Matrices proteicas de soja para la liberación contro lada de agua y
m icronutrientes para cu ltivos y su m étodo de preparación
La presente invención se refiere a una matriz biodegradable de proteína de soja para la liberación controlada de agua y micronutrientes en agricultura, horticultura o aplicaciones afines, así como su método de preparación. Estas matrices mejoran la eficiencia de asimilación de los fertilizantes por parte de los cultivos y reduce la cantidad de riego necesario en las mismas, evitando los problemas de contaminación de los suelos y aguas subterráneas y desaprovechamiento de los recursos hídricos disponibles, respectivamente.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La liberación controlada de fertilizantes en los sectores de agricultura y horticultura es muy reciente. Su interés proviene de la necesidad de ser más precisos en la administración de nutrientes para reducir e incluso evitar la gran contaminación que el exceso de fertilizantes está provocando en el subsuelo y las aguas subterráneas, lo que afecta a sectores esenciales como la alimentación y la hidratación. Por lo general, los fertilizantes utilizados son sales que contienen los nutrientes necesarios para las plantas. Estas los necesitan durante todo su ciclo de vida, siendo necesario el aporte de agua para la captación de los nutrientes. No obstante, debido a la alta solubilidad que presentan las sales usadas convencionalmente, la eficiencia de la fertilización es muy baja, ya que la planta capta muy pocos nutrientes con respecto a los que acaban arrastrados hacia el subsuelo y aguas subterráneas. Debido a esta problemática se han estudiado alternativas más naturales como el uso de la labranza de conservación, el evitar el uso de sustancias de origen antropogénico o el realizar ciclos de barbecho. Sin embargo, la versatilidad y ligereza que los fertilizantes generan en los cultivos hacen que estas alternativas no sean competitivas.
La última tendencia en este ámbito es el estudio de sistemas fertilizantes de liberación lenta, que pueden adaptarse a las necesidades de los cultivos y mejorar la eficiencia de asimilación de los mismos. Así, diferentes sistemas plásticos comercializados industrialmente (Nutricote de Projar y Multicote de Haifa, entre otros) se basan en ealizar recubrimientos plásticos porosos a los fertilizantes para reducir su contacto con el agua, y así, evitar su arrastre hasta el subsuelo. Así, el aporte de agua permite la salida de los fertilizantes de forma más lenta (más prolongada en el tiempo) , aumentando la eficiencia de la fertilización. No obstante, estos sistemas presentan problemas debido a la baja biodegradabilidad de los plásticos usados, que permanecen en el suelo dificultando su retirada (necesaria para la no intoxicación del suelo de cultivo) y, así, incrementando el costo del proceso y limitando su uso. Por otro lado, también ha ganado interés en este sector el uso de sistemas dedicados a la retención y liberación controlada de agua, como Creasorb de Evonic o Luquasorb de BASF. Estos sistemas están compuestos de plásticos superabsorbentes que son capaces de absorber y retener entre un 800-1000 % de su peso en agua y liberarla controladamente según las necesidades del cultivo, mejorando el ciclo del uso de agua y reduciendo la frecuencia de riego necesaria para los cultivos. Estos sistemas han permitido cultivar en terrenos donde la irrigación es más complicada y cara. No obstante, también presentan problemas de biodegradabilidad, siendo necesaria la retirada del producto una vez usado.
En este sentido, muchas han sido las invenciones creadas con la finalidad de aumentar la biodegradabilidad de estos sistemas para poder mejorar su funcionalidad. Así, se pueden encontrar algunas patentes de sistemas biodegradables para la liberación controlada de micronutrientes (US20190031574, CN106380338) o para la retención y liberación de agua (US08697843, CN106994804) , pero ninguno de ellos aúna ambas propiedades. Además, los métodos descritos para la elaboración de estos sistemas son difícilmente industrializables, encareciendo su precio de puesta en el mercado, como son la fermentación, la formación de hidrogeles o el sputtenng.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El reciente aumento de la producción agrícola y hortícola ha generado el incremento del uso de fertilizantes, los cuales permiten suministrar a los cultivos los nutrientes necesarios sin la necesidad de la regeneración del suelo. No obstante, la fertilización convencional tiene una gran desventaja: la contaminación del subsuelo y las aguas subterráneas debido a la baja asimilación de los fertilizantes por los cultivos.
