LA QUITINA Y EL QUITOSANO Y SUS DIVERSAS UTILIDADES

 

QUITOSANO

El quitosano es el biopolímero natural más abundante, después de la celulosa derivado de la desacetilación de la quitina, la cual es obtenida de los caparazones de crustáceos como: el camarón, langosta y cangrejo. Tiene capacidades y propiedades como inductor de defensas. Las propiedades agronómicas del quitosano son antifúngicas, antimicrobianas, antivirales, inductoras de defensas y estimuladoras de crecimiento.[1]

La sostenibilidad ecológica asociada a su ejercicio y flexibilidad del quitosano debido a sus grupos funcionales activos hidroxilo y amino lo convierten en un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones mediante diversas modificaciones. La biodegradabilidad y la biocompatibilidad del quitosano y sus derivados, junto con sus diversas funcionalidades químicas, los convierten en portadores prometedores para aplicaciones farmacéuticas, nutricionales, medicinales, medioambientales, agrícolas y biotecnológicas, y aplicaciones biotecnológicas. [11]

Fig. 1. Crustáceo [1]

ESTRUCTURA DEL POLÍMERO

Albert Hofman fue un químico e intelectual suizo que nació el 11 de enero de 1906 en Basile y murió el 29 de abril de 2008 en el mismo ligar, fue quien describió por primera vez la estructura de la quitina. [2]

Fig. 2. Albert Hofmann [2]

El siguiente video permite comprender de manera general al quitosano por lo cual es conveniente verlo a manera de introducción a este blog.

ESTRUCTURA QUÍMICA DE LA QUITINA Y EL QUITOSANO

La quitina esta constituida por el disacárido quitobiosa formado por la unión β(1-4) de moléculas β-D-N acetil glucosamina. [3]

Fig. 3. Estructura química de la quitina y el quitosano [3]

TÉCNICAS DE OBTENCIÓN

La quitina es un polímero de origen natural, este se puede extraer de [4]:

• Las paredes celulares de los hongos
• Exoesqueleto de crustáceos
• Estructura interna de invertebrados
• Alas de insectos 
• Artrópodos
• Algas

Actualmente, la principal fuente de exoesqueletos proviene de los desechos de la industria pesquera de camarón, langostinos y cangrejos, representando millones de toneladas de basura a nivel mundial.  La cantidad de exoesqueleto residual representa entre el 45 y 55% en cangrejos y 35% en langostinos [5].

Fig. 4. Optimización en el proceso de obtención del quitosano [6]

Fig 5. De la materia prima al producto [7]

El aspergillus niger es un hongo utilizado en la producción industrial de ácido cítrico, un ácido orgánico tricarboxílico, mediante fermentación. Después de este proceso el hongo que se recupera se conoce como micelio, un subproducto industrial que posee un suministro estable, de fácil manipulación, además de un bajo precio. Se halló que el tratamiento con agua subcrítica de micelio permite obtener un complejo quitina-glucano. [8]

Algunas algas rojas contienen quitina en su pared glucídica. [9]

Fig. 6. Alga roja [9]

La pared celular de los hongos esta compuesta por quitina. El Aspergillus niger es un hongo utilizado en la producción industrial de ácido cítrico por medio de la fermentación. Después de este proceso es recuperado el micelio, un tipo de hongo que es una importante fuente de quitina.[9]

TÉCNICAS DE FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN

Difracción de Rayos X (DRX) del quitosano obtenido

La difracción de rayos X es una técnica para la caracterización del quitosano, es utilizada para la comparación entre el quitosano comercial proveniente de caparazón de cangrejo desacetilada <75% (SIGMA-ALDRICH, Alemania) y los quitosanos obtenidos mediante diversas técnicas, estas pueden ser la microscopía de barrido SEM, inmersión de solución de hidróxido de sodio, entre otras. Ver Figura 7 [10]

Fig. 7. DRX de las muestras de quitosano obtenido y quitosano comercial [10]

Inmersión de solución de hidróxido de sodio

Esta técnica hace referencia a la obtención y caracterización del quitosano mediante tres etapas establecidas por los autores Quintana y Ospina. [10]

Fig. 8. Metodología para la extracción de la quitina y quitosano. [10]

En la primera etapa, los científicos clasificaron el material, lo secaron a una temperatura de 40° C durante dos horas, luego realizaron la trituración por molienda, y separaron las partículas en tamaños entre 0,8mm y 1,5 mm. [10]

La segunda etapa fue la obtención de la quitina por procesos de: desproteinización en el que usaron la solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 3,5% en una relación de sólido: líquido 1:10 en 90°C bajo agitación constante por dos horas, y para la desmineralización usaron la solución de ácido clorhídrico (HCl) 2N en una proporción de sólido al 3,5% en una relación de sólido: líquido 1:5 por 90 minutos a temperatura ambiente. Luego, la quitina que los autores obtuvieron en esta etapa fue lavada y secada en estufa por 30 minutos a 80°C. [10]

En la tercera etapa obtuvieron el quitosano que consistió en la desacetilización de la quitina obtenida,  para luego hidrolizar los grupos de amino presentes. Para ello, nuevamente usaron la solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 50% en una relación de sólido: líquido 1:10 a 100 °C bajo agitación constante por una hora, con el fin de obtener la muestra de biopolímero lavado con agua destilada, filtrado y secado en estufa por 30 minutos a 80°C. [10]

