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Colas animales (página 2)

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Posteriormente, en Rusia, se demostró que los extractos de colágeno en soluciones de citrato ácido contenían una proteína natural, pudiendo ser reconstituida por diálisis para dar colágeno fibroso. Orekhovitch demostró que el colágeno soluble podía ser obtenido por extracción con amortiguadores de citrato ácido, desde un Ph 3 a un PH 4,5 a partir de cualquier colágeno y, en particular, en grandes cantidades a partir de animales jóvenes. A esta materia le aplicó la denominación de procolágeno, queriendo con ello expresar la creencia de que el colágeno ácido-soluble era el precursor biológico del fibroso o colágeno insoluble. Comercialmente, el colágeno soluble se obtiene de los tejidos conjuntivos por extracción mediante amortiguadores ácidos o por solubilización en el decurso del procesos alcalinos o enzimáticos. Los métodos de producción de colágeno ácido soluble se hallan basados en tónicas desarrolladas a fines investigativos, pero omitiendo de éstas algunas etapas purificativas y acentuando el carácter ácido de la operación, se logran niveles de producción muy aceptables.

Propiedades generales

El colágeno nativo posee propiedades muy particulares que no se encuentran en los productos de degradación, es decir, en la gelatina. La reactividad bioquímica del colágeno nativo proviene, sustancialmente, de los telopéptidos de las extremidades de la cadena polipeptídica, ello de una parte y, de otra, de su propia estructura. Las películas preparadas a partir de soluciones de colágeno nativo son muy resistentes. Las soluciones de gelatina por evaporación, tienden, en general, a la pulverización y algunas veces proporcionan películas muy frágiles. Las películas de colágeno nativo se adhieren fuertemente a las capas queratinizadas de la hepidermis humana y poseen un importante poder de retención de agua. El colágeno nativo extendido sobre la piel posee un aspecto de alisamiento sobre las pieles secas, disminuyendo el aspecto arrugado y exfoliado de las pieles ancianas. FORMULACIÓN Las soluciones de colágeno nativo pueden adicionarse a las dispersiones emulsiones cosméticas iónicas acidas o no iónicas, en dosis comprendidas entre el 5 y el 10%. INCOMPATIBILIDADES El colágeno soluble es incompatible con el. calor, la luz, los taninos y a Ph muy alcalino.

FORMACION DEL COLAGENO Fase intra-fibroblástica A partir de la estructura de Pro-colágeno, se forman todos los tipos de colágeno.

Fase extra-fibroblástica En la salida del fibroblasto las moléculas de pro-colágeno sufren la acción de dos proteasas cuyo cofactor es el calcio, que rompen los enlaces de los péptidos de extensión:

  • La pro-colágeno aminopeptidasa que libera la porción semi-helicoidal.

  • La procolágeno carboxipeptidasa que libera el péptido globular. La molécula obtenida se denomina tropo-colágeno. Esta molécula elemental se presenta bajo la forma de bastoncillo rígido constituido de tres cadenas a polipeptídicas enroscadas en una súper-hélice.

En las extremidades de la molécula se encuentran unas secuencias polipeptídicas amorfas llamadas telopéptidos.

Las moléculas de tropo-colágeno se organizan de forma espontánea mediante enlaces electrostáticos de hidrógeno e hidrófobos para formar microfibrillas. La estabilidad del primer sistema es débil y su estructura es aún reversible. En este estadio podemos hablar de colágeno nativo neutro-soluble, pues es posible solubilizar la molécula en una solución salina a pH neutro. Maduración A nivel de los telopéptidos se establecen enlaces covalentes entre las dos cadenas polipeptídicas:

AMINOPROPEPTIDO CARBOXIPROPEPTIDO a) Dominio compacto; b) Triple hélice corta (10-12 mm); c) Telopéptido; d) Dominio globular.

- los puentes intramoleculares de tipo aldol unen las cadenas a de una misma molécula.

- los enlaces covalentes intermoleculares forman las fibras de colágeno.

El proceso de maduración conduce a la reticulación del colágeno, provocando la insolubilización de las fibras. Es el denominado colágeno nativo fibroso soluble .Así en el organismo podemos encontrar simultáneamente:

- colágeno nativo neutro-soluble - colágeno ácido-soluble (en vías de reticulación).

- colágeno nativo fibroso insoluble En base a estas diferentes solubilidades se clasifican los colágenos usados como materias primas en la fabricación de productos dérmicos.

TIPOS DE COLAGENO Se han descrito diferentes tipos de colágeno genéticamente distintos, los cuales se pueden clasificar en tres grupos atendiendo a su descripción bioquímica y morfológica:

Colagenos mayores

Colágeno tipo I Formado por la asociación en triple hélice de dos cadenas polipeptídicas idénticas y de una cadena genéticamente distinta (a 1 I)2 y a 2 I.

Su organización supramolecular es de fibrillas. Se encuentra en todos los tejidos conjuntivos y es totalitario a nivel del hueso y dentina.

Colágeno tipo II Formado por asociación en triple hélice de tres cadenas polipeptídicas idénticas (a 1 II)3.

Posee organización supramolecular en finas fibrillas. Se encuentra a nivel de cartílagos y del humor vítreo ocular.

Colágeno tipo III Formado por la asociación en triple hélice de cadenas polipeptídicas idénticas (a 1 III)3.

Este colágeno posee residuos de cisteínas que permiten la formación de puentes disulfuro en el seno de la hélice. Su organización supramolecular es de finas fibrillas formando una fina red reticular. Este colágeno asociado al colágeno de tipo I se encuentra en la mayor parte del tejido conjuntivo.

Colágeno tipo IV Formado por dos cadenas polipeptídicas diferentes a 1 IV y a 2 IV cuya composición molecular aún no está esclarecida.

Posee zonas colagénicas y zonas no colagénicas, pues su baja cantidad de glicina proporciona zonas no organizadas a nivel de la porción helicoidal. Este colágeno se encuentra en las membranas basales.

Colágeno tipo V Formado por tres cadenas polipeptídicas a 1 V, a 2 V, a 3 V. La composición molecular de la cadena a V está aún por definir.

Posee extremidades de estructura no colagénica que permiten asociaciones muy estables.

Se encuentra en la zona pericelular y en asociación con las fibras de colágeno intersticial.

LOS NUEVOS COLAGENOS Colágeno embrionario de tipo I trímero Formado por tres cadenas a I.

Colágeno tipo VI "intima colágeno" Formado por tres cadenas polipeptídicas diferentes "cadenas cortas", a 1 (VI) o SC1, a 2 (VI) o SC 2 y a 3 (VI) o SC3. Se encuentran formando una triple hélice de pequeña longitud. Colágeno tipo VII "LC colágeno" Formado por tres cadenas polipeptídicas LC (long chains). Se encuentran formando una triple hélice de larga longitud.

Colágeno tipo VIII o "colágeno endotelial" Formando por tres cadenas proteicas EC1, EC2, EC y por secuencias no colagénicas.

COLAGENOS MENORES DEL CARTILAGO Colágeno tipo IX Formado por dos fragmentos: HMW y LMW. El HMW (high molecular weight) está compuesto por tres cadenas diferentes que presentan puentes disulfuro intercatenario en el centro del fragmento. El LMW (low molecular weight) igualmente posee tres cadenas diferentes con puentes disulfuro.

Colágeno tipo X Posee una parte globular no colagénica en un extremo de la molécula. No posee puentes disulfuro. Este colágeno parece que sólo se sintetiza durante la formación del cartílago o en el interior de los geles de colágeno.

Nos centraremos en la descripción del colágeno tipo I, por ser el de mayor proporción en los vertebrados.

Rich y Crick en 1955 (7), definieron su estructura:

tres cadenas polipeptídicas a en forma de hélices de sentido izquierdo cuyos ejes se enrrollan en una super hélice de sentido derecho alrededor de un eje común. La molécula de colágeno se presenta como un bastón de 300 nm de longitud y 15 A de diámetro. Contiene 1050 aminoácidos. La secuencia glucina- prolina- hydroxiprolina es repetitiva y juega un papel importante en la estabilidad de la molécula. Existen hidratos de carbono (unidades mono y disacáridos galactosa y galactosa-glucosa) que intervienen en el proceso de reticulación.

La rigidez de la triple hélice se debe a los enlaces de hidrógeno que se forman entre los grupos peptídicos, en los cuales pueden intervenir de forma eventual moléculas de agua e interacciones hidrófobas de Vander Waals.

