RESEARCH ARTICLE          

Compositional and structural characterization of eleven types of lignocellulosic biomass and its potential application in obtaining nanopolysaccharides and producing polyhydroxyalkanoates

Caracterización composicional y estructural de once tipos de biomasa lignocelulósica y su potencial aplicación en la obtención de nanopolisacáridos y producción de polihidroxialcanoatos

D. Haro1 ; S. Marquina-Barrios1 ; A. Fuentes-Olivera2; A. Quezada2; J. Cruz-Monzón2;

L. Cueva-Almendras3 ; Cindy Morán-González3 ; Yulissa Ventura-Avalos1 ; Juan Rojas-Fermín1 ;

G. Barraza-Jáuregui* 1

1 Grupo de Investigación en Biopolímeros, Nanomateriales y Tecnología (GIBINTEC), Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Nacional de Trujillo, La Libertad, Perú.

2 Grupo de Ingeniería de Procesos y Biomateriales, Facultad de Ingeniería Química, Universidad Nacional de Trujillo, La Libertad, Perú.

3 Centro de Innovación Productiva y Transferencia Tecnológica Agroindustrial Chavimochic, Instituto Tecnológico de la Producción, La Libertad, Perú.

* Corresponding author: gbarraza@unitru.edu.pe (G. Barraza-Jáuregui).

Received: 8 April 2024. Accepted: 9 September 2024. Published: 28 September 2024.

Abstract

The valorization and use of lignocellulosic biomass from food processing to obtain value-added products is crucial to improve sustainability and reduce waste management costs. This potential for cost reduction is a reason for optimism, as it allows agro-industrial waste to be transformed into valuable resources, contributing to the circular economy. This study focused on the compositional and structural characterization of eleven types of lignocellulosic biomass (LCB) to evaluate their potential in producing nanopolysaccharides and polyhydroxyalkanoates. Parameters such as humidity, ash, proteins, extractives, structural carbohydrates, and lignin were analyzed in passion fruit peels, artichoke bracts, asparagus peels, lemon peels, orange peels, avocado seed, potato peels, cassava peels, sugar cane bagasse, rice husk, and rice straw. The results showed that fruit peels and other waste had a high extractive content (28.05%), while the content of lignin and structural carbohydrates varied between 69.66% and 30.53% and 22.2% and 8.84%, respectively. In addition to the characterization, this BLC's potential for producing biopolymers was explored, highlighting its relevance in various industries such as food and materials engineering. These findings underline the importance of using local natural resources sustainably, opening new opportunities to develop innovative applications such as pickering emulsions, biodegradable packaging, aerogels, hydrogels, and functional foods. These applications represent promising areas for future research and technological development.

Keywords: circular economy; biorefinery; agricultural waste; agro-industrial waste; structural carbohydrates; high-performance liquid chromatography; biopolymers.

Resumen

La valorización y utilización de la biomasa lignocelulósica proveniente del procesamiento de alimentos para la obtención de productos con valor añadido es crucial para mejorar la sostenibilidad y reducir costos de gestión de residuos, permitiendo transformar los desechos agroindustriales en recursos valiosos, contribuyendo a la economía circular. Este estudio se enfocó en la caracterización composicional y estructural de once tipos de biomasa lignocelulósica (BLC) con el fin de evaluar su potencial en la producción de nanopolisacáridos y polihidroxialcanoatos. Se analizaron parámetros como humedad, ceniza, proteínas, extractivos, carbohidratos estructurales y lignina en cáscaras de maracuyá, brácteas de alcachofa, cáscaras de espárrago, limón, naranja, semilla de palta, papa, yuca, bagazo de caña de azúcar, cáscara de arroz y paja de arroz. Los resultados mostraron que las cáscaras de frutas y otros residuos presentaron un alto contenido de extractivos (28,05%), mientras que el contenido de lignina y carbohidratos estructurales varió entre 69,66% y 30,53% y 22,2% y 8,84%, respectivamente. Además de la caracterización, se exploró el potencial de esta BLC para la producción de biopolímeros, destacando su relevancia en diversas industrias como la alimentaria y la ingeniería de materiales. En este sentido, estos hallazgos subrayan la importancia de utilizar recursos naturales locales de forma sostenible, abriendo nuevas oportunidades para desarrollar aplicaciones innovadoras como emulsiones pickering, envases biodegradables, aerogeles, hidrogeles y alimentos funcionales. Estas aplicaciones representan áreas prometedoras para futuras investigaciones y desarrollo tecnológico.

Palabras clave: economía circular; biorefinería; residuos agrícolas; residuos agroindustriales; carbohidratos estructurales; cromatografía líquida de alta resolución; biopolímeros.

