura se muestra a qué extracto corresponde cada corrida y se estima de forma

gráfica el rango de pesos moleculares.

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Figura 34. Adaptación de electroforesis.

En la Figura 34 se observa que la banda más oscura de la comercial coincide con

una banda del liofilizado En el extracto del hongo, se evidencian cuatro bandas en

el rango de 52-96kDa. En comparación con datos reportados en la literatura, el

peso molecular de dos lacasas de T. pubescens está en el rango de 63-65 kDa131,

aunque se presume la existencia de más isoformas de esta enzima.

131 Shleev S., Nikitina O., Christenson A., Reimann C., Yaropolov A., Ruzgas T., Gorton L. Characterization of two new multiforms of Tra metes pubescens laccase. Bioorganic Chemistry 35 (2007) 35–49

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CONCLUSIONES

- La fibra de palma, al tener un contenido apreciable de celulosa y de lignina,

favorece la adaptación del microorganismo e induce a la actividad de lacasa de

mayor forma que la cáscara de café y el bagazo de caña.

- La máxima actividad de lacasa obtenida en el cultivo con fibra de palma fue de

3089U/l en el día 15 del cultivo. Después del día 15, la actividad cae

abruptamente y se mantiene entre las 2000-2500U/l.

- El extracto del cultivo de Trametes pubescens con fibra de palma degrada el

tinte tipo azo, Hunstman Negro Teransil®, en un 40% en 5 días. La lacasa

comercial, Suberase®, degrada el mismo tinte en un 18% en 5 días. Ninguno

de los dos extractos degrada los tintes de Hunstman Negro Super® (azo) ni

Azul Teransil® (antraquinónico).

- El extracto de cultivo se desempeña de mejor forma que el comercial en la

aplicación de degradación de tintes evidenciando que la lacasa actúa con

compuestos mediadores que se encuentran en el extracto del cultivo.

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80

REFERENCIAS

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23. Osma J.F., Saravia V., Toca Herrera J.L. Rodríguez Couto S. Mandarin peelings: The best

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513

27. Shleev S., Nikitina O., Christenson A., Reimann C., Yaropolov A., Ruzgas T., Gorton L.

Characterization of two new multiforms of Trametes pubescens laccase. Bioorganic Chemistry

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28. Shuler M; Kargi F. Bioprocess Engineering: Basic Concepts, 2nd edition Upper Saddle River:

Prentice Hall, Inc., 2002.

29. Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16,

pp. 3512-3520, 1999

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ANEXOS

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ANEXO 1. PRÁCTICA DE CONSERVACIÓN DEL HONGO

Objetiv o:

Conservar el hongo T. pubescens para tener disponibilidad del microorganismo durante la

ejecución del proyecto.

Fundamento Teórico:

El microorganismo T. pubescens (CBS 696.94) se debe cultivar cada tres meses para mantener la

cepa fresca. Se utiliza como medio agar con extracto de malta, el cual le proporciona al hogno

nutrientes necesarios para su crecimiento (Osma et al. 2006).

En la siguiente figura se observa la apariencia del hongo en la caja de petri:

Figura 1. Trametes pubescens en Caja de Petri

Bioengineering & Bioelectrochemistry Group BBG.

Universitat Rovira i Virgili, 2006.

Materiales y Reactiv os:

- Agar con extracto de malta (1,6g malta/1,36 g agar).

- Caja de petri

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- Incubadora

- Nevera

- Aro metálico o plástico

Procedimiento:

1. Inicialmente se tiene una caja de petri con 20mL de agar malta y hongo en la superficie. A

partir de esta muestra, se toma una porción circular del hongo con diámetro de 7-8mm.

Este procedimiento se puede hacer con aro plástico o metálico.

2. Estos círculos se introducen en las nuevas cajas de petri de agar con extracto de malta.

Las cajas de petri se llevan a la incubadora a 30º C. Se espera un tiempo mínimo de dos

semanas para retirar muestra del hongo.

3. Una vez el hongo ha crecido en la caja de petri, se conserva en una nevera a 4º C.

Nota: Cada dos meses se debe repetir el procedimiento para conservar el hongo.