La presencia de fracciones pirrolidino de la prolina y la hidroxiprolina, contribuye a la estabilidad térmica relativa de la molécula. En las extremidades de la triple hélice, existen dos partes amorfas: los telopéptidos, cuyas cadenas son pobres en glicina y prolina, y bastante ricas en tirosina. No poseen estructura helicoidal. Su papel es importante en la maduración del colágeno pues es en este nivel donde se establecen los enlaces transversales covalentes. Finalmente existen los péptidos terminales N y C que son los péptidos formadores de la triple hélice y que son extirpados durante la excreción fuera del fibroblasto durante la síntesis colagénica.

- Morfología:

El tejido conjuntivo está formado de haces de fibras de diferentes tamaños (desde micras hasta centímetros) según la especie. Cada fibra está constituida por la asociación de varias fibrillas. Esta estructura periódica se explica por la ordenación de una rejilla de moléculas de colágeno. Las fibrillas de este enrejado están desplazadas en un cuarto de su longitud.

-Degradación:

El colágeno se degrada, en condiciones fisiológicas, por enzimas específicos (colagenasas, proteasas neutras y catepsinas lisosomiales). Las colagenasas, principales enzimas de degradación, son unos metaloenzimas que precisan la presencia de dos cofactores: calcio y zinc. La colagenasa produce una rotura en un punto específico de cada cadena de colágeno:

- un fragmento N-terminal (3/4 de la molécula) - un fragmento C-terminal (1/4 de la molécula) Esta hendidura comporta la pérdida de conformación de la triple hélice, liberando las cadenas nativas y facilitando el ataque por los enzimas proteolíticos específicos. Según Light y Bailes, el número de enlaces cruzados reducibles, disminuye con el paso del tiempo y se van reemplazando por enlaces estables, lo que proporciona cambios químicos y físicos (disminuye la solubilidad, la susceptibilidad a los enzimas, retención de agua y resistencia a mecánica).

COLAGENOS COMERCIALES El colágeno comercial puede presentarse de diferentes formas, sólido o líquido, representativas de distintos estados estructurales de la molécula en los tejidos conjuntivos y de las transformaciones que sufre desde su extracción y su preparación como materia prima.

El colágeno se extrae industrialmente de la dermis y de tendones de bóvidos y del cerdo. Otra fuente es a partir de la placenta humana. Ultimamente, se ha obtenido una proteína colagénica del tejido conjuntivo de peces con esqueleto óseo (teleostenos). Se distinguen:

Colágeno nativo: colágeno que no ha sufrido ninguna modificación de su estructura inicial; así pues posee íntegramente sus cadenas polipeptídicas y sus telopéptidos. Puede ser soluble o insoluble.

  • colágeno nativo neutro-soluble: es aquel que puede ser solubilizado con una solución salina a pH neutro. Se corresponde al estado en que la estructura fibrilar es aún frágil y reversible. Existe en muy poca proporción, por lo que no se extrae normalmente para usos industriales.

  • colágeno nativo ácido-soluble: se extrae por contacto con soluciones ácidas, precipitaciones salinas y diálisis. Su fuente de extracción son los tejidos jóvenes, donde se encuentra el colágeno poco reticulado.

  • colágeno nativo insoluble: con el transcurso del envejecimiento en vivo, el colágeno se retícula, se estabiliza, conduciendo a la insolubilidad progresiva de las fibras. Este colágeno fibroso insoluble es extraído de la dermis por un tratamiento a base de ácidos orgánicos fuertes.

Colágeno desreticulado: La extracción se realiza por tratamiento enzimático. Los enzimas rompen los telopéptidos de la molécula de colágeno permitiendo liberar la zona de triple hélice.

La integridad de la estructura triple helicoidal se mantiene y la solubilidad de la molécula aumenta. Se pueden encontrar soluciones acuosas del 3% de colágeno desreticulado, mientras que sólo existen de 0,5% máximo para el colágeno nativo soluble.

Colágeno desnaturalizado: Existen métodos extractivos basados en el uso de agentes desnaturantes, que permiten obtener un colágeno cuya estructura helicoidal está más o menos destruida. Estamos ya en la denominación de Gelatina.

Colágeno degradado: La degradación corresponde a la rotura de las cadenas a. Se caracteriza por poseer cadenas peptídicas de masa molecular menor a 100.000. Estos colágenos también forman parte de las gelatinas.

Derivados del colágeno

  • Hidrolizados de colágeno: son soluciones acuosas de un lisado de proteínas de la dermis de animales. Su peso molecular medio es de 1.500.

  • Colágeno liofilizado: se obtiene por liofilización de un gel de colágeno fibroso nativo. Se presenta en forma de láminas.

  • Colágeno reticulado: se trata de un colágeno polimerizado después de sufrir un proceso de oxidación seguida de una neutralización. Permite obtener colágenos de solubilidades variables según su grado de reticulación y la posibilidad de unión a otras moléculas.

El termino cola animal, se aplica generalmente a colas preparadas a partir de colágeno de mamíferos, proteína principal del cuero, huesos y tendones. Otros tipos de cola de procedencia animal se designan de acuerdo con el material de que derivan; Por ejemplo, cola de caseina.

Distinción entre cola y gelatina Cuando el colágeno de proteínas insoluble se trata con ácidos, álcalis o agua caliente, se convierte lentamente en un material soluble. Si la proteína original es bastante pura y la transformación se hace por procesos lentos, el producto de lato peso molecular se llama gelatina y puede emplearse con fines comestibles y fotográficos. El material de peso molecular mas bajo producido por tratamiento mas energético de fuentes de colágeno menos tratables es normalmente mas oscuro y esta mas impurificado. A esto se le llama cola animal. Los materiales intermedios pueden denominarse gelatinas técnicas o colas de alta calidad. La distinción es sin embargo arbitraria y se basa mas en la pureza que en las propiedades físicas. Por ejemplo ciertas gelatinas comestibles pueden tener pesos moleculares mas bajos que los de la mayor parte de las colas.

Fabricación de colas animales La composición química del colágeno obtenido a partir de una gran variedad de mamíferos terrestres varia muy poco. Esto es cierto igualmente tanto si se parte de huesos como de cuero. La mayor parte de colas animales se fabrican basándose en huesos o cueros de ganado. Se clasifican en dos tipos principales: cola de huesos y cola de cuero. La diferencia entre ambos tipos se debe principalmente a los diferentes métodos de tratamiento. Una pequeña cantidad de cola se hace también de cuero de conejo.

Cola de huesos El colágeno de huesos solo puede convertirse en gelatina de alto peso molecular después de la limpieza y desmineralización con ácidos. Si los huesos se tratan sin desmineralización se obtiene un material de peor calidad: la cola de huesos.

Los huesos se desengrasan en primer lugar, bien exponiéndolos al vapor de disolventes en ebullición, tales como bencina, o en los procesos mas modernos, mediante impulsos mecánicos transmitidos a través del agua fría. El proceso de desengrase en frío perjudica menos al colágeno y hace posible la obtención de productos de mayor peso molecular. Después de la limpieza mecánica (pulido) los huesos desengrasados se trasladan a autoclaves y se trasladan alternativamente con vapor a presión y agua caliente, durante varios ciclos. El vapor convierte el colágeno en cola y el agua la extrae de los huesos. De esta forma se obtiene la cola como una sucesión de soluciones diluidas. Estas pueden mezclarse o emplearse para extraer en contracorriente subsiguientes series. Las primeras soluciones, que se han expuesto al mínimo calor, dan las colas de la mas alta calidad.

Cola de cuero La mayor parte del cuero usado en la fabricación de cola y gelatina es el desecho de las fabricas de curtidos, donde recibe un corto tratamiento con agua saturada de cal. Los trozos de cuero que pueden dar origen a gelatinas de alta calidad reciben un tratamiento posterior con cal. Después de la separación de la cal con agua y ácido, se hacen algunas extracciones con agua a temperaturas crecientes para obtener una serie de soluciones diluidas. Los últimos de estos proporcionan gelatina técnica o cola de cuero. Gran parte de la cola de cuero se obtiene directamente de los desechos de las fabricas de curtidos, sin tratamiento posterior con cal, en especial de las raspaduras de la pare interior del cuero, llamadas descarnaduras. Este material debe ser tratado con agua a temperatura relativamente alta para obtener soluciones de cola.