DOI: https://doi.org/10.17268/sci.agropecu.2024.038

Cite this article:

Haro, D., Marquina-Barrios, S., Fuentes-Olivera, A., Quezada, A., Cruz-Monzón, J., Cueva-Almendras, L., Morán-González, C., Ventura-Avalos, Y., Rojas-Fermín, J., & Barraza-Jáuregui, G. (2024). Caracterización composicional y estructural de once tipos de biomasa lignocelulósica y su potencial aplicación en la obtención de nanopolisacáridos y producción de polihidroxialcanoatos. Scientia Agropecuaria, 15(4), 513-523.

1. Introducción

El concepto de biorrefinería se refiere a los procesos integrados, tanto químicos como bioquímicos, que transforman biomasa en bioproductos como bio­combustibles, biocompuestos, alimentos para ani­males y biopolímeros (Sampaolesi et al., 2023). Esta biomasa lignocelulósica (BLC) está compuesta por una variedad de constituyentes, que incluyen celu­losa (40% - 60%), hemicelulosa (20% - 40%) y lignina (10% - 24%) y en menor proporción, pectina y pro-teí­nas, así como extractivos (taninos, lípidos, resinas, esteroides, terpenos, terpenoides, flavonoides y compuestos fenólicos) (Mujtaba et al., 2023).

El interés en convertir materiales lignocelulósicos, como la celulosa, en productos de alto valor ha au­mentado significativamente tanto en la academia como en la industria (Ahmad et al., 2023). La celu­losa, caracterizada por su capacidad de atraer agua, biodegradabilidad, no toxicidad y facilidad de mo­dificación, puede ser procesada para formar nano­materiales o nanocelulosa, lo que potencia aún más sus propiedades (Aoudi et al., 2022). La nanocelu­losa se presenta principalmente en dos formas: nanocristales de celulosa (CNC) y nanofibras de ce­lulosa (CNF). Aunque químicamente similares, estas formas difieren en sus propiedades físicas y méto­dos de extracción, los cuales pueden involucrar pro­cesos mecánicos, químicos, o una combinación de ambos. Estos nanomateriales preservan la renovabi­lidad y abundancia de la celulosa, y ofrecen ventajas como baja densidad, alta superficie, gran resistencia a la tracción, excelente rigidez e inercia química (Trache et al., 2020) y se estima que el mercado de nanocelulosa alcanzará los 783 millones de dólares para 2025 (Zhang et al., 2023).

Por otro lado, la nanocelulosa bacteriana (BNC), consiste en nanofibras ultrafinas, puras y en forma de cinta con 20 a 100 nm de diámetro y longitudes micrométricas, que se entrelazan para producir una red tridimensional como sello distintivo. Este tipo de nanocelulosa se produce normalmente a partir de bacterias, identificándose a las del género Glucona­cetobacter como excelentes productoras de BNC en medios de cultivo estáticos. De tal modo que, uno de los principales desafíos en la producción de ce­lulosa bacteriana es encontrar fuentes de carbono adecuadas que sean baratas, abundantes y que no compitan con la producción de alimentos (Dórame-Miranda et al., 2019). Por tal motivo, BLC como piel de uva, cáscara de mango, plátano, granada entre otros, han sido analizados y utilizados como fuente de carbono (Gorgieva et al., 2023; Hasanin et al., 2023; Kumari et al., 2023; Ogrizek et al., 2021; Ul-Islam et al., 2023). Sin embargo, es necesario investigar nuevas fuentes de carbono.

De igual manera, biomasa lignocelulósica (BLC) de bajo costo también ha sido objeto de estudio en la producción de polihidroxialcanoatos (PHA) (De Souza et al., 2020), dado el creciente interés comer­cial y de investigación en polímeros ecológicos. Es­tos polímeros destacan por sus propiedades favora­bles, como alta biocompatibilidad, excelente biode­gradabilidad, estructura química diversa y la posibi­lidad de ser fabricados a partir de recursos de car­bono renovables (Sharma et al., 2021). Los PHA, po­liésteres de base biológica, se sintetizan intracelular­mente en más de 300 microorganismos, siendo los géneros Alcaligenes, Azotobacter, Bacillus, Rhizobium, Rhodospirillum y Pseudomonas los más comunes (Vaishnav & Choudhary, 2021). No obs­tante, se está investigando un grupo alternativo de microorganismos halófilos, debido a las ventajas que ofrecen en la producción de PHA (Daoud & Ali, 2020). Para una síntesis efectiva de PHA, es necesa­rio cumplir dos condiciones: limitar la fuente de ni­trógeno y proporcionar un exceso de fuente de car­bono. En relación con esta última condición, se ha investigado la incorporación de biomasa de bajo costo con alto contenido de azúcares (Mahato et al., 2023).