Por este motivo, la búsqueda de nuevas estrategias que mejoren la eficiencia de la ertilización es un campo que está generando gran interés. Dentro de este contexto, los fertilizantes de liberación controlada permiten asimilar la liberación de los nutrientes con las necesidades de las plantas permitiendo así una mayor eficiencia de los mismos. No obstante, aún no se ha encontrado un sistema biodegradable de fácil producción y uso.
La matriz que se presenta en la presente invención presenta grandes ventajas con respecto a otros sistemas descritos hasta el momento:
su materia prima (aislado proteico de soja) es un subproducto de la producción de aceite de soja, lo que su uso en este producto aumenta su valor añadido. Por ahora, este subproducto ha sido utilizado en la alimentación animal, en cuyo sector es una materia prima minusvalorada con respecto a otras aislados con perfil aminoacídico más adecuado para los animales. Así, es una materia prima relativamente barata para su uso en esta aplicación, reduciendo los costes finales del producto obtenido; presenta un valor añadido como reserva de agua de lluvia o riego, liberándola poco en poco atendiendo a las necesidades del cultivo;
las matrices planteadas, a diferencia de otras matrices, permiten la liberación controlada de micronutrientes. Estos nutrientes son más difíciles de suministrar debido al poco margen de maniobra que presentan, necesitándose en muy pocas cantidades. El poder liberarlos de forma controlada permite controlar la cantidad suministrada evitando defecto o exceso de los mismos que puedan provocar problemas en el rendimiento y cultivo final;
asimismo, al poder retener agua y liberarla controladamente junto con la liberación de fertilizantes se reduce el uso de dispositivos plásticos
el método de preparación propuesto está ampliamente desarrollado industrialmente con una tecnología conocida, lo que facilita su escalado e introducción al mercado. Este método permite la adecuación de la cinética de liberación de fertilizantes y agua a un cultivo específico mediante la modulación de su biodegradabilidad y la optimización de la cantidad de fertilizante incorporado.
Todo ello conduce a que el producto que se plantea en la presente invención tenga una gran versatilidad y un amplio rango de uso dada su fácil adecuación a cualquier tipo de cultivo.
En conclusión, el método general de preparación de matrices de liberación controlada de agua y micronutrientes de la presente invención puede modificarse para obtener atrices con diferentes cargas de micronutrientes y modelar la cinética de liberación de los mismos.
Por lo tanto, en un primer aspecto la presente invención se refiere a un método de preparación de una matriz de liberación controlada de agua y micronutrientes caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
i) mezclar un aislado proteico vegetal, un plastificante y opcionalmente al menos un micronutriente en forma de sal sólida, y posterior moldeo termomecánico del producto obtenido a temperatura de entre 40 y 130 °C, y a una presión de entre 210 7 y 9107 Pa;
ii) mantener el producto obtenido en la etapa (i) a una temperatura de entre 40 y 60 °C y durante un tiempo de entre 12 y 48 h;
iii) eliminar el plastificante del producto obtenido en la etapa (ii) mediante inmersión en un medio extractante seleccionado de entre agua, un alcohol o cualquiera de sus combinaciones, durante un tiempo de entre 2 y 36 h, y opcionalmente al menos un micronutriente disuelto en el medio extractante;
iv) secar el producto obtenido en la etapa (iii) ;
donde el micronutriente se incorpora independientemente en cualquiera de las etapas i) y/o iii) .
En una realización preferida el aislado proteico vegetal de la etapa (i) se selecciona de entre diferentes residuos y subproductos de la industria agroalimentaria ricos en proteína entre los que se encuentran sin carácter restrictivo: todos los aislados y concentrados proteicos de soja, guisante, plasma porcino, gluten, maíz, bagazo de cerveza y salvado de arroz, entre otros. En una realización aún más preferida el aislado proteico vegetal es aislado proteico de soja.
En otra realización preferida el plastificante de la etapa (i) se selecciona de entre agua y diferentes glicoles entre los que se encuentran sin carácter restrictivo la glicerina, el propilenglicol, polietilenglicol, sorbitol y ácidos grasos, o cualquiera de sus combinaciones. En una realización aún más preferida el plastificante es glicerina.
En otra realización preferida el micronutriente se selecciona de entre zinc, manganeso, hierro, y cobre, o cualquiera de sus combinaciones.