Proceso final. Diferentes formas de cola Las soluciones diluidas de cola de huesos y de cuero se tratan de igual forma. Generalmente no se filtran en esta etapa, pero se pueden decolorar y se les puede añadir agentes preservativos. Después se concentran en evaporadores de vacío. Antiguamente se dejaban solidificar estas soluciones concentradas en forma de gelatina y se cortaban en planchas gruesas que se dejaban secar lentamente. La cola que se vende en esta forma se conoce como cola escocesa. Hoy día la cola se muele para formar un polvo, que es de empleo mucho mas practico, tiene la gran ventaja de permitir al fabricante la mezcla de diferentes series de cola, de manera que se obtengan partidas uniformes con propiedades especificas.

Las colas se pueden vender también como cubos o perlas. Estos son resultado de procesos de secado especiales y para muchos fines es conveniente emplearlos sin molienda. Las colas también se pueden expender directamente en tanques en forma de solución concentrada en caliente obtenida del evaporador. Las colas liquidas que no solidifican en forma de jalea a temperatura ordinaria, se fabrican añadiendo productos químicos que modifican las propiedades de solidificación de las colas animales ordinarias. De esta forma se fabrican productos con un amplio intervalo de propiedades. Del colágeno del pescado se obtienen también colas no gelatinosas.

Composición de las colas animales Las colas y gelatinas contienen normalmente alrededor de un 15% de agua y un 1-4% de sales inorgánicas. Pueden contener también una pequeña cantidad de grasa. La principal impureza de alto peso molecular se ha identificado como un complejo mucoproteico coagulable por el calor. La cola de huesos puede contener hasta un 6% de este material. Estas impurezas no tienen importancia o muy poca, para la mayoría de los usos de la cola. Las propiedades dependen del mayor constituyente proteínico derivado de la ruptura del colágeno. Gelatina se le llama al mayor constituyente proteínico de las gelatinas y las colas. Las gelatinas mas puras constan en gran parte de gelatina y agua.

La gelatina no puede considerarse como una sustancia simple, aunque, por lo que se sabe, las diferencias entre las clases de gelatinas obtenidas de diferentes orígenes son pequeñas. Sin embargo la gelatinas de una misma procedencia pueden tener propiedades físicas muy diferentes como resultado de diferencias en el proceso de obtención y en especial, de las diferencias en el grado de degradación que hayan sufrido al obtenerlas a partir del colágeno original.

GELATINA La gelatina es una proteína coloidal soluble en agua, hidrófila obtenida por hidrólisis controlada del colágeno (tejido conectivo fibroso blanco) que inicialmente es insoluble en agua.

El colágeno (anhídrido de gelatina) se compone de monómeros de tropo-colágeno dispuestos en forma de fibrillas entrelazadas que se configuran en tres cadenas pépticas distintas. El número y el tipo de enlaces covalentes que se establecen entre estas cadenas aumentan con la edad del animal (el menor número en los animales más jóvenes). Estos enlaces influyen en las propiedades moleculares de la gelatina resultante.

La conversión del tropo-colágeno en gelatina requiere de la ruptura de los enlaces de hidrógeno que estabilizan la hélice, transformándola en la configuración al azar de la gelatina. El producto hidrolizado depende de los enlaces cruzados que queden entre las cadenas peptídicas y de los grupos reactivos terminales aminos y carboxilos libres que se formen. Dado que las tres cadenas no son idénticas, después de la degradación resultan tres tipos básicos de nuevas cadenas: las cadenas alfa, compuestas de una sola cadena peptídica, las cadenas beta, formadas por dos cadenas peptídicas conectadas, y las cadenas gamma, con tres cadenas peptídicas interconectadas; por ello, una muestra de gelatina tiene varios pesos moleculares. La distribución de pesos moleculares de la gelatina determina características como la dispersabilidad en agua, la viscosidad, la adherencia y la resistencia de los geles. Cuando la concentración relativa de moléculas de bajo peso molecular aumenta, se reduce la viscosidad y la resistencia de los geles. Este efecto usualmente se debe a la exposición del colágeno y la gelatina a temperaturas elevadas o a una elevada acidez o alcalinidad, aunque también puede influir la calidad de la materia prima y el tiempo de maceración en álcali.

La gelatina es un derivado proteico albuminoide, a diferencia de las gomas naturales (con las que comparte algunas propiedades físicas) que son polisacáridos, y por ello tienen una composición química completamente distinta. Por ejemplo, el agar-agar también forma geles pero es un éster del ácido sulfúrico con una serie compleja de polisacáridos obtenidos de un alga. Otros extractos de alga son la gelatina japonesa o la "isinglas" japonesa (agar vegetal), la goma china o la goma irlandesa. La pectina también tiene capacidad para formar geles, pero se obtiene de las frutas. Otro producto que a veces se confunde con la gelatina es la goma explosiva (gelatina explosiva) que es una mezcla de nitroglicerina y tierra de diatomas. No tiene nada que ve con la gelatina de origen animal.

Desde el punto de vista químico, el colágeno y la gelatina están compuestos de largas cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos; los aminoácidos contiene grupos de funcionales ácidos y básicos. En la composición en aminoácidos del colágeno y de sus derivados, gelatina y cola, prácticamente no hay triptófano y las concentraciones de metionina, cistina y tirosina son muy bajas. Por esta razón, no es una proteína completa desde el punto de vista nutritivo ya que no aporta las necesidades totales de aminoácidos esenciales (los aminoácidos que no puede sintetizar el organismo en cantidades suficientes y deben ser aportados por la dieta). Sin embargo, si la gelatina se incluye en una dieta normal en conjunción con otras proteínas, puede en algunos casos incluso aumentar el valor biológico de la proteína añadida. En estos casos de combinación proteica la gelatina es una buena fuente de proteínas. Cuando se emplea un sustituto del azúcar con la gelatina, los postres obtenidos son muy adecuados para regímenes ya que requieren más calorías para ser digeridos de las que ellos mismos aportan (principio de la acción dinámica específica). La gelatina se emplea con frecuencia como agente terapéutico en casos de alimentación infantil y en pacientes con problemas digestivos, con úlceras pépticas, desordenes musculares y para favorecer el crecimiento de las uñas. A diferencia de otras proteínas, el colágeno tiene una gran riqueza de los aminoácidos prolina e hidroxiprolina. La cantidad de esos aminoácidos es usualmente un índice de la cantidad de colágeno en una mezcla de proteínas.

MATERIAS PRIMAS El colágeno constituye el 30% de toda materia orgánica del cuerpo de un animal, o el 60% de las proteínas totales del cuerpo, por lo cual es obvio que se pueden utilizar muchos tejidos como materia prima para la fabricación de gelatina. Los tejidos con las mayores cantidades de colágeno, que se pueden encontrar entre los subproductos son usualmente las pieles y los huesos. El resto de las materias primas solo se emplean en pequeñas cantidades. En contra de la opinión popular, los cuernos, los pelos, las plumas y las cáscaras de los huevos no se pueden emplear para fabricar gelatina.

FABRICACIÓN DE GELATINA El objetivo en la elaboración de gelatina es controlar la hidrólisis del colágeno (de diversas procedencias) y convertir el producto resultante en un material soluble con las propiedades físicas y químicas deseables, entre las que están la resistencia de los geles, adherencia, color, consistencia y transparencia. Esencialmente, el proceso consiste en tres etapas fundamentales:

  • Separación del colágeno del resto de los componentes de la materia prima con la mínima alteración posible

  • Hidrólisis controlada del colágeno para su conversión en gelatina

  • Recogida y desecación del producto final

Todos estos pasos y la materia prima inicial influyen en la calidad y rendimiento. Es necesaria una hidrólisis controlada para convertir el colágeno (cuyo peso molecular oscila entre 345.000 y 360.000) en gelatina (con un margen de pesos moleculares de 10.000 a 65.000, y solo e algunos casos llegando a 250.000). sin embargo, una hidrólisis prolongada provoca pérdidas en los rendimientos y en las propiedades deseables. Asimismo, la naturaleza y condiciones de la materia prima pueden influir notablemente en el producto final. La gelatina obtenida no solo puede variar dependiendo de la propia naturaleza de la materia prima sino que también puede variar si los productos tienen distintas procedencias e incluso dentro de los mismos productos de una misma procedencia se producen diferencias diarias de origen biológico.