No obstante, la diversidad composicional y las pro­piedades fisicoquímicas de la BLC influyen en su via­bilidad para su aplicación en procesos de biorrefi­nería (Saba et al., 2023). Por esta razón, es funda­mental comprender su composición estructural para estandarizar los procesos de producción de nano­polisacáridos y polihidroxialcanoatos.

Por lo anteriormente expuesto, el objetivo de esta investigación fue caracterizar composicional y es­tructuralmente once tipos de BLC, para evaluar su potencial uso en la obtención de nanopolisacáridos y producción de polihidroxialcanoatos, así como su posible aplicación industrial.

2. Metodología

Acondicionamiento de la biomasa lignocelulósica

Once tipos de BLC, procedente de empresas agroindustriales de la región La Libertad, Perú: brác­teas de alcachofa (BA), cáscara de espárrago (CE), semilla de palta (SP), cáscara de yuca (CY), cáscara de limón (CL), cáscara de naranja (CN), cáscara de maracuyá (CM),  cáscara de papa (CP), cáscara de arroz (CA), paja de arroz (PA) y bagazo de caña de azúcar (BC) con no más de 24 horas de haber sido procesados, fueron secados en estufa (Memmert, UF110 Plus, Alemania) a 40 ± 2 °C hasta peso cons­tante, posteriormente fueron molidos y tamizados usando tamiz N° 70 , envasados herméticamente y almacenados a temperatura ambiente hasta su posterior análisis.

Análisis composicional de la biomasa lignocelulósica

Se determinó el contenido de humedad y sólidos totales (Sluiter et al., 2008a), ceniza (Sluiter et al., 2005) y proteína (Hames et al., 2008) a cada una de las muestras de BLC. El contenido de proteína fue calculado a partir del nitrógeno total empleando factor de conversión: 6,25 (Reyes et al., 2017).

Cuantificación de extractivos

Los extractivos (compuestos no estructurales) fue­ron cuantificados utilizando un equipo Soxhlet y eta­nol al 96% como solvente. Tras 24 horas de reflujo, se eliminó el solvente residual por filtración y se lavó la muestra con etanol. La muestra libre de extracti­vos se secó en estufa (Memmert, UF110 Plus, Alema­nia) a 40 ± 2 °C hasta peso constante y se almacenó en bolsas herméticas. El filtrado recolectado se concentró en un evaporador rotatorio (Dlab, RE100-PRO, China) para retirar el solvente y luego se secó en estufa (Memmert, UF110 Plus, Alemania) a 40 ± 2 °C durante 24 horas hasta peso constante para medir el contenido de extractivos (Ecuación 1) (Sluiter et al., 2008b).

Cuantificación de carbohidratos estructurales y lignina

La BLC libre de extractivos se sometió a dos hidrólisis consecutivas con soluciones de ácido sulfúrico (72%, 1 h, 30 °C; 4%; 1 h, 121 °C). Posteriormente fue enfriada a 25 °C, para luego ser filtrada a vacío y el sobrenadante se empleó para la cuantificación de lignina insoluble en ácido (LIA), lignina soluble en ácido (LSA) y lignina total (LT), así como carbo-hidratos estructurales (CE) (Sluiter et al., 2008a) (Figura 1).

Para la cuantificación de LIA, los sólidos o residuo insoluble en ácido (AIR) retenidos en el papel filtro se transfirieron a un crisol y se secaron en estufa (Memmert, UF110 plus, Alemania) a 105 ± 3 °C durante 24 horas. Posteriormente, se incineraron los crisoles en el horno de mufla (Hornos Felix, HM 010, Perú) a 575 ± 25 °C durante 5 horas. El contenido de LIA de la muestra en una base libre de extractivos fue determinado con la ecuación 2.

Donde P1: peso crisol + residuo insoluble; P0: peso crisol vacío; P2: Peso crisol + cenizas; M: peso muestra libre de extractivos.

La lignina soluble en ácido (LSA) se determinó a par­tir del hidrolizado filtrado al vacío empleando mé­todo espectrofotométrico. Se midió la absorbancia de la muestra a una longitud de onda 205 nm en un espectrofotómetro UV-Visible (Thermo Scientific, Orion AquaMate 8000, USA). Se diluyó la muestra con agua desionizada para llevar la absorbancia al rango de 0,7 – 1,0. La lignina soluble en ácido (LSA) se determinó mediante la ecuación 3.

Donde A: Absorbancia de la muestra; V: Volumen del hidrolizado; D: Dilución; Ɛ: Absortividad de biomasa a una longitud de onda específica (110 L/g-cm); M: peso muestra libre de extractivos; e: distancia que recorre la luz UV-Visible a través de la celda (1 cm).