Referencias:

Osma J., Toca J., Rodriguez S. Banana skin: a novel waste for laccase production by Trametes

Pubescens under solid-state conditions. Application to synthetic dye decolouration. Department of

Chemical Engineering, Rovira I Virgili University. Tarragona Spain

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86

ANEXO 2. PRÁCTICA DE CULTIVO EN ÉSTADO SÓLIDO

Objetiv o:

Emplear la técnica de fermentación en estado sólido con el hongo T. pubescens en distintos

su stratos provenientes de residuos industriales.

Fundamento Teórico:

Los residuos agroindustriales son usados ampliamente como sustratos en la técnica de

fermentación en estado sólido. Esta técnica ha sido ensayada en distintos residuos como el bagazo

de la caña, residuos de trigo, tusa de maíz, residuos de uva, residuos de banana, residuos de

molienda de palma entre otros. La mayoría de los productos que se obtienen por medio de la

técnica son enzimas, las cuales provienen de levaduras, hongos o bacterias dándole un valor

agregado a los residuos agroindustriales. En un proceso de fermentación en estado sólido, el

su strato no sólo provee al microorganismo de nutrientes, sino también le da un medio que le

permita formar una colonia para su crecimiento (Pandey et al. 1999).

Osma et al. 1999 utiliza la técnica de fermentación en estado sólido (SSF) para la obtención de

lacasa por medio de la especie T. pubescens en cáscara de banana. A pesar de tratarse de un

cultivo en medio sólido, se adiciona una solución líquida inicial como medio de cultivo para

garantizar que el hongo tenga acceso a nutrientes como la glucosa y así empiece su crecimiento y

pueda colonizar el medio sólido. Una vez el hongo llega a la fase estacionaria de crecimiento, la

lacasa es producida como metabolito secundario.

La siguiente figura muestra el montaje de fermentación en estado sólido con la especie T.

pubescens en cáscara de banana:

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Figura 1. Cultivo de Trametes pubescens en cáscara de banano

Bioengineering & Bioelectrochemistry Group BBG.

Universitat Rovira i Virgili, 2006.

Materiales y Reactiv os:

- Medio de cultivo (ver procedimiento)

- Material orgánico de desperdicio (caña, palma y café)

- Muestra de Trametes pubescens en caja de petri (Proveniente de práctica 1)

- Hidróxido de potasio 83.17mM

- Erlenmeyers de 250mL con tapón de algodón

- Agua destilada

- Autoclave (esterilizador)

- Incubadora

Procedimiento:

1. Determinación de tamaño de muestra:

Osma et al. 1999 usa 7g de soporte de cáscara de banano, por lo tanto, se hará la relación

proporcional de los gramos de carbohidratos contenidos en los 7g de cáscara de banano y

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los gramos de cada soporte que le permitan al hongo tener acceso a la misma cantidad de

carbohidratos. Para esto se debe tener caracterizado el sustrato (residuos de caña, café y

palma)

2. Preparación de medio de cultivo

El siguiente paso es preparar el medio de cultivo, el cual le proporciona sales,

carbohidratos y vitaminas necesarias para el crecimiento del hongo. Éste se prepara con

los siguientes reactivos en las siguientes proporciones:

Tabla 1. Medio de Cultivo (Rodríguez Couto et al. 2006)

Reactivo Proporción

Glucosa 2 g/l

Sulfato de Amonio. (NH4)2SO4 0.9 g/l

Fosfato diácido de Potasio. KH2PO4 2 g/l

Sulfato de Magnesio. MgSO4 0.25 g/l

Cloruro de Calcio. CaCl2.2H2O 0.1 g/l

Cloruro de Potasio. KCl 0.5 g/l

Tiamina 0.5 g/l

Buffer de ácido cítrico 20mM* -

* Esta solución se prepara a partir de 272.5ml de ácido cítrico 0.1mM y227.5ml de fosfato diácido

de sodio (Na2HPO4)

3. Preparación del soporte y esteril ización:

El soporte se debe adecuar con 30ml de KOH 83.17mM por cada 10g de éste durante una

hora para neutralizar ácidos. Después se lava con agua destilada para retirar el hidróxido y

se deja sumergido en agua fría hasta el día siguiente. Por último el soporte se somete a

esterilización a temperatura de 121º C durante 20min antes de ser usado el hongo.