Esencialmente existen tres procesos para obtener gelatina a partir del colágeno con variaciones y combinaciones de los procedimientos. Los procesos básicos son los denominados alcalino, ácido y por vapor a presión.

Procedimiento alcalino (gelatina tipo B) El sistema más ampliamente empleado a nivel comercial es el sistema alcalino. Cualquier material con colágeno (pieles, nervios, oseína de los huesos) puede procesarse con esta técnica. La materia prima conteniendo colágeno se lava bien en un cono de lavado, que es un recipiente de forma cónica que se desplaza en un tanque, en un agitador cilíndrico (particularmente útil en el caso de los huesos) con un cilindro rotativo que eleva materia prima y la deja caer en el agua, o en un lavadero de pulpa de papel, que consiste en un tanque semicircular y una paleta rotativa suspendida por encima, que emerge parcialmente en el baño (similar al sistema empleado en las industrias de curtición). En el baño se consigue que la materia prima se remoje perfectamente con agua fría. A continuación, se sustituye el agua por una solución de hidróxido cálcico, preparada disolviendo cal (oxido de calcio) en agua. Normalmente se añade cal en exceso para mantener una concentración saturada de hidróxido cálcico durante todo el prolongado periodo de tratamiento, aunque un procedimiento alternativo consiste en renovar periódicamente el agua de cal durante el tratamiento. La cantidad de cal utilizada es aproximadamente el 10 % del peso de la materia prima. Se puede utilizar cualquier base soluble en agua, pero la cal es preferible porque su solubilidad a saturación consigue de una forma regular la alcalinidad deseada y porque no hidrata tanto el colágeno como otras bases con el mismo valor del pH. La alcalinidad hace que ls sustancias distintas del colágeno como las queratinas, globulinas, muco polisacáridos, elastina, musinas, albúminas y el mucus se modifiquen, haciéndose más solubles. También las grasas se convierten en productos polares. De esta forma todos estos productos se eliminan fácilmente con el subsiguiente lavado. El remojado alcalino o encalado produce también alteraciones químicas (reacciones hidrolíticas) en el colágeno, pero sin que tenga lugar ninguna solubilización apreciable, por lo que la solubilización térmica tiene como misión solo romper las débiles fuerzas de tipo físico que mantienen la estructura fibrilar del colágeno. E el procedimiento del encalado se libera amoniaco que procede de los grupos amida del colágeno. Después de este proceso las fibras de colágeno están hinchadas y la cohesión interna se reduce. Este hecho posiblemente se debe a la ruptura de ciertos enlaces peptídicos ya a la introducción de nuevos grupos iónicos en las moléculas. Se trata fundamentalmente de un proceso de despolimerización en el que unos cuantos grupos específicos se rompen, dando lugar a una hidrólisis de los enlaces cruzados que mantienen las unidades de proto-colágeno, con lo que el colágeno se convierte en un producto en el que solo se mantienen los enlaces intramoleculares de las unidades básicas, de forma que cuando la hélice se despliega por efecto del calor las moléculas se solubilizan fácilmente en el agua. Existen datos que permiten pensar en el que el procedimiento alcalino la gelatina mantiene moléculas ligeramente ramificadas, con peso molecular medio de 30.000 (margen de 10.000 – 60.000).

La duración del encalado depende de la materia prima y de la temperatura así como el producto final deseado, pero usualmente se requiere de siete días a tres meses, correspondiendo el periodo más prolongado al procesado de la oseína. Los nervios requieren 30 – 45 días de encalado; las pieles de cerdo requieren de 15 – 20 días y no es necesario desgrasarlas antes.

Las pieles curtidas con taninos vegetales se tratan previamente para eliminar los taninos con un álcali medio como el borato o el carbonato sódico y posteriormente se extraen en el proceso alcalino. Los restos de pieles tratadas al cromo se remojan alternativamente en álcali diluido y ácido diluido varias veces o en soluciones de carbonato de sodio o magnesio varias veces hasta que se elimina todo el cromo. A continuación la piel se encala, se lava y se extrae en el proceso alcalino. Es posible reducir el periodo de encalado agudizando la alcalinidad de la salmuera con un 0.5 % de hidróxido sódico o un 0.5% de carbonato sódico. Algunas veces también se añade cloruro cálcico con un 0.1 % de metilamina a la salmuera. Durante el periodo de encalado desciende el punto isoeléctrico del colágeno de una pH alrededor de 6.0 (día 0) hasta 4.8 (a los 44 días), consiguiéndose la gelatina de máxima calidad cuando el punto isoeléctrico es de 5.0. el descenso del punto isoeléctrico con el tiempo posiblemente se debe a la eliminación del nitrógeno amídico, la formación de grupos carboxilos libres y la pérdida de otros grupos básicos. También depende del periodo de encalado la cantidad de gelatina que se pueda extraer, que aumenta desde el 6 % en el primer día al 37 % (extracción en una hora a 80 °C) después de 43 días en el baño de cal. Además, la resistencia de los geles (con un 6.66 % de gelatina) aumenta también desde 86 Bloom (carga en gramos requerida para producir una depresión en el gel en condiciones normalizadas) en el día 0 hasta 182 Bloom a los 43 días. Asimismo, la viscosidad aumenta también con el periodo de encalado. Sin embargo, si el periodo de encalado es excesivo puede ser peligroso. Algunas veces el colágeno se degrada totalmente de forma que no es posible recoger la gelatina. El sobre-encalado puede presentarse cuando se procesan tejidos de animales jóvenes o cuando la temperatura ambiente es superior a 30°C. No existen pruebas de precisión para determinar el periodo idóneo de encalado. Los buenos resultados, en gran medida, aún son solo fruto de la experiencia. Una vez completado el periodo de encalado se rebaja el pH y la materia prima se lava con agua fría para eliminar la cal (la cal es más soluble en agua fría), lavado que usualmente dura de 1 – 2 días. El colágeno se mantiene hinchado y con una reacción alcalina después del lavado y hay que neutralizarlo con ácido clorhídrico o ácido sulfuroso diluidos (el ácido se obtiene disolviendo el dióxido de azufre en agua, que también blanquea y conserva el producto). Este proceso se continúa hasta que el colágeno se deshincha y pierde consistencia. Entonces se lava el ácido y se hace un lavado final con sulfato alumínico o sulfato de zinc diluidos. Estos productos endurecen el colágeno y mejoran ligeramente el color. Si se va a fabricar cola se emplean mayores cantidades de sulfato de zinc para controlar el crecimiento bacteriano. La materia prima debe tener entonces un pH entre 5 y 8 (normalmente entre 6 y 7) y está lista para la extracción del colágeno en forma de gelatina.

La materia prima tratada se carga en recipientes de extracción y se procede a una serie de cocciones (normalmente de 6 a 12, que reciben el nombre de primera, segunda, tercera, etc) cada vez a mayor temperatura. Las extracciones usualmente se empiezan a 54 – 60 °C durante 3 – 5 horas y se sigue hasta la temperatura de ebullición. El producto de mayor calidad (el de mayor resistencia de los geles y mayor transparencia) se obtiene a las temperaturas de extracción más bajas, pero el rendimiento aumenta a las temperaturas superiores. Lo más común es conseguir un 1 – 5 % de cola o gelatina en cada extracción. El residuo o "chicharrón" se prensa, se seca y se vende como alimento para el ganado o fertilizante. Cada extracción se obtiene y se procesa por separado.

Los extractos líquidos se filtran a presión en filtros de celulosa esterilizada al vapor, para aumentar la transparencia y eliminar las partículas en suspensión. A veces se emplea la centrifugación con tal fin, pero presenta el inconveniente de que se forma espuma fácilmente. Las soluciones de gelatina son difíciles de filtrar porque se obturan los poros. Con frecuencia, se añade tierra de diatomeas para facilitar la separación de las pequeñas partículas coloidales. En algunos ensayos de investigación aún no comerciales se ha visto el carbón activado añadido al 5 % y mantenido en solución durante 4 – 6 horas a 55 – 60 °C y posteriormente separado por centrifugación o filtración consigue la decoloración de las soluciones. Otro método de clarificación consiste en la adición de sulfato de aluminio o una proteína coagulable por el calor, como la albúmina de huevo, con posterior calentamiento para coagular la proteína (este procedimiento) no se usa a nivel comercial). El precipitado floculento aglutina las proteínas que producen turbidez, que pueden así eliminarse fácilmente por filtración o centrifugación.