Figura 1. Proceso de cuantificación de lignina insoluble en ácido, lignina soluble en ácido y carbohidratos estructurales.

La cuantificación de carbohidratos estructurales se realizó por cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) (Thermo Scientific, Ultimate 3000, USA) equi­pado con un detector de aerosol cargado o CAD (Thermo Scientific, Corona Veo RS, USA) (Sluiter et al., 2008a). Las condiciones cromatográficas se muestran en la Tabla 1; se empleó un kit de azúcares (glucosa, xilosa, galactosa, arabinosa y manosa (Sigma Aldrich, pureza 99,5%), en un rango de 50 a 1000 ug/ml por triplicado para poder construir cur­vas de calibración logarítmicas (Tabla MS1, Material Suplementario). Se utilizaron están­dares de verificación (CVS) a 800 ug/ml para evaluar la calidad y estabilidad de las curvas de calibración.

Tabla 1

Condiciones de HPLC y CAD para carbohidratos estructurales

Análisis estadístico

Los valores se citan en el texto como medias ± DE. Para evaluar la similitud de la BLC, en función a su análisis composicional, se elaboró un dendro-grama, observándose la formación de conglo-merados con una disimilitud del 50%. Para la analítica de datos se utilizó el software R 4.3.1 con los paquetes "factoextra" (Kassambara & Mundt, 2020) y "tydiverse" (Wickham et al., 2019).

3. Resultados y discusión

Análisis composicional de la biomasa lignocelulósica

El análisis composicional de la BLC es presentado en la Figura 2 (Tabla MS2, Material Suplementario) y proporciona información clave para orientar de manera específica el aprovechamiento de la BLC en la obtención de nanopoliscáridos y producción de polihidroxialcanoatos. La humedad inicial varió entre el 6,32% y el 14,19% para BC (Figura 2d) y CE (Figura 2e), respectivamente. Es cru­cial destacar que concentraciones superiores al 15% de humedad en la biomasa resultan inadecuadas para la determinación precisa de carbohidratos, ya que podrían influir en la concentración del ácido uti­lizado en la hidrólisis posterior (Sluiter et al., 2008a).

Figura 2. Caracterización composicional y estructural de semilla de palta (SP), cáscara de maracuyá (CM), brácteas de alcachofa sin espinas (BA), bagazo de caña de azúcar (BC), cáscara de espárrago (CE), cáscara de limón (CL), cáscara de papa (CP), cáscara de yuca (CY), cáscara de naranja (CN), cáscara de arroz (CA), paja de arroz (PA).

Figura 3. Dendograma presentado tres conglomerados, grupo 1: cáscara de espárrago (CE), cáscara de naranja (CN), brácteas de alcachofa sin espinas (BA), cáscara de maracuyá (CM), cáscara de limón (CL), grupo 2: semilla de palta (SP), cáscara de papa (CP), cáscara de yuca (CY), grupo 3: paja de arroz (PA), bagazo de caña de azúcar (BC), cáscara de arroz (CA).

En cuanto al contenido de cenizas, se observó que el BC (Figura 2d) exhibió el valor más alto entre los diferentes tipos de BLC analizados, alcanzando un 30,13%. Este fenómeno podría atribuirse a los pro­cesos previos de transformación a los que fue so­metida la materia prima (Phonphuak & Chindaprasirt, 2015). En lo que respecta al contenido de proteína, osciló entre 0,47% y 13,45% para CL (Figura 2f) y CE (Figura 2e) respectivamente, cifras que difieren de las reportadas por Mhgub et al. (2018) y Goñi et al. (2024). Por otro lado, en cuanto a los extractivos, que comprenden materiales no es­tructurales, los valores se situaron entre el 5,77% (BC) (Figura 2d) y el 34,61±1,40 (CN) (Figura 2i), su­giriendo la presencia de aceites esenciales, pectinas, gomas y compuestos fenólicos en la BLC (Ortiz-Sanchez et al., 2021). Estas discrepancias entre los once tipos de BLC evaluadas podrían atribuirse prin­cipalmente a diferencias en la variedad de biomasa, las regiones de cultivo y los procesos mecánicos y químicos a los que se somete la materia prima du­rante su procesamiento y transformación. Según MacLellan et al. (2017), es esencial tener en cuenta el contenido de proteína, ya que concentraciones elevadas podrían afectar su uso en procesos subsi­guientes de sacarificación y fermentación.

