Potencial tecnológico de los puntos cuánticos de carbono antioxidantesel impulso hacia metodologías verdes y nanotecnología sostenible

Resumen

Potencial tecnológico de los puntos cuánticos de carbono antioxidantes: el impulso hacia metodologías verdes y nanotecnología sostenible Debido a la creciente concienciación social sobre el uso de materiales no biocompatibles y la dificultad en su reciclaje, el mundo científico e industrial se ha lanzado recientemente a la búsqueda de nuevas soluciones respetuosas con el medio ambiente. La importancia de un modelo socioeconómico basado en los principios de la economía circular que pueda ser aplicado a los procesos productivos industriales y la importancia de la contribución de la química verde se están consolidando cada vez más como una gran necesidad. La biomasa, que a menudo se utiliza como fuente de energía, es rica también en compuestos de alto valor añadido que pueden ser de gran interés en distintos procesos y que la convierten en una posible alternativa a las materias primas tradicionalmente empleadas. La fabricación de nanocompuestos obtenidos a partir de residuos orgánicos está integrada dentro de la llamada “nanotecnología verde”, un área de la nanotecnología que implica la adaptación de los conceptos de química verde para la producción y la manipulación sostenible y segura de nanomateriales. El diseño de nanocompuestos siguiendo los principios de la nanotecnología verde implica el empleo de procesos no peligrosos, con bajo impacto ambiental y que elimine o limite la producción de productos secundarios no deseados. Los puntos cuánticos de carbono (CDs) obtenidos a partir de biomasa vegetal son un claro ejemplo de materiales que siguen las pautas de la nanotecnología verde. Estas nanopartículas, constituidas mayoritariamente por átomos de carbono, son conocidas por sus excelentes propiedades ópticas y han sido empleadas ampliamente como elementos de transducción en sensores, transportadores de fármacos, marcas luminiscentes y como agentes en la producción de bioimágenes. Últimamente están ganando interés gracias a sus propiedades inhibidoras de especies radicalarias de oxígeno. En la presente Tesis Doctoral se han sintetizado, empleando metodologías verdes, nanopartículas obtenidas de biomasa vegetal, los CDs. Como materia prima se han empleado no sólo subproductos industriales, como son el bagazo de uva procedente de la producción de vinos con DOP y de manzanas empleadas para la producción de sidra, sino también desechos domésticos como los residuos de hojas de té y romero. El objetivo final de esta Tesis Doctoral ha sido evaluar la aplicabilidad de los CDs sintetizados, haciendo hincapié en sus propiedades antioxidantes, para la fabricación de materiales activos innovadores que puedan ser utilizados en la industria alimentaria, en el de la lubricación y/o la cosmética. En el primer capítulo, como un primer paso al empleo de bagazo para una nanotecnología sostenible, se abordó el estudio de la clasificación varietal de uvas y su grado de madurez que se emplean en la fabricación de vinos con DOP de Cangas, empleando un método de procesado de datos. Este estudio es importante no sólo en el control y calidad del vino obtenido, sino que aporta también información sobre la composición del bagazo resultante. El uso de Redes Neuronales Artificiales (RNA) acopladas con ATR/FTIR ha permitido, a partir de la información contenida en los espectros de infrarrojo de muestras de piel de uvas y de hojas, identificar diferentes clases de uvas y el grado de madurez, observándose que la pectina y la fructosa son los compuestos más importantes a la hora de la clasificación varietal, mientras que los polifenoles y azúcares presentan mayor peso a la hora de establecer el grado de madurez. En el segundo capítulo, se ha llevado a cabo la síntesis y la caracterización de CDs sintetizados a partir de bagazo de uva, desechos de hebras de té y glutatión/ácido cítrico (como material comparativo). Se estudiaron las propiedades antioxidantes de los CDs tanto en medios acuosos como oleosos, donde las nanopartículas exhibieron una buena dispersabilidad. Los resultados demostraron que los CDs de los desechos del té presentan mejores propiedades antioxidantes en medios oleosos en comparación con los CDs de bagazo de uva y que pueden ser materiales competitivos con antioxidantes convencionales como, por ejemplo, el ácido ascórbico y la vitamina E. Se ha demostrado su uso como antioxidantes en aceites base donde también se sabe que actúan como nanolubricantes. Estos resultados, junto con las particulares propiedades ópticas de los CDs, así como su elevado coeficiente de absortividad, excelente fotoestabilidad, biocompatibilidad y bajo impacto medio ambiental, pueden abrir un camino para diseñar nuevos CDs luminiscentes con propiedades antioxidantes mejoradas, no solo para su empleo en el campo de los alimentos sino también para aplicaciones biomédicas, químicas e industriales. En el tercer capítulo se describe la fabricación de bio-películas a partir de caseinato de sodio (CAS) y pectina altamente metoxilada (HMP), utilizando glicerol como plastificante, enriquecidas con CDs obtenidos a partir de romero y magaya de manzana. El estudio detallado de las propiedades reológicas de las suspensiones de caseinato y pectina demostró que poseen un comportamiento newtoniano, con valores para el índice de fluidez (n) que se correlacionan con las concentraciones de CDs presente. Por otra parte, todas las bio-películas obtenidas presentaron una naturaleza altamente hidrofílica y, particularmente aquellas enriquecidas con CDs, demostraron una mayor estabilidad térmica y mecánica (en condiciones de humedad relativa ≤50% y temperaturas ≤25ºC), características que condicionarán las posibles futuras aplicaciones de las películas. El cuarto capítulo profundiza en el estudio de las propiedades de las bio-películas enriquecidas con CDs y sus potenciales aplicaciones. Los estudios espectroscópicos demostraron que las películas poseen un alto coeficiente de absortividad molar y un bajo rendimiento cuántico de luminiscencia en contraposición con las características propias de los CDs. En cuanto a sus propiedades antioxidantes, los CDs sintetizados a partir del romero presentaron mayor actividad que los CDs obtenidos a partir de magaya como inhibidores del radical DPPH, propiedad que se mantiene en las bio-películas donde se potencia la actividad antioxidante inherente de la pectina y de la caseína. Finalmente, se evaluó el comportamiento de las bio-películas sobre el estrés oxidativo de muestras de aceites comestibles y cosméticos, donde se pudo observar que las biopelículas podían disminuir la formación de especies radicales y, por tanto, aumentar la vida útil de los aceites. Este trabajo pretende ser un primer paso en el estudio de CDs con alta capacidad antioxidante, en particular para la preparación de biomateriales funcionalizados activos de contención, protección y/o mantenimiento con aplicaciones en la industria alimentaria. Finalmente se exponen de manera resumida y global las conclusiones, otros trabajos llevados a cabo durante la realización de la Tesis y se proponen líneas de investigación derivadas de este estudio.