En otra realización preferida, la etapa (i) se realiza en un dispositivo de mezclado discontinuo durante 5 a 40 min a una velocidad de entre 20 y 70 rpm. Este mezclado se lleva a cabo en condiciones adiabáticas, no superando nunca la temperatura de desnaturalización de la matriz proteica empleada. Asimismo, las condiciones seleccionadas no favorecen la estructuración por cizalla y evitan la formación de entrecruzamientos.
En otra realización preferida, la etapa (i) de moldeo termomecánico se realiza a una temperatura de entre 40 y 130 °C y a una presión entre 2107 y 9107 Pa dando lugar a una matriz bioplástica con estabilidad mecánica suficiente para su fácil manejo.
En una realización preferida, la etapa (ii) de tratamiento térmico se realiza a una temperatura inferior a la utilizada en la etapa (i) de moldeo termomecánico.
En otra realización preferida la eliminación del plastificante en la etapa (iii) se realiza mediante inmersión en agua destilada durante un tiempo de entre 2 y 36 h.
En otra realización preferida la eliminación del plastificante en la etapa (iii) se realiza mediante inmersión en etanol o mezclas agua/etanol durante 2 y 36 h.
En otra realización preferida, la etapa de secado (iv) tiene lugar mediante congelación y posterior liofilizado a una temperatura de entre -70 y -90 °C, y a una presión inferior a 15 Pa.
En otra realización preferida, la etapa de secado (iv) tiene lugar mediante secado a temperatura ambiente durante al menos 24 h.
En otra realización preferida, el medio extractante de la etapa (iii) se puede reutilizar para la eliminación del plastificante de una segunda matriz.
En otra realización preferida el micronutriente se incorpora en la etapa (i) en forma de sal sólida, de manera que la cantidad de micronutriente en esta etapa es de entre el 2 y 20 % del peso total, la cantidad de aislado proteico vegetal es de entre 40 y 50 % del peso total, y el restante hasta el 100% del peso total en la mezcla corresponde al plastificante.
En otra preferida el micronutriente se incorpora en la etapa (iii) disuelto en el medio extractante, de manera que la cantidad de matriz proteica en la etapa (i) es de entre 40 y 60 % del peso total, y el restante hasta el 100% del peso total en la mezcla corresponde al plastificante.
Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a una matriz de liberación controlada de agua y micronutrientes obtenida según el método de preparación descrito anteriormente, y caracterizada por que libera de entre un 2 y 20 % de micronutrientes durante su biodegradación y retiene entre un 50 y 200 % en peso de agua de riego o lluvia en su interior, lo que permite reducir el riego necesario en el cultivo entre un 20 y 45 %.
En una realización preferida el micronutriente se selecciona de entre zinc, manganeso, hierro, y cobre, o cualquiera de sus combinaciones.
Estas matrices de liberación de la invención presentan una alta biodegradabilidad (se degrada completamente en 30-60 días) no siendo necesaria su retirada, lo que facilita la obtención del producto sin producir daños al medio ambiente. Además, la matriz proteica está producida en su mayoría por nitrógeno (entre un 70 y un 90 % en peso) , un nutriente primario que también puede ser captado por los cultivos durante la biodegradación de la matriz, cerrando el ciclo de vida del producto sin ningún residuo, apoyando así una economía circular.
Un tercer aspecto de la presente invención se refiere al uso de la matriz de liberación de la invención obtenida mediante el método de preparación anteriormente descrito para la liberación controlada de micronutrientes en aplicaciones de agricultura, horticultura o aplicaciones afines.
Un aspecto adicional de la presente invención se refiere al uso de la matriz de liberación de la invención obtenida mediante el método de preparación anteriormente descrito para la liberación controlada de agua en aplicaciones de agricultura, horticultura o aplicaciones afines.
En una realización preferida la matriz de liberación de la invención obtenida mediante el método de preparación anteriormente descrito se usa para la liberación controlada onjunta de agua y/o micronutrientes en aplicaciones de horticultura y agricultura o afines.
En la presente invención el término "aislado proteico vegetal" se refiere a la materia prima usada para el soporte que retiene el micronutriente incorporado. Particularmente, el término "aislado proteico de soja" se refiere a un subproducto de la producción industrial de aceite de soja revalorizado.
En la presente invención el término "micronutriente" se refiere a elementos necesarios por los cultivos en cantidades trazas (de partes por millón) pero esenciales para su correcto funcionamiento, como por ejemplo zinc, manganeso, hierro, y cobre, entre otros.