La cantidad de lignina, polímero de estructura alea­toria y cuya presencia aporta protección y rigidez a las plantas (Bilal et al., 2024) es variable en la bio­masa evaluada debido principalmente a que el con­tenido difiere según su ubicación, como cáscaras, tallos y hojas, encontrándose el menor contenido de lignina total en CY (8,84%) (Figura 2h) y el mayor en CN (22,2%) (Figura 2i), los cuales deberán ser remo­vidos para aprovechar los carbohidratos y otros componentes presentes en la BLC (Ayala et al., 2021).

El análisis del contenido de carbohidratos estructu­rales presenta gran interés en la investigación cien­tífica debido a su potencial para ser revalorizado en diversos procesos industriales y biotecnológicos. En este contexto, la CP (69,66%) (Figura 2g), SP (68,8%) (Figura 2a) y CY (65,38%) (Figura 2h) exhiben los mayores niveles de carbohidratos estructurales, des­tacándose como candidatos prometedores para procesos fermentativos. No obstante, es crucial tener en cuenta que estos carbohidratos podrían estar parcialmente asociados con la presencia residual de almidón (Sandoval-Contreras et al., 2023). Por otro lado, la CN presenta la menor con-centración de carbohidratos estructurales (30,53%) (Figura 2i), lo que podría atribuirse a su elevado contenido de pectinas y otros componentes solubles en su com­posición (Turan et al., 2024).

En el dendrograma mostrado en la Figura 3, se iden­tifican tres conglomerados. El primer grupo, com­puesto mayoritariamente por cáscaras (CE, CN, BA, CM y CL), se caracteriza por un contenido promedio de extractivos más alto (16,09%-34,61%) y una ma­yor concentración de lignina total (11,33%-22,02%) en comparación con los grupos 2 y 3. El contenido de extractivos en este grupo podría estar asociado con la presencia de una amplia gama de compues­tos, incluyendo grasas, ceras, proteínas, terpenos, gomas, resinas, fenólicos, aceites esenciales, pecti­nas, mucílagos y saponinas, así como ácidos grasos, esteroles y flavonoides (Pecha & Garcia-Perez, 2020).

En el caso de CE (32,63%) (Figura 2e), los extractivos podrían tener valor comercial significativo, debido a la probable presencia de compuestos bioactivos y extractos con capacidad antioxidante, ricos en flavo­noides y saponinas (Alcaide et al., 2023). La CN (34,61%) (Figura 2i) exhibe un alto potencial de com­puestos extraíbles que podrían ser aprovechados, como azúcares solubles, oligosacáridos y polímeros de ácidos urónicos. Además, contiene una fracción insoluble compuesta principalmente por grasas, ce­ras y aceites esenciales (Turan et al., 2024). Las BA (16,09%) (Figura 2c) representa una fuente de com­puestos bioactivos, destacando los polifenoles (Órbenes et al., 2021) y otros compuestos de interés alimentario, como la inulina (Ruiz-Aceituno et al., 2016). La CM (30,40%) (Figura 2b) contiene compo­nentes de alto interés para la industria alimentaria, como pectinas (Inayati et al., 2018), así como com­puestos fenólicos bioactivos (Pereira et al., 2021). Fi­nalmente, en CL (26,53%), (Figura 2f), los extractivos están compuestos principalmente por pectinas, gra­sas, azúcares solubles y aceites esenciales (Mamma & Christakopoulos, 2014), destacando el limoneno, que tiene amplias aplicaciones en las industrias de fragancias, farmacéutica, alimentos y bebidas (Lopresto et al., 2018).

En el caso de CE (32,63%) (Figura 2e), los extractivos presentan un valor comercial significativo debido a la presencia de compuestos bioactivos y antioxidan­tes, ricos en flavonoides y saponinas (Alcaide et al., 2023). Por su parte, CN (34,61%) (Figura 2i) muestra un alto potencial en compuestos extraíbles, como azúcares solubles, glucooligosacáridos y polímeros de ácidos urónicos. Además, su fracción insoluble está compuesta principalmente por grasas, ceras y aceites esenciales (Ayala et al., 2021). Finalmente, en CL (26,53%) (Figura 2f), los extractivos estarían con­formados principalmente por pectinas, grasas, azú­cares solubles y aceites esenciales, con el limoneno destacando por su importancia en las industrias de fragancias, farmacéutica, alimentaria y de bebidas (Núñez-Gómez et al., 2024).

Por otro lado, la lignina, como un recurso renovable clave, se destaca por su amplia disponibilidad, siendo el segundo componente más abundante en la BLC. Su estructura, rica en compuestos aromáti­cos e hidroxilos fenólicos, ha despertado un consi­derable interés en diversas aplicaciones (Baite et al., 2023). Las propiedades de la lignina, que incluyen actividad antioxidante, antimicrobiana, no toxicidad, estabilidad térmica, biodegradabilidad y capacidad para bloquear rayos UV, resultan especialmente atractivas para su uso en la formulación de envases para alimentos, productos farmacéuticos y otras aplicaciones industriales (Priyadarshi et al., 2024).