Normalmente es necesario someter la gelatina a desionización si se quiere que el contenido en cenizas sea inferior al 0.5 %. Para ello, se hace pasar la solución de gelatina a través de una resina de intercambio de cationes fuerte, intercalada con una resina de intercambio de aniones fuerte , ambas con un tamaño de partículas grande, de 20 – 50 mesh. La ultrafiltración en membrana de exclusión para moléculas de peso inferior a 25.000 también se emplea como proceso de desmineralización.

La evaporación del exceso de agua es muy crítica ya que el aumento de temperatura e presencia de humedad (que produce una hidrólisis de los péptidos) reduce la calidad de la gelatina y un periodo excesivamente prolongado de evaporación permite el desarrollo microbiano, que también reduce la resistencia de los geles. La primera extracción debe tener la concentración adecuada y la suficiente resistencia de los geles para que gelifique si se enfría, pero las extracciones sucesivas a mayores temperaturas usualmente exigen la aplicación de un proceso de evaporación a vacío para su concentración a niveles suficientes para gelificar. Para ello se emplean evaporadores de triple efecto o evaporadores a vacío dispuestos después de un cambiador de calor que eleva la temperatura de las soluciones a 80 – 90 °C. Con los evaporadores a vacío se llega a conseguir una concentración de 11 – 17 % partir de los extractos de pieles, del 33 – 42 % en el caso de los extractos de huesos y hasta del 50 % en colas de baja calidad.

La solución concentrada de gelatina se echa sobre una plancha en la que se enfría y se solidifica (con un máximo de 12 mm de espesor), se extrae entonces de la plancha y se coloca en unas redes (de tela metálica) colocadas en unos marcos. Los marcos que contienen los geles se llevan a los túneles de desecación. El aire que entra en dichos túneles se lava, se filtra y se deseca previamente, haciéndolo circular en contracorriente, es decir, en dirección opuesta a las bandejas conteniendo los geles. La temperatura del aire se eleva gradualmente para prevenir los problemas de descamación de los geles o endurecimiento superficial. Si el aire es seco, la evaporación es suficiente para enfriar los geles y mantener la temperatura por debajo de su punto de fusión. En 8 – 12 horas se llega a obtener una lámina transparente quebradiza, con un 10 % de humedad. La gelatina sólida se comercializa en láminas o se tritura en gránulos de 35 – 40 mesh, aunque en algunos casos también se convierte en polvo.

La desecación en cilindros, con un equipo similar al empleado para obtener leche en polvo, es un método alternativo de eliminar la humedad. El líquido clarificado se distribuye en una fina película sobre un gran cilindro (6 m de diámetro) calentado por vapor que circula por una doble pared, consiguiendo en menos de 1 minuto una película fina de gelatina desecada que se retira del cilindro con la ayuda de unas cuchillas adecuadamente dispuestas.

La gelatina se puede someter a extrusión como los fideos y desecarse de esta manera sobre cintas transportadoras en túneles de desecación.

Para conseguir la deseable resistencia de los geles y viscosidad, usualmente se mezclan productos procedentes de distintas extracciones.

A la gelatina se le pueden adicionar aditivos como el glicerol o el azúcar o el aceite de alquitrán para mejorar su flexibilidad.

Precursor ácido (gelatina tipo A) El proceso ácido del colágeno se aplica usualmente a las pieles de cerdo y a los huesos, aunque sea posible preparar la gelatina a partir de cualquier producto conteniendo colágeno con este procedimiento. La técnica es particularmente útil si la materia prima contiene hueso o cartílagos. Es un procedimiento muy importante en Estados Unidos para preparar gelatina comestible a partir de cortezas de tocino congeladas (lo más popular) o saladas. Las cortezas se lavan primero para eliminar la sal o cualquier materia extraña que puedan contener (por ejemplo sangre). Como las cortezas suelen tener del 8 – 15 % de grasa es preferible quitársela antes de proceder al proceso del ácido. Para ello, se calientan las cortezas en agua caliente (55 – 60°C) dos o tres veces, agitándolas durante 4 – 6 horas para que se funda la grasa y quede en la superficie. Finalmente se lavan las cortezas en agua caliente a 40 – 55 °C. También es posible extraer la grasa con solventes, siendo los más empleados el hexano o el dicloruro de dietileno, ambos de calidad alimentaria. El proceso de extracción se sigue de un lavado para eliminar los residuos de solvente. Dadas las dificultades de manipulación de las emulsiones que se forman, los solventes se emplean poco. Las cortezas bien recortadas (si hay un exceso de grasa el producto final es turbio) se descongelan, se lavan en agua fría y se remojan en una solución diluida (alrededor del 5%; 1N en el caso de las sinovias) de un ácido inorgánico como el clorhídrico, sulfuroso (dióxido de azufre en agua), fosfórico o sulfúrico, de forma que el valor del pH sea alrededor de 4. Los ácidos sulfúrico y sulfuroso se utilizan con una normalidad de 1 – 1.5, requiriendo periodos más prolongados de remojo. A este pH ácido el colágeno se hincha y se produce una considerable solubilización. El remojo en ácido se mantiene de 10 – 72 horas (24 – 48 horas en el caso de las sinovias, 48 – 72 horas para los cartílagos de las escápulas), renovando el ácido a las 24 – 36 horas. Si el periodo de remojo en ácido se prolonga, aumenta el rendimiento de colágeno extraído, pero se reduce la resistencia de los geles y la viscosidad. Finalmente, se quita el ácido y se procede a un lavado para elevar el pH de la materia prima a 4.5. A veces se hace un enjuague con hidróxido sódico al 5 – 8 % para elevar el pH a 6 – 6.5. El lavado se continúa para eliminar las sales formadas. Si se emplean los ácidos sulfúrico o sulfuroso, las sales formadas son menos solubles y es necesario prolongar los lavados. La mayoría de las proteínas que acompañan al colágeno en la materia prima tienen un punto isoeléctrico de 4 – 5 y en consecuencia son menos solubles y se coagulan rápidamente durante la extracción. A este valor del pH el colágeno nativo se encuentra hinchado. El proceso ácido da una gelatina con un punto isoeléctrico de 8.9 (margen 8.5 – 9.4). El proceso ácido parece que solo produce una reorganización física de las estructuras del colágeno, con un mínimo de cambios hidrolíticos. En consecuencia hay solo un incremento ligero de los grupos amino primarios y de los grupos carboxilo libres. El peso molecular medio de los productos obtenidos en el proceso ácido es de 70.000 – 90.000, excepto en el caso de las vejigas natatorias del esturión, en que se han dado pesos moleculares del orden de 250.000.

Después del tratamiento ácido, el colágeno se extrae siguiendo el mismo procedimiento que el proceso alcalino, excepto que las cortezas de cerdo se pueden extraer empezando a menor temperatura que las pieles de vaca. La filtración también es más fácil. La desecación de los extractos también se completa igual que en el proceso alcalino.

La gelatina obtenida a partir de las cortezas de cerdo tiene una mayor resistencia de los geles y más transparencia y mejor color que la obtenida de las pieles de vacuno en el proceso alcalino. De las sinovias se consigue también un buen producto y usualmente se hacen múltiples extracciones. La decantación y clarificación de las sinovias se hace a 50 – 60 °C y se consigue un extracto bastante claro. Si se utilizan ácido sulfúrico o sulfuroso los extractos están más turbios y puede que sea necesario someterlos a filtración o floculación. La desecación de los extractos de sinovias se puede hacer en secadores de tambor aunque se consigue un producto de mayor calidad desecándolos por el procedimiento del túnel de enfriamiento y desecación. El isinglas se extrae en agua a 55 – 60 °C durante 4 – 6 horas. Las materias primas antiguas pueden requerir una segunda extracción. Los extractos se filtran, se concentran por centrifugación en flujo continuo y se evaporan a vacío. Después se desecan en tambor o se enfrían (5 – 10 °C) y se desecan en túneles (60 – 70 °C) hasta un 8 – 10 % de humedad.

Parece que la gelatina obtenida en el proceso ácido mantiene muchos de los enlaces cruzados del colágeno y se ha sugerido que este tipo de producto reciba el nombre de colágeno fundido soluble. Con el pretratamiento ácido se consigue una gelatina con un punto isoeléctrico de 8.9 ya que se considera que el proceso ácido solo consigue provocar reorganización física de la estructura del colágeno con un mínimo de cambios hidrolíticos y en consecuencia solo hay un pequeño incremento de grupos amino primarios y escasos grupos carboxílicos libres.