En la presente invención el término "medio extractante" se refiere al solvente utilizado para la extracción del plastificante en la etapa de inmersión, como por ejemplo agua o alcoholes entre los que se encuentran sin carácter limitativo: metanol, etanol, propanol, butanol, pentanol, alcohol fenetílico, fenol y alcohol isopropílico.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Fig. 1. Diagrama de los pasos llevados a cabo en el método de obtención de las matrices de soja para la liberación controlada de agua y micronutrientes. SPI: aislado proteico de soja. Gly: glicerina. MN: micronutriente.
Fig. 2. Resultados de espectrometría de emisión atómica sobre la cantidad de micronutrientes incorporados usando cada uno de los protocolos propuestos: Protocolo 1: Inclusión del micronutriente en el mezclado e inmersión en agua; Protocolo 2: Inclusión del micronutriente en el mezclado e inmersión en etanol. y mezclas agua/etanol; Protocolo 3: Inclusión del micronutriente en la inmersión en una disolución aturada de sal que contenga el micronutriente.
Fig. 3. Resultados de la capacidad de absorción de agua de cada una de las matrices objeto de esta invención, obtenidos mediante inmersión de las matrices en 300 mL de agua destilada durante 24 h.
Fig. 4. Resultados de la liberación controlada de micronutrientes en el suelo de cultivo, obtenidos mediante medición de la conductividad del lixiviado obtenido tras incorporar 20 mL de agua corriente a una porción de suelo que contiene una de las matrices objeto de esta invención.
EJEMPLOS
A continuación, se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la efectividad del producto de la invención.
Ejemplo 1. P rotocolo 1 de preparación de la matriz
El primer paso es la homogenización de la materia prima creando una masa. Para ello, se empleó un 45 % de aislado proteico de soja, 45 % de glicerina y un 10 % de sulfato de zinc monohidratado. La homogenización se llevó a cabo en una mezcladora rotativa discontinua HAAKE POLYLAB de ThermoHaake, en condiciones adiabáticas y 50 rpm durante 10 min.
Esta masa obtenida pasó a una etapa de moldeo por inyección en un equipo HAAKE MINIJET SYSTEM II de ThermoHaake, para obtener matrices bioplásticas de 60x10x1 mm3. Para ello, se usó una temperatura de precámara de 40 °C y una temperatura de molde de 90 °C. La inyección se realizó desde la precámara hasta el molde con la ayuda de un pistón que aplica una presión de 600 bar durante 20 s. Finalmente, la matriz bioplástica permaneció en el molde a 90 °C y con una presión de 200 bar durante 300 s.
Cuando la pieza se extrajo del molde, se sometió directamente a un tratamiento térmico en un horno convencional a 50 °C durante 24 h.
Una vez reforzada la matriz en el tratamiento térmico, esta se sumergió en 300 mL de agua destilada con la finalidad de eliminar el plastificante usado (glicerina) . La matriz permaneció en el medio extractante durante 24 h para asegurar la eliminación completa el plastificante.
La matriz húmeda tras la inversión se congeló a -40 °C durante 2 h como paso previo a la liofilización, la cual se realizó en un equipo LYOQUEST de Tesltar a -80 °C y 0, 1 mbar durante 24 h.
Una vez sacada la matriz del equipo de liofilización, está lista para su uso como dispositivo de liberación controlada de agua y micronutrientes para los cultivos.
Ejemplo 2. P rotocolo 2 de preparación de la matriz
El protocolo 2 sigue las mismas pautas y parámetros que el protocolo 1 hasta la eliminación del plastificante. En este caso la eliminación del plastificante se realizó sumergiendo la matriz en 300 mL de etanol durante 12 h. Seguidamente, la matriz se dejó secar a temperatura ambiente (25 °C) durante 24 h, donde todo el etanol se evaporó, consiguiendo el producto deseado.
Ejemplo 3. P rotocolo 3 de preparación de la matriz
En este caso, la materia prima empleada en el mezclado fue un 50 % de aislado proteico de soja y un 50 % de glicerina. Esta materia prima se homogeniza e inyecta siguiendo los mismos parámetros explicados en el protocolo 1. Una vez formada la matriz bioplástica, esta se sumergió en 300 mL de una disolución saturada de sulfato de zinc durante 24 h, con la finalidad de eliminar el plastificante (glicerina) e introducir el micronutriente.
La matriz húmeda tras la inmersión se congeló y liofilizó siguiendo el mismo procedimiento explicado en el protocolo 1.