Los tres tipos de BLC que componen el segundo grupo (SP, CP y CY), se caracterizan por su alto con­tenido de carbohidratos estructurales en forma de celulosa, hemicelulosas o almidón, oscilando entre el 65,38% y el 69,66%. Esta fracción sería de gran interés debido a su potencial de valorización, ya que permite la extracción de nanopolisacáridos, almido­nes y oligosacáridos, así como la obtención de sus­tratos para la producción de azúcares fermentables. Estos azúcares podrían ser utilizados en diversos bioprocesos, como producción de etanol, biosínte­sis de celulosa bacteriana (CB) y producción de bio­plásticos, como los polihidroxialcanoatos (PHA).

La SP, con un contenido de carbohidratos del 68,80% (Figura 2a), se destaca como la BLC más prometedora, dado que entre el 33,17% y el 67,5% de estos carbohidratos son almidones. Estos almi­dones pueden emplearse en procesos alimentarios o, mediante hidrólisis química o enzimática, trans­formarse en glucosa para su uso en procesos fer­mentativos posteriores (Sandoval-Contreras et al., 2023). En cuanto a la CP (Figura 2g) y la CY (Figura 2h), con contenidos de carbohidratos del 69,66% y 65,38%, respectivamente, presentan composición similar. La CP podría ser apta para procesos fermen­tativos y ser usada en la producción de etanol y áci­dos orgánicos (Liang & McDonald, 2015), mientras que la CY, mediante hidrólisis enzimática, podría ge­nerar hidrolizados ricos en azúcares fermentables (Ona et al., 2019).

En un tercer grupo (PA, BC y CA), se observa un ma­yor contenido de cenizas, que varía entre el 24,09% y el 30,13%, junto con un contenido moderado de carbohidratos estructurales, como celulosa y hemi­celulosa, con valores de 43,13%, 45,36% y 46,25% en BC (Figura 2d), CA (Figura 2e) y PA (Figura 2f), respectivamente. Estos carbohidratos estructurales ofrecen diversas posibilidades de valorización. Ade­más, la fracción de cenizas, notablemente rica en sí­lice, confiere a estos materiales un valor especial para aplicaciones en la fabricación de adsorbentes para metales pesados y colorantes, así como en la producción de aerogeles y materiales de construc­ción (Goodman, 2020).

Análisis de carbohidratos estructurales

En la Figura 4 se muestra los resultados del análisis de carbohidratos estructurales en los once tipos de BLC, observándose variabilidad significativa de glu­cano, xilano, galactano, arabinano y manano, consi­derados como componentes clave de la pared celular (Marx & Radebe, 2018).

Como se muestra en la Figura 4, el glucano es el carbohidrato polimérico más abundante, con valo­res entre 14,73% y 61,87%. Este glucano se deriva principalmente de polisacáridos no pécticos, como la celulosa o el almidón, presentes en las muestras de SP, CP y CY (Wang et al., 2016). Por otro lado, el mayor contenido de xilano se identificó en BC, al­canzando 12,102%, mientras que no se detectó en SP. El xilano, que es un componente principal de la hemicelulosa, está formado por largas cadenas de residuos de xilopiranosa unidas por enlaces β-1,4 (Senthilkumar et al., 2005). Este carbohidrato tendría potencial para aplicaciones en procesos químicos, como la producción de xilitol, y en procesos biotec­nológicos, como la producción de etanol, ácidos orgánicos y polihidroxialcanoatos (Hermiati et al., 2024).

El contenido de galactano (4,32% - 14,15%) y arabinano (0,52% - 8,55%) parece estar relacionado tanto con la estructura de las sustancias pécticas (Rahmani et al., 2020) como con los componentes característicos de la hemicelulosa (Narisetty et al., 2022). En particular, el alto contenido de galactanos en SP (14,15%) puede estar asociado con las pectinas en la pared celular, que influyen en la firmeza del fruto (Tateishi et al., 2007). De manera similar, los mayores niveles de arabinano se registran en CL (8,55%) y CN (7,53%), lo que podría deberse a la presencia de pectinas en las cáscaras de estos cítri­cos (John et al., 2017). En cuanto al manano, su pre­sencia es mínima, con CN (1,74%) y CL (1,73%) mos­trando las mayores concentraciones. Esta presencia estaría probablemente vinculada a fracciones hemi­celulósicas o residuales de pectinas características de las cáscaras de cítricos (Mhgub et al., 2018).