El material mantenido en ácido se somete a una serie de cocciones. La extracción inicial se hace aproximadamente a 60 °C y la temperatura se eleva en 5 – 10 °C en cada extracción sucesiva. Comercialmente se realizan de 8 – 10 extracciones y los productos se desecan rápidamente para prevenir su degradación y la contaminación microbiana. Cada extracto desecado se clasifica de acuerdo con su resistencia de los geles y viscosidad, mezclándose diversos productos para conseguir las propiedades deseadas.

Las gelatinas obtenidas en los procesos ácido y alcalino son distintas y por lo tanto los productos no son sustituibles sin más el uno por el otro en una misma aplicación comercial.

Propiedades físicas

Viscosidad

Por encima de 35-400C, en que la temperatura es bastante alta para impedir la agregación molecular debida a las fuerzas de gelificacion, la viscosidad de las soluciones de las distintas gelatinas depende de la concentración y la temperatura, de la misma forma que para una serie de polímeros homólogos. Aun cuando los resultados deben determinarse empíricamente la relación entre viscosidad con la temperatura o con la concentración forman una serie uniforme y no se cruzan uno con otro. A cualquier concentración normalizada la viscosidad de la solución de una indicación medianamente exacta del peso molecular, al menos para gelatina de punto isoelectrico similar.

La viscosidad de las soluciones de gelatina se ve afectada también por el ph y por la presencia de sales. Estos efectos que son relativamente pequeños a concentración normal son muy marcados en soluciones diluidas. Por ejemplo con soluciones del 0.2% de una gelatina desionizada de punto isoelectrico 5.1 el incremento de viscosidad debido a la gelatina era seis veces mayor a ph3 que a ph 5. Tales efectos se explican por el desarrollo de las moléculas de gelatina, debido a la repulsión de los grupos ionizados al variar la carga de las moléculas. Estas repulsiones ionicas se reducen en presencia de electrolitos. Al decrecer el ph por debajo del correspondiente punto isoelectrico, la molecula se dilata al principio y aumenta la viscosidad debido a la carga creciente de la moléculas. Por debajo de ph 3, al aumentar la cantidad de electrolito se reduce de nuevo la viscosidad.

A temperaturas por debajo de 35-400C, las moléculas comienzan a agregarse bajo la accion de las fuerzas de gelificacion y la viscosidad de las soluciones aumenta con el tiempo y puede ser no newtoniana.

Rigidez de los geles La rigidez de los geles depende de la concentración de gelatina, tiempo de maduración, ph y temperatura. Los cambios en la concentración afectan de forma similar a todas las gelatinas, dependiendo la rigidez aproximadamente del cuadrado de la concentración de la gelatina. La variación en la rigidez de los geles con el tiempo también sigue un curso similar con diferentes gelatinas. Por ejemplo con gelatinas de alta calidad, la rigidez de los geles madurados durante 24h a 100C aumenta a aproximadamente 0.4% por hora aunque la mitad del valor que corresponde a las 24h se alcanza en una hora. La rigidez sigue aumentando lentamente durante un largo periodo.

La rigidez de los geles depende del ph de una manera no totalmente predecible. Con las gelatinas de bajo punto isoelectrico, la rigidez cambia poco entre ph 5 y ph 9, pero decrece bruscamente por debajo de ph 5. Estos efectos son mas pronunciados con geles de poca consistencia. La rigidez depende mucho de la temperatura, pero la relación es compleja y varia de una concentración a otra. Así con geles preparados a partir de dos gelatinas diferentes, uno puede tener la rigidez mas alta a 100C y el otro a 200C. Tales efectos son mas pronunciados cuando los puntos de fusión de los geles son muy diferentes, puesto que en general, la velocidad de cambio de la rigidez con la temperatura aumenta cuando se esta próximo al punto de fusión. El punto de fusión puede definirse como la temperatura a la cual la rigidez se hace cero.

Por encima de un cierto peso molecular, la rigidez de un gel madurado a 00C es independiente del peso molecular de la gelatina. Por debajo del valor critico del peso molecular, la rigidez cae bruscamente a cero. Con la gelatinas normalmente que tienen una amplia distribución de pesos moleculares, la rigidez depende del peso molecular solo en cuanto concierne a la proporción de moléculas que tienen pesos moleculares por debajo del valor critico. Este valor critico se eleva cuando la temperatura a la cual se mide la rigidez, de modo que cuando al temperatura se aproxima al punto de fusión de la gelatina, la rigidez se hace cada vez mas dependiente del peso molecular. Estos efectos se muestran claramente fraccionando una gelatina mediante precipitación con alcohol. Todas las fracciones excepto las de peso molecular mas bajo, tienen la misma rigidez a 00C. Esta rigidez da una medida de las características de gelificacion intrínsecas de la gelatina considerada. La característica estructural determinante de este factor de gelificacion no se conoce, pero puede modificarse durante la fabricación. En general las condiciones de degradación durante la fabricación son tales que el peso molecular y el factor de gelificacion disminuyen de forma que en las gelatinas comerciales se observa frecuentemente cierta relación entre rigidez y viscosidad. Esto se hace mas marcado con productos de calidad inferior, en lo que puede haber un gran proporción de moléculas con pesos moleculares por debajo del valor critico de formación de gel. La degradación en medio ácido disminuye el peso molecular sin afectar el poder de gelificacion. En medio neutro o alcalino disminuyen tanto el peso molecular como el factor de gelificacion.

Esta claro que la baja rigidez obtenida con material de peso molecular muy bajo resulta del acortamiento de cadenas hasta el punto en que ya no pueden tomar parte de manera efectiva en la formación del gel. Algunos autores (ferry) sugieren que la gelificacion es el resultado del encadenamiento de moléculas en regiones de la cadena mas bien limitada, no se formara retículo alguno cuando la cadena contenga solamente dos o menos de tales regiones, lo que puede ocurrir cuando el peso molecular es alrededor de 20000. La naturaleza de las regiones capaces de formar enlaces puede relacionarse con la estructura del aminoácido. Si la forma de unión entre los grupos -CO y –NH de cadenas vecinas es un enlace de hidrogeno múltiple, solamente las regiones libres de cadenas laterales voluminosas y con carga son capaces de formar eslabones fuertemente estables.

La rigidez referida es el modulo de rigidez para pequeñas deformaciones. Las tensiones finales de rotura para geles que tienen la misma rigidez pueden ser muy diferentes y dependen del peso molecular.

La fusión de los geles y la solidificación de soluciones Las propiedades de la gelatina durante las transformaciones sol/gel y gel/sol son difíciles de investigar debido a que con el tiempo cambian. Las medida ha sido principalmente la temperatura de fusión de los geles y la temperatura o tiempo de solidificación de las soluciones. En la gelatina, estos cambios no tienen lugar a temperaturas bien definidas, como sucede en las sales puras. Los resultados dependen de las mismas variables que la viscosidad y la rigidez, pero dependen también del método de medida y en particular, de la velocidad de variación de la temperatura durante la medida.

Punto de fusión Cuando un gel se calienta muy lentamente cerca del punto de fusión, tienen lugar variaciones en la estructura del gel que afecta la fusión, se ha demostrado que el punto de fusión de los geles es máximo cuando han sido madurados durante largos periodos a una temperatura próxima al punto de fusión. Después de este periodo de maduración, enfriando el gel hasta una temperatura baja, lo cual aumenta en gran manera la rigidez, no varia el punto de fusión. La estructura formada a la alta temperatura de maduración controla el punto de fusión y persiste durante el periodo en el cual se forma y se rompen nuevos enlaces si el gel se enfría y se calienta de nuevo. El punto de fusión depende del enlace mas fuerte en el gel, mientras que la rigidez a una temperatura dada depende del numero total de enlaces que existen a esa temperatura. Los fuertes enlaces formados cuando las geles se maduran a temperaturas próximas al punto de fusión, en las que el retículo del gel esta abierto y las moléculas individuales tienen mayor movilidad, son probablemente resultado de un sistema de enlaces de hidrogeno altamente conjugados que pueden formarse mas fácilmente en estas condiciones.

Cuando la temperatura se eleva hasta el punto de fusión, de forma que se rompa el retículo del gel, las moléculas no se dispersan una a una sino que permanecen formando agregados, estos agregados pueden persistir durante un tiempo considerable, aun a temperaturas de algunos grados por encima del punto de fusión.

