Desarrollo de estrategias para disminuir el daño celular en agentes de control biológico durante el proceso de secado y su almacenamiento

Abstract

RESUMEN Para que un producto a base de agentes de control biológico sea competitivo a nivel comercial, se requiere de formulaciones de polvos secos que se puedan manejar y almacenar de igual forma que los pesticidas químicos. Es por eso que se busca que la formulación final sea en forma de polvos secos, que puedan ser rehidratados en agua. El método más común para obtener este tipo de formulado es el secado por aspersión, El secado por aspersión es una operación unitaria mediante la cual una suspensión es asperjada en forma fina en una cámara de desecación entrando en contacto con una corriente de aire caliente lo que permite una desecación muy rápida. Sin embargo, esta técnica presenta el problema de que disminuye considerablemente el número de células viables obtenidas en el formulado final. Se ha demostrado que el principal daño sufrido por las esporas de T. harzianum durante el secado por aspersión es debido a la temperaturas elevadas que se usan en el proceso y que durante el almacenamiento el daño sufrido por las esporas es debido a la oxidación de macromoléculas Una estrategia empleada para la protección de microorganismos en el proceso de secado y el almacenamiento es la microencapsulación, que es un proceso mediante el cual, partículas o gotas pequeñas (núcleo) son rodeadas por una cubierta (pared) o embebidas en una matriz homogénea o heterogénea, para producir microcápsulas con diferentes propiedades funcionales. En este proceso, el paso crítico es la selección del material que formará la pared. Se ha reportado que se puede calcular una energía de activación (Ea), mediante el análisis de las curvas de secado de los materiales encapsulantes, la cual servirá como parámetro para evaluar la efectividad de estos. Por todo lo anterior se propone que el uso de materiales con mayor Ea disminuirá el daño térmico en las esporas de T, harzianum durante el proceso de secado, e incrementará la sobrevivencia en el almacenamiento disminuyendo los fenómenos de oxidación. En este trabajo se evaluó el efecto de la Ea del material encapsulante y de las temperaturas de entrada (TE) y salida (TS) del aire, durante el secado, sobre el daño térmico de Resumen 2 las esporas de Trichoderma harzianum, así como, el efecto de la Ea en los fenómenos de oxidación que dañan a las esporas durante el almacenamiento. En las formulaciones se fijó la concentración del material encapsulante en 20% (w/v) y la de esporas en 1x108 esp/ml y las temperaturas de proceso utilizadas fueron: TE = 150, 135 y 120 °C y TS: 90, 80 y 70 °C. Se determinó la sobrevivencia después del secado así como la sobrevivencia en el almacenamiento a 4 y 29°C. Los valores de Ea obtenidos fueron 31.6 kJ/mol para la mezcla 1:1 de MD10-GA, 29.03 kJ/mol para MD10, 23.94 kJ/mol para MD20, y 19.21 kJ/mol para GA. Se obtuvo un modelo del efecto de Ea, TE y TS en la sobrevivencia al proceso de secado, de acuerdo a este modelo, los tres factores tienen un efecto sobre la sobrevivencia. Resulto evidente que la combinación de alta Ea y altas temperaturas de proceso fue la que proporcionó la mayor resistencia, ya que el uso de la mezcla 1:1 de MD10-GA junto con las TE= 150°C y TS=90°C permitió incrementar 11 veces la sobrevivencia en las esporas con respecto a las no encapsuladas y 330 veces en el almacenamiento a 4C° por 8 semanas. La evaluación de la concentración de especies reactivas de oxígeno (ERO) intracelulares permitió determinar que existe una relación inversa entre está y la sobrevivencia de las esporas en el almacenamiento, así como que al alcanzar concentraciones de ERO mayores a 6nM por 106 células la viabilidad de las esporas se reduce significativamente.

ABSTRACT In order to produce a commercially competitive product based on biological control agents it is required of dry dust formulations that can be handled and stored similarly that the chemical pesticides. It is why one looks for final formulation in form of dry dust, that can be dissolved in water. Spray drying is the way to obtain these formulations, Spray drying is a unitary operation in which a suspension is sprinkled in fine form in to a drying camera making contact with a hot airflow that allowa a drying. However, this technique presents the problem that the viable cells in the final formulation are considerably low. There has been demonstrated that the principal damage suffered by the T. harzianum spores trough the drying process is due to high temperatures that are used and that during the storage the damage suffered by the spores is due to the macromolecules oxidation. Microencapsulation is a strategy used to protect microorganisms trough drying process and to extended its shelf life. In this process, particles or droplets (core) are surrounded by a shell (wall) or embedded in a homogeneous or heterogeneous matrix to produce microcapsules with different functional properties Microencapsulation´s critical step is the wall material selection. It has been proposed that an activation energy (Ea) can be calculated, by analyzing drying curves from the encapsulating materials that can be used as a parameter for evaluating the effectiveness of these. For all that its proposes that the materials with highest Ea will reduce the thermal damage in T. harzianum spores in the drying process, and increase the survival in the storage diminishing In this work, the effect of spray-drying inlet (TE) and outlet (TO) air temperatures, and the activation energy (Ea) of the biopolymers on the survival of T. harzianum conidia was evaluated; and also the effect of the Ea in the macromolecules oxidation at storage. In the formulations wall material concentration was set at 20% (w / v) and cell concentration was 1x108 spore/ml. The process temperatures used were: TE = 150, 135 and 120°C and TS = 90, 80 and 70°C. Survival was determined after drying. Survival was also evaluated after 12 weeks of storage at 4 and 29°C. Ea values obtained were 31.6 kJ/mol for the 1:1 mixture of MD10-GA, 29.3 kJ/mol for MD10, 23.94 kJ/mol for MD20, and 19.21 kJ/mol for GA. A mathematical model for effect of Ea, TE and TS in survival to drying was calculated; the model show that the three factors have an effect on survival; and it was evident that the combination of high process temperatures and high Ea would provided the highest resistance to drying. The use of the 1:1 mixture of MD10-GA and TE = 150 ° C, TS = 90 ° C allowed to increase 11 times the survival after drying the spores, with respect to the non-encapsulated, and 330 times in storage at 4C° for 8 weeks. The evolution of reactive oxygen species (ERO), as a measure of oxidative stress, during storage at 29 ◦C was assessed. An inverse relationship was found between the conidia survival and ERO concentration during storage, and that if ERO concentration exceeds 6nm per 106 cells; spores viability is significantly reduced.