Potenciales aplicaciones

Extracción y producción de nanopolisacáridos

En la última década, ha surgido un creciente interés en la conversión de celulosa, considerada un re­curso altamente versátil, para sustituir materiales de­rivados del petróleo. La celulosa destaca por su dis­ponibilidad, estabilidad, baja densidad, naturaleza no abrasiva, renovabilidad y biodegradabilidad (Ahmad et al., 2023). Se han desarrollado varios de­rivados solubles en agua, como carboximetilcelu­losa, metilcelulosa, hidroxipropilmetilcelulosa, aceta-to de celulosa, hidroxietilcelulosa, entre otros (Li et al., 2018).

La estructura lineal y semirrígida de la celulosa, im­pulsada por enlaces de hidrógeno, confiere una re­sistencia excepcional. Su arquitectura jerárquica única, que incluye fibrillas y cristalitos a nanoescala, permite la extracción de nanoconstituyentes me­diante métodos mecánicos, químicos o una combi­nación de ambos (Li et al., 2018). Estos nanoconsti­tuyentes incluyen las nanofibras (NFC) de celulosa, largas, delgadas y flexibles, y los nanocristales (CNC) de celulosa, partículas cristalinas en forma de varilla (Chieng et al., 2017).

Figura 4. Análisis de carbohidratos estructurales en semilla de palta (SP), cáscara de maracuyá (CM), brácteas de alcachofa sin espinas (BA), bagazo de caña de azúcar (BC), cáscara de espárrago (CE), cás­cara de limón (CL), cáscara de papa (CP), cáscara de yuca (CY), cáscara de naranja (CN), cáscara de arroz (CA), paja de arroz (PA).

Las NFC, según la norma ISO/TS 20477:2017, son fi­bras con un diámetro de entre 3 nm y 100 nm y una longitud de hasta 100 μm. Se producen mediante métodos mecánicos como homogeneización a alta presión, microfluidización o molienda (Xu et al., 2023). Las propiedades distintivas de las NFC, como su resistencia mecánica y capacidad de absorción, han promovido su producción y uso desde 1983.

Por otro lado, los CNC, son nanopartículas alta­mente cristalinas con una pureza del 90% y gene­ralmente, se obtienen separando la celulosa para preservar su región cristalina (Ahmad et al., 2023). Estos nano-materiales pueden ser extraídos de diver­sas fibras naturales y se destacan por su bajo costo, dispo-nibilidad y biodegradabilidad. Una vez aisla­dos, pueden ser utilizados en una amplia gama de aplicaciones en varios campos, incluyendo nano­compuestos, materiales de construcción, envases in­teligentes, superficies funcionales, entre otros (Nascimento et al., 2021).

La producción de celulosa bacteriana (BNC) ha cap­tado considerable atención debido a sus propieda­des excepcionales y su producción sostenible. La BNC, caracterizada por su estructura de cinta retor­cida, posee propiedades físicas y mecánicas nota­bles (Cazón & Vázquez, 2021).  La BNC se produce utilizando residuos agroindustriales como fuentes de carbono no convencionales, lo que ha permitido reducir costos y aumentar su producción (Barja, 2021).

Producción de polihidroxialcanoatos

Los polihidroxialcanoatos (PHA) son biopolímeros que poseen una amplia gama de propiedades deseables para diversas aplicaciones industriales y biomédicas. Una de las propiedades más destaca­das de los PHA es su biodegradabilidad, que les per­mite descomponerse de manera natural en el medio ambiente, reduciendo así la acumulación de desechos plásticos y contribuyendo a la preserva­ción del ecosistema (Koller, 2017). Esta propiedad es aprovechada en la elaboración de indumentaria sa­nitaria y equipos de protección personal de un solo uso (Lo et al., 2024), que significó una marcada con­taminación ambiental en tiempos de pandemia por el COVID-19 debido a su alta demanda. En produc­tos relacionados a la cosmética y cuidado personal también se incorporan como material alternativo para encapsular antioxidantes para mejorar la apa­riencia de la piel (Phothong et al., 2024). El PHA tam­bién es una alternativa para sustituir los productos a base de petróleo en aplicaciones en agricultura y horticultura como los maceteros empleados para trasplantar los plantines hacia los campos de cultivo, permitiendo enterrar la planta junto con el macetero para evitar maltratar las raíces (Oliver-Ortega et al., 2024).