La formación de geles. Agregación molecular La solidificación de las soluciones de gelatina para formar un gel cuando la temperatura disminuye, esta precedida por la formación de grandes agregados moleculares y un consiguiente aumento en la viscosidad de la solución. Según va avanzando la solidificación, los agregados empiezan a unirse entre si y la solución se hace viscoelastica. Finalmente solidifica en un gel que tiene muy poca tendencia a fluir bajo carga. La agregacion de moléculas de gelatina se puede estudiar mas fácilmente en soluciones frías que estén demasiado diluidas para gelificarse. Se ha demostrado que a una temperatura dada, el tamaño de los agregados depende de la concentración de la solución de gelatina de la cual proceden; pero que una vez formados son relativamente estables y permanecen como antes, individuales si la solución se diluye. Esto indica la existencia de cierta forma de unión múltiple tal como enlaces de hidrogeno múltiples y esta de acuerdo también con la histeresis normalmente observada en las solidificación y fusión de la gelatina, por lo cual el punto de fusión es mayor que el punto de solidificación.

El punto de solidificación de las soluciones de gelatina se determina dejando soluciones durante un largo periodo y determinando la temperatura máxima a la que se forman los geles. Otra medida que se hace con frecuencia es el tiempo de solidificación de las soluciones a temperatura inferior al punto de solidificación.

El método más satisfactorio es determinar el tiempo de solidificación de una gota que se ha enfriado rápidamente, hasta la temperatura a la que ha de medirse el tiempo de solidificación.

Clasificación y ensayos de las colas Los ensayos recomendados para las colas animales vienen dados en la British Standard Sampling and Testing Glues. Muchos de los ensayos no afectan el encolado. Las colas se clasifican por lo general atendiendo a la resistencia del gel formado en condiciones normales, aunque la viscosidad es también una propiedad importante.

Ensayo de la resistencia de la gelatina El método mas generalizado para medir la resistencia de la gelatina es por medio de un gelometro Bloom. En el ensayo de la British Standard se prepara una gelatina a una concentración de cola del 12.5% en un recipiente de vidrio y se madura durante 18h a 100C. La resistencia de la gelatina se determina después mediante una pieza con un sección transversal de media pulgada, que se presiona lentamente dentro de la superficie del gel cargándola con perdigones. La caída de los perdigones se corta eléctricamente cuando la pieza ha recorrido 4mm. El peso de los perdigones en gramos da la resistencia Bloom de la gelatina. Los geles de gelatina se ensayan al 6 2/3%. Y esta concentración puede usarse para algunos colas de alta calidad. Los resultados de ensayos obtenidos al 12.5%, se denominan algunas veces valores de doble Bloom, para distinguirlos de los resultados obtenidos a 6 2/3%. El valor Bloom doble es muy aproximadamente tres veces mayor que el del Bloom sencillo. En Estados Unidos todas las colas son ensayados al 12.5%.

La resistencia Bloom de la gelatina es un ensayo empírico, pero los resultados están relacionados de una forma sencilla con el modulo de rigidez absoluto del gel por la ecuación: resistencia de la gelatina (g Bloom) =20+2.86X10-3 X rigidez (din/cm2)17.

Resistencia de gelatina de las colas

La resistencia de gelatina de la colas de cuero pueden variar desde 40 a 4000g Bloom doble, aunque se encuentra normalmente entre 100 y 300 g. Las colas de huesos han cubierto tradicionalmente el intervalo de 40-150g.

Clasificación Fabon para la cola de huesos

Calidad

Doble Bloom

I

138

II

84-138

II

62-83

IV

38-61

V

37

Viscosidad La viscosidad se mide normalmente en una solución al 2.5% en un viscosimetro de tubo U calibrado de modo que se obtenga el resultado en unidades absolutas (centipoises). La norma británica recomienda un temperatura de 600C. Sin embargo, frecuentemente se opera a una temperatura de 400C. La viscosidad a 400C puede obtenerse a partir de la viscosidad a 600C.

Relación entre la resistencia de la gelatina y la viscosidad para una escala normal de colas comercial. Relación entre la viscosidad a 60 y 400C

Resistencia Bloom de la gelatina 12 ½%

Viscosidad correspondiente (cP) promedio para muestras 40 0C 600C

Variación de viscosidad a partir del valor medio. Intervalo normal

50

5.0

3.3

18%

100

6.2

4.1

25%

150

8.0

5.2

27%

200

10.5

6.8

30%

250

15.0

9.5

33%

Preservación de la calidad de la cola La viscosidad y la resistencia de gelatina de la cola no son propiedades completamente estables y pueden empeorarse si las soluciones se manejan indebidamente. Se dice que la cola se degrada, lo que tomado en sentido literal significa que se reduce de una calidad mas alta a otra mas baja. La degradación se origina por calentamiento prolongado o por acción de bacterias y microorganismos. Por lo tanto se debe evitar todo calentamiento innecesario. Por lo general es tan indeseable como innecesario calentar las soluciones de cola por encima de 600C, a esta temperatura la viscosidad y la resistencia de la gelatina pueden decrecer en un 0,2-1,0% por hora, dependiendo de la calidad y de las enzimas bacterianas presentes. A 800C la velocidad de degradación es aproximadamente es aproximadamente cuatro veces mayor que a 600C. En soluciones en ebullición la degradación es muy rápida. A temperaturas próximas a 400C la degradación térmica es muy lenta, pero la degradación puede ser todavía rápida si existen bacterias. Las colas modernas contienen generalmente preservativos que impiden el crecimiento de bacterias, aunque puede haber todavía variaciones en la velocidad de degradación entre las colas de la misma calidad, debidas a la presencia de enzimas bacterianas, las cuales pueden causar degradación incluso cuando se inhiba el posterior crecimiento bacteriológico. Es aconsejable no confiar enteramente en la acción de los preservativos y siempre que sea posible, preparara las colas en series separadas, a fin de no mezclar una cola nueva con materiales viejos y posiblemente contaminados.

Diagrama de flujo en la extracción de cola y gelatina

Monografias.com

Monografias.com

Comparacion de la cola animal con otros adhesivos con la cola nimal pueden unirse superficies, si estas son susceptibles de ser humedecidas por agua y si una de ellas es permeable al agua. La cola animal tiene ciertamente desventajas en comparacion con algunas colas sinteticas que pueden emplearse para las mismas finalidades. La solidificacion es mas lenta a altas temperaturas. En condiciones humedas las juntaas se debilitan considerablemente y pueden quebrarse facilmente cuando se les somete a esfuerzo, aunque una estructura puede resistir la accio de la interperie si las juntas encoladas estan situadas lo bastante profundas para quedar protegidas. Por ejemplo, las colas animales se usaron con buenos resultados para el ensamblaje de marcos de ventanas antes de que fueran conocidas las colas sinteticas. Por otra parte, la cola nimal posee algunas ventajas sobe las colas sinteticas. Como raramente se emplean endurecedores, las soluciones preparadas de cola animal tienen un tiempo de empleo util muy largo y un duracio de almacenamiento indefinida en comparacion con las colas sinteticas. Las colas animales de buena calidad no se cuartean en una linea gruesa de cola. La cola seca no es tan dura como la cola fenolica y de urea-formaldehido y es emnbos perjudicial para las herramientas de corte.

La mas importante propiedad de la cola animal es, sin embargo, su poder de gelificacion y su principal ventaja radica en la explotacion de esta propiedad. La rapida solididficacion inicial de una junta encolada, producida por gelificacion, es util en el ensamblaje de estructuras en las que la union por abrasadera es dificil o inconveniente. La rapida aparicion de adhesividad en las colas animales cuando solidifican en forma de gel las hace utiles en aplicaiones tales como el pegado de tejido o madera, encuadernacio de libros, fabricacion de cartonajes en maquinas de alta velocidad y en la fabricacion de papel engomado.