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4. Preparación del cultivo en estado sólido:

Una vez se determina la cantidad de cada soporte, se toma esta cantidad ya esteril izada,

tres muestras en forma de círculo del hongo que está en la caja de petri (práctica 1) y 20ml

de medio de cultivo. Se lleva a erlenmeyers de 250ml, se taponan con algodón y se

mantiene en la incubadora a 30º C durante 22 días, tiempo en el cual se van a tomar datos

para la medición de la actividad de la enzima.

Referencias:

Rodríguez Couto S., Rodríguez A., Paterson R.R.M., Lima N. Teixeira J.A. Laccase activity from

the fungus Trametes hirsuta using an air-l ift bioreactor. Letters in Applied Microbiology ISSN 0266-

8254

Osma J., Toca J., Rodriguez S. Banana skin: a novel waste for laccase production by Trametes

Pubescens under solid-state conditions. Application to synthetic dye decolouration. Department of

Chemical Engineering, Rovira I Virgili University. Tarragona Spain

Pandey A., Selvakumar C. Poonam N. Solid State Fermentation for the production of industrial

enzymes. School of Applied Biological and Chemical Science, University of Ulster, Coleraine BT52

1 AS, N. Irelan, UK.

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90

ANEXO 3. PRÁCTICA DE DETERMINACIÓN DE ACTIVIDAD DE LACASA

Objetiv o:

Determinar las unidades de actividad de lacasa en el líquido extracelular del cultivo como medida

de la concentración de la enzima.

Fundamento Teórico:

La lacasa es determinada por medio de espectrofotometría con ABTS (2,2'-azino-bis(3-

ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acid)) con el método descrito por Niku-Paavola et al. 1990.

El ABTS es un compuesto no fenólico que es sustrato de la lacasa y sirve para la detección de las

unidades de actividad de ésta. El ABTS también actúa como mediador en la reducción de

compuestos que no son sustratos de la enzima pero que pueden ser oxidados por medio de la

intervención de éste en reacciones de transferencia de electrones (Wong et al. 1999).

Figura 1. Molécula de ABTS

Tomado de: Shleev et al. Characterization of two new multiforms of Trametes

pubescens laccase. Bioorganic Chemistry 35 (2007) 35–49

Materiales y Reactiv os:

- ABTS (Sigma A-1888)

- Ácido succínico 25mM (pH = 4.5)

- Agua destilada

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- Espectrofotómetro

- Micropipeta 100-1000µl

- Líquido de cultivo obtenido en práctica 2.

Procedimiento:

1. Preparación de Solución de ABTS

Por cada 11mg de ABTS se toma 1mL de agua destilada. Por facilidad de medida de estas

cantidades se recomienda preparar 10mL de solución, tomando 110mg de ABTS.

2. Toma de muestras de líquido de cultivo

Después de tener los cultivos en los erlenmeyers de 250ml se procede a tomar muestras

diarias de lacasa para determinar las unidades de actividad con ABTS. Después del primer

día, se toman diariamente muestras de 500�l del líquido de cultivo con una micropipeta,

estas muestras se almacenan con un respectivo rótulo que indique a que día pertenece la

muestra y se guarda en la nevera hasta juntar cerca de 20 muestras (en el diseño

experimental se mostrará que se van a tener 45 muestras semanales).

3. Muestreo en espectrofotómetro:

a. Se toman 350�l del ABTS y se agrega en la cubeta.

b. Se adiciona 3000�l de ácido succínico 25mM (pH = 4.5) y se llevan a la cubeta. La

cubeta se coloca en el espectrofotómetro.

c. Se toman 150�l de enzima, evitando la presencia de sólidos, y se agrega en la cubeta.

Al momento de agregar la a la cubeta se toma esto como tiempo cero y se mide la

absorbancia cada 20seg durante dos minutos.

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Cálculos:

Se debe tener en cuenta que el resultado debe ser una línea recta. La medición en el tiempo cero

se compara con blanco de sólo ABTS y succínico esperando resultados similares.

Una vez se tiene el seguimiento de la absorbancia durante los 2 minutos, se debe obtener un

comportamiento de este estilo:

Figura 2. Seguimiento de cambio de abosorbancia de ABTS

Fuente: Elaboración propia.