Además de su biodegradabilidad, los PHA también exhiben termoplasticidad, lo que significa que pue­den ser moldeados y transformados a través de téc­nicas de procesamiento térmico, como la extrusión y la inyección, para fabricar una amplia variedad de productos plásticos. Esta propiedad los hace ade­cuados para aplicaciones en la industria de envases, donde se requiere flexibilidad en el diseño y la fabri­cación de productos. Se ha logrado elaborar biope­lículas con características de barrera al oxígeno y al dióxido de carbono empleando PHA junto con otros polímeros (Iglesias-Montes et al., 2022); de igual manera se puede mejorar las características del ma­terial para mantener la calidad, sabor, color y fres­cura de las bebidas, y mejorar la seguridad del pro­ducto, inhibiendo la degradación hasta que el em­paque sea desechado (Stoica, 2020).

Otra propiedad importante de los PHA es su bio­compatibilidad, con baja probabilidad de causar reacciones adversas en el cuerpo humano. Esta ca­racterística los hace ideales para su uso en aplica­ciones biomédicas, como la fabricación de implan­tes médicos (Ye et al., 2022) y dispositivos de sutura (Li et al., 2020).

La Figura 5 resume las posibles aplicaciones de los nanopolisacáridos y polihidroxialcanoatos obteni­dos a partir de la biomasa lignocelulósica evaluada.

4. Conclusiones

Este estudio proporciona una caracterización deta­llada de once tipos de BLC de la región de La Libertad, Perú, destacando la variabilidad en su composición y estructura. Se identificaron muestras con altos contenidos de extractivos, como la cáscara de maracuyá, brácteas de alcachofa y cáscaras de diversas frutas cítricas, lo que sugiere la presencia de una amplia gama de compuestos. Por otro lado, muestras como la semilla de palta, cáscara de papa y de yuca, junto con el bagazo de caña de azúcar y residuos de arroz, exhibieron contenidos significati­vos de carbohidratos estructurales y lignina. Además de su caracterización, se exploró el potencial de esta biomasa para la extracción y síntesis de nanopolisa­cáridos y producción de polihiroxialcanoatos, lo que abre perspectivas prometedoras en diversas indus­trias, desde la alimentaria hasta la ingeniería de ma­teriales. Estos hallazgos subrayan la importancia de aprovechar los recursos naturales locales de manera sostenible y ofrecen nuevas oportunidades para el desarrollo de aplicaciones innovadoras como emul­siones pickering, envases biodegradables, aerogeles e hidrogeles, y alimentos funcionales. Estas aplica­ciones prometen ser áreas prometedoras para futu­ras investigaciones y desarrollo tecnológico.

Figura 5. Posibles aplicaciones de nanocelulosa y polihidroxialcanoatos.

Agradecimientos

Al Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnoló­gica (CONCYTEC), al Fondo Nacional de Desarrollo Científico, Tecnológico y de Innovación Tecnológica (FONDECYT), hoy PROCIENCIA, instituciones que subvencionaron el desarrollo del Proyecto “Residuos agroindustriales como materia prima para la extracción y caracterización de nanopolisacáridos” con CONTRATO 402-2019-FONDECYT. Res. Rec. N°105- 2020/UNT. Al fondo Canon Minero de la Universidad Nacional de Trujillo, el cual financió el desarrollo del Proyecto PIC N° 08-2014 “Aprovechamiento de Residuos Agroindustriales Regionales en la producción de Plásticos Biodegradables”.

Contribución de los autores

D. Haro: Metodología, Análisis formal, Investigación, Visualización; S. Marquina-Barrios: Metodología, Análisis formal, Investigación, Visua-lización; A. Fuentes-Olivera: Metodología, Investigación, Redacción – revisión y edición; A. Quezada: Metodología, Análisis formal, Investi-gación; J. Cruz-Monzón: Metodología, Análisis formal, Investigación; L. Cueva-Almendras: Metodología, Análisis formal, Investigación; C. Morán-González: Metodología, Análisis formal, Investigación, Visualización; Y. Ventura-Avalos: Metodología, Redacción – revisión y edición; J. D. Rojas-Fermín: Análisis formal: Redacción – revisión y edición. G. Barraza-Jáuregui: Metodología, Investigación, Redacción – revisión y edición, Recursos, Adquisición de financiación.

Declaración de conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

ORCID

D. Haro  https://orcid.org/0000-0001-6295-7578

S. Marquina-Barrios  https://orcid.org/0000-0002-8643-7195

A. Fuentes-Olivera  https://orcid.org/0000-0003-1311-3912

A. Quezada  https://orcid.org/0000-0002-0215-5175

J. Cruz-Monzón  https://orcid.org/0000-0001-9146-7615

L. Cueva-Almendras  https://orcid.org/0000-0003-2608-1374

C. Morán-González  https://orcid.org/0000-0003-1363-9922

Y. Ventura-Avalos  https://orcid.org/0009-0009-7239-433X

J. Rojas-Fermín  https://orcid.org/0009-0004-9082-5379

G. Barraza-Jáuregui  https://orcid.org/0000-0002-0376-2751

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