Microscopia de barrido SEM 

Esta técnica hace referencia a la obtención y caracterización de matrices con microestructura controlada de quitosano siguiendo el protocolo propuesto por Bae. [10]

La técnica se plantea modificando la concentración de la solución de quitosano y reduciendo el tiempo de agitación. Para ello, se prepara una solución de quitosano al 2% p/v, solubilizando el quitosano en una solución de ácido acético al 1%, la cual se debe mantener bajo agitación constante por un período de 4 horas. Después, la solución de quitosano preparada se coloca dentro de una jeringa graduada de 20 mL. [10]

Posteriormente, a un vaso de precipitado se adiciona etanol al 70%,el cual se debe mantener a una temperatura entre -5°C y -8°C con la adición de hielo seco, y tubos cónicos de polipropileno de 50 mL con 10 mL de hexano grado analítico como solvente orgánico (MERCK, 96%). En cada tubo dispuesto con el hexano, se vierte la solución de quitosano mediante goteo manual manteniendo una velocidad de adición constante de una gota por segundo. Una vez congelada la solución de quitosano en el hexano y conformada la matriz, se llevan al proceso de secado en liofilizador por 24 horas. Ver Figura 9 [10]

Fig. 9. Matrices obtenidas luego de la liofilización. [10]

Finalmente, según el protocolo establecido, la matriz se conforma una vez la solución de quitosano cae y entra en contacto con el hexano frío, congelándose inmediatamente y precipitándose, para amoldarse entre sí y generar los poros y las paredes del cuerpo poroso. [10]

Fig. 10. Microscopía electrónica de barrido a través de SEM.[10]

La Figura 10 muestra la microscopía electrónica de barrido SEM de las matrices obtenidas. En ella se puede observar la morfología de las estructuras. Esta microscopía muestra la existencia de poros abiertos en los cuerpos porosos y su interconectabilidad.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] ELSEVIER, "Chitosan for biomedical applications, promising antidiabetic drug delivery system, and new diabetes mellitus treatment based on stem cell", ScienceDirect, 2021.

[2] "Albert Hofmann - EcuRed", Ecured.cu. [Online]. Available: https://www.ecured.cu/Albert_Hofmann. [Accessed: 03- Nov- 2021].

[3] P. LÓPEZ CALVACHE, OBTENCIÓN DE QUITOSANO A PARTIR DE DESECHOS DEL EXOESQUELETO DE CAMARÓN TITÍ (XIPHOPENAEUS RIVETI) PARA EL DESARROLLO DE PELICULAS POLIMÉRICAS PLASTIFICADAS CON GLICERINA. Cali: UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA, 2021.

[4] M. Ramírez and A. Rodríguez, La quitina y sus derivados, biopolímeros con potencialidades de aplicación agrícola. Ciudad de la habana, 2010.

[5]  J. Belandria Briceño and N. Morillo de Montie, Actualmente, la principal fuente de exoesqueletos proviene de los desechos de la industria pesquera de camarón, langostinos y cangrejos, representando millones de toneladas de basura a nivel mundial. La cantidad de exoesqueleto residual representa entre el 45 y 55% en cangrejos y 35% en langostino. Santiago de Cuba: Revista Cubana de Química, vol. XX, núm. 3, 2008, pp. 17-26, 2021.

[6] J. Bernadette Dima, N. Zaritzky and C. Sequeiros, OBTENCIÓN DE QUITINA Y QUITOSANO A PARTIR DE EXOESQUELETOS DE CRUSTÁCEOS PATAGÓNICOS: CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES. CONICET. Available: http://www.cursobioeconomia.mincyt.gob.ar/wp-content/uploads/2014/12/4.-Obtenci%C3%B3n-de-quitina-y-quitosano-a-partir-de-exoesqueleto-de-crust%C3%A1ceos-patag%C3%B3nicos-caracterizaci%C3%B3n-y-aplicaciones-J.-Dima.pdf

[7] Steemkr.com. [Online]. Available: https://steemkr.com/spanish/@hirianni/el-quitosano-or-un-biopolimero-abundante-e-innovador-con-muchas-aplicaciones. [Accessed: 03- Nov- 2021].

[8] G. Portillo, "Características, propiedades y usos de las algas rojas", De peces. [Online]. Available: https://www.depeces.com/algas-rojas.html. [Accessed: 03- Nov- 2021].

[9] J. GARCÍA DIOSA and L. ORDÓÑEZ BELTRÁN, DESARROLLO DE UN PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE QUITINA A PARTIR DE MICELIO UTILIZANDO AGUA SUBCRÍTICA. Santiago de Cali: Universidad del Valle, 2021.

[10] D.Escobar, C.Urrea, M.Gutiérrez, y P.Zapata. ¨Producción de matrices de quitosano extraído de crustáceos¨, Revista Ingeniería Biomédica, vol. 5, no. 9, pp. 20-25, junio 2011.  

[11] Carbohydrate Research "Recet advances of emerging green chitosan-based biomaterials with potential biomedical applications: A review", 2021.