Para la correlación entre U/l y absorbancia [J. Osma, Grupo BBG, Universitat Rovira i Virgili

(comunicación personal, 5 de diciembre, 2006)] se necesitan los parámetros:

( ) ( )( )( )60202 pendientefinalyinicialaabsorbancientreDiferenciaAA tt ==− ==

dilusióndeeCoeficientCd =

El coeficiente de dilución se obtiene como el cociente entre el volumen total antes de adicionar el

ABTS en la cubeta sobre el volumen de la muestra de enzima. Para el caso descrito anteriormente,

el coeficiente de dilución sería (3000�l+150�l)/ 150�l.

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Este procedimiento se realiza para cada una de las muestras tomadas a diario, obteniendo una

curva que relacione las unidades de actividad de lacasa con el tiempo de cultivo para determinar el

día de mayor producción. El procedimiento de toma de datos se debe hacer para cada sustrato por

triplicado para garantizar medición de error y validez estadística. (Ver diseño experimental)

Referencias:

Niku-Paavola M-L, Raaska L, Itävaara M. Detection of white-rot fungi by a non-toxic stain.

Mycological Research 1990;94:27e31.

Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16, pp.

3512-3520, 1999

Shleev S., Nikitina O., Christenson A., Reimann C., Yaropolov A., Ruzgas T., Gorton L.

Characterization of two new multiforms of Trametes pubescens laccase. Bioorganic Chemistry 35

(2007) 35–49

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ANEXO 4. PRÁCTICA DE DECOLORACIÓN DE TINTES

Objetiv o:

Evaluar el desempeño de la lacasa (sintetizada en el laboratorio y/o comercial) con un tinte

industrial.

Fundamento Teórico:

La lacasa es objeto de investigación debido a sus múltiples usos. Entre estos usos se destaca la

participación en las industrias alimenticia, textil, pulpa y papel, bioremediación, cosméticos,

biosensores, bioremedación entre otras (Rodríguez Couto et al. 2006). Una importante aplicación

de la lacasa es la detección y degradación de contaminantes de efluentes de la industria textil. La

importancia de la acción decolorante de la lacasa se debe a que el color es uno de los

contaminantes principales del agua, una pequeña cantidad del orden de 10mg/L puede ser visible y

causar turbidez en el agua, deterioro de su apariencia estética e interferir en la solubilidad de gases

(Wong et al. 1999).

Materiales y Reactiv os:

- Tinte industrial o analítico

- Extracto de lacasa (Obtenido en práctica 2)

- Lacasa comercial, Suberase® (Donada por Coldanzimas)

- Espectrofotómetro

Procedimiento:

1. Se define una concentración de tinte y se prepara la solución con agua destilada.

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2. Se toma una muestra de 1000µL de la solución de tinte y se ajusta el pH en 4.5 con 2000µl

de ácido succínico. Se mide la absorbancia inicial, la cual debe estar alrededor de 1.

3. Se lleva esta solución a una cubeta del espectrofotómetro se adicionan 500�L del líquido

de cultivo o de Suberase®. Se toma la absorbancia inicial qué es diferente a la de la

solución inicial.

4. Se toman muestras cada 15-30min de la solución anterior, se lleva a la cubeta del

espectrofotómetro y se mide la absorbancia en el espectrofotómetro. Al cabo de tres horas

se comienza a tomar muestras a intervalos de una hora ya que la degradación es más

rápida al inicio. Los tiempos de degradación varían drásticamente inclusive en el orden de

días.

Cálculos:

Cuando se tienen los datos de absorbancia versus tiempo, se debe convertir a unidades de

concentración. Lo anterior se logra por medio de comparación con curva de calibrado a

concentraciones de tinte conocidas, la cual se hace antes de realizar el experimento de

degradación.

Referencias:

Rodríguez Couto S., Toca J.L. Industrial and biotechnological applications of laccases: A review.

Biotechnology Advances 24 (2006) 500–513

Wong Y., Yu J. Laccase-catalyzed decolorization of synthetic dyes. Wat. Res. Vol. 33, No. 16, pp.

3512-3520, 1999