Sustancia conservante

% necesario

Notas

En medio acido ph (3-4)

Alcohol

8.0

Clorobutanol

0.5

Dosis letal minima en perros 238 mg/kg

p-cloro-m-cresol

0.25

Muy toxico

Etilparabenceno

0.15

Pentaclorofenato sodico

0.1-0.15

Muy toxico

Metilparabenceno

0.1-0.15

Alergenico para algunas personas

Acido benzoico

0.1

Un poco irritante

Oxiquinolina

0.1

Acido salicilico

0.1

Prohibido en algunos paises

Timol

0.1

Dosis letal minima para raton 1.8 g/kg

Buti lparabeno

0.05

Cloruro de cetilpiridinidium

0.003-0.005

Dlm ratas 200 mg/kg

En medio alcalino (ph 7-8.5)

clorobutanol

0.5

Dlm perros 238 mg/kg

fenol

0.5

Toxico

cresol

0.4

8g provoca colapso circulatorio

p-cloro-m-cresol

0.25

Similar al cresol

etilparabeno

0.15

B-naftol

0.2

Dlm conejo 3.8g/kg

clorotimol

0.1

timol

0.1

Efectos secundarios con dosis elevadas

Cloruro de cetilipiridinium

0.005

Dlm ratas 200mg/kg

Materias primas empleadas en la fabricación de cola y gelatina.

material

Observaciones

Recortes

Trozos de pieles de vacuno, oveja y cabra que se presentan secos, semisecos (húmedos)

Frescos

Los pelos no suelen plantear problemas a menos que contengan sulfuro, que le da color a la gelatina; los residuos de arcilla también hay que eliminarlos por problemas de coloración

Salados

Las sal se elimina por lavado antes del procesado

Curados

Salados en salmuera saturada

Encalados

Tratados con agua de cal sin saturar

Encalados desecados

Tratados con agua con cal y secos

Encalados y pelados

Tratados con cal y depilados

Encalados y sulfurados

Tratados con azufre, de color verde oscuro, que imparten color a los extractos

Pellejo

Piel de conejo depilada, residuo de la fabricación de sombreros de fieltro desecada, es un buena materia prima

Cabezas

Buena materia prima, los cuernos se desechan

Hocicos

Materia prima deficiente

Conducto auditivo

Materia prima deficiente

Rabos

Materia prima deficiente

Sacos escrotales

Hay que cortarlos a lo largo antes de procesarlos

Ubres

Materia prima deficiente

Pabellon de la oreja

Escaso rendimiento, contiene minerales que enturbian la cola

Descarnes

Residuos del descarnado de pieles; disponibles frescos, semisecos o desecados, contenido en colágeno variable, rendimiento escaso, la gelatina producida es de baja calidad, hay que triturarlos antes de procesarlos.

Raspaduras

Residuos de rebajar la piel hasta espesor uniforme

Pieles secas desechadas

A menos que estén podridas se tratan como los recortes

Residuos de curticion

Curtidos vegetales

Empleados en cordobanes; dan colas de baja calidad.

Curtidos al cromo húmedos

Buen rendimiento; la cola producida no es de buena calidad, de escasa viscosidad y poca resistencia de las geles

Curtidos al cromo desecados

Escaso rendimiento ya que son dificiles de remojar

Curtidos combinados

Dificiles de manejar

Pieles de cerdo

Alto contenido graso; los extractos ácidos se utilizan bien, pero los alcalinos también sirven; puede conseguirse gelatina de buena calidad.

Pieles de pollo

Productos de escasa viscosidad y reducida fuerza de los geles

Huesos

Los tamaños mas empleados son de 6-40 mm. Puede conseguirse una gelatina de muy buena calidad

Frescos

Frescos del matadero

Cocidos

Se han cocido para extraerles tejidos y grasas y se desecan

Desecados

Sin olor y poca grasa, 25% de materia orgánica

Rendimiento de diversas materias primas empleadas en la fabricación de cola

Materia prima

% cola

% grasa

% residuo

% agua

Pieles de cerdo frescas

20-25

15

10

50-60

Pieles de vacuno frescas saladas

18

3

10

30-40

Pieles desecadas

35

1

5-10

10

Pieles frescas tratadas con cal

14

2-4

8

50-70

Pieles frescas tratadas con cal recortadas

14

0

5

50-70

Pieles de cordero tratadas con cal

7-9

1-7

5-10

60

Pellejos de conejo

50-55

-

20-25

10

Recortes de pieles tratadas con cal

8-12

5-12

5-10

50-70

Recortes de pieles secos

20-25

5-25

10-20

15

Pieles desecadas

60

-

-

-

Recortes húmedos

15-25

0

0

40-50

Sinovias desecadas

30-40

0-4

10-30

10-15

Sinovias saladas

22-24

2-3

7-8

35-50

Huesos desecados

18-20

1

60-70

10

Huesos frescos

10-16

5-20

25-45

40-60

Oseina

65-80

0

5

8-12

Núcleos de cuernos secos

23-25

0

65-66

8-12

Efluentes de cola y gelatina

Método de extracción

Materia prima

Efluente (litros)

DBO (kg)

Sólidos suspendidos (kg)

Por cada Tm de huesos ácido

Transformación de hueso en oseina

10.000

Menos del 2%

2%

Por kg de cola o gelatina alcalino

Recortes del despiece

200

1

2

alcalino

oseina

150

0.5

0.5

alcalino

piel

150

200

0.5-2

ácido

75-120

0.5-1

0.5-2

Sólidos residuales después de la extracción, filtración o sedimentación en la producción de colas

Kg por Tm de cola

Porcentaje

Uso

humedad

nitrógeno

cenizas

Clarificador. pasta

30-60

8-12

Fertilizante

Residuo de la extracción

100-150

80-85

Fertilizante combinado con materia vegetal

Residuo de la extracción desecado

15-24

10

12-14

5-10

fertilizante

Anexo 1.PROPIEDADES DEL COLAGENO El papel del colágeno en el mantenimiento de las propiedades físico-químicas y mecánicas de la dermis nos lleva a pensar que su utilización cosmética podría paliar una situación deficitaria favoreciendo:

A) Mantenimiento de la hidratación profunda El efecto hidratante del colágeno se atribuye a su capacidad para retener agua. El colágeno nativo soluble utilizado a concentraciones del 0,05%, tiene un poder hidratante comparable a un 10% de un agente humectante como la urea o el sorbitol. Este efecto puede evaluarse por diferentes métodos:

- Pérdida insensible del agua de la piel.

- Medida de la impedancia eléctrica o térmica de la capa córnea.

- Medida de las propiedades viscoelásticas del estrato córneo.

B) Relieve cutáneo La aplicación del colágeno provoca un efecto de "alisamiento" de las estructuras superficiales cutáneas, que se traduce por una mayor suavidad de la piel. La influencia del colágeno sobre la topografía cutánea se ejerce a dos niveles:

- Cuando el estado de la piel se ve alterado por causa de un tratamiento químico o por malas condiciones climáticas, el colágeno posee la facultad de restaurar la organización inicial de la superficie.

- Sobre una piel sana, la aplicación del colágeno comporta una reducción de las amplitudes del relieve cutáneo sin modificar su complejidad.

En el caso del colágeno fibroso (liofilizado) utilizado como máscara facial, el efecto de "alisado" es visible con una sola aplicación. Esta propiedad se debe a la presencia de colágeno soluble. Esta actividad sobre el relieve cutáneo es el reflejo de las propiedades hidratantes y filmógenas del colá- geno.

C) Elasticidad cutánea Las propiedades mecánicas de la piel están definidas en términos de solidez, extensibilidad, rigidez o elasticidad. En el estudio de la influencia de un tratamiento cosmético con colágeno soluble se determinó que éste comportaba una disminución del valor de la fuerza de rotura y mejoraba la elasticidad.

D) Estimulación del crecimiento celular En cultivos celulares se ha determinado que los substratos de colágeno permiten mantener células vivas. Las cadenas a del colágeno poseen propiedades quimiotácticas sobre los fibroblastos, lo cual permite explicar en parte su papel en la cicatrización. E) Poder anti-irritante El colágeno bajo la forma soluble o fibrosa posee el poder de reducir la irritación inducida por agentes químicos, cuando se aplica al mismo tiempo que éstos. Este efecto protector se ha estudiado con respecto al aceite de crotón y en varios detergentes. En este caso, parece que el colágeno forma un film alrededor de las micelas del detergente y modera con ello, la acción de estos productos. Este efecto protector puede ser también explicado por un mecanismo de protección por absorción del colágeno sobre la superficie externa del estrato córneo. La influencia de un tratamiento cosmético con colágeno en el proceso de envejecimiento se ha evaluado con dos técnicas:

1) Estudio de la estabilidad térmica de la red del colágeno:

Partes: 1, 2, 3


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