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La quitina y la quitosana, polisacáridos animales de gran importancia (página 2)




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1.1.3. Proceso de obtención.

Los desechos del caparazón de los crustáceos están compuestos por proteínas (20-40%), sales de calcio y magnesio, mayormente carbonato y fosfato (30-60%), quitina (20-30%) y lípidos (0-14%), variando éstas proporciones con la especie y la estación.

Por lo tanto, el aislamiento de la quitina de los biodesechos de crustáceos, implica 3 operaciones básicas:

1) Eliminación del residual proteico.

2) Eliminación de la materia inorgánica.

3) Eliminación de pigmentos lipídicos (carotenoides).

Los procesos químicos convencionales se llevan a cabo con operaciones que incluyen: eliminación de proteínas con dilución de álcali y eliminación de sales minerales por tratamiento con ácido pero el paso de la desmineralización puede también preceder el paso de desproteinización. La decoloración es conducida por un típico tratamiento de blanqueado con H22 y NaCIO para destruir los pigmentos carotenoides. Un cuidadoso control sobre estas operaciones es esencial para alcanzar una alta pureza y características físico químicas uniformes de la quitina. También las condiciones de proceso pueden ser adaptadas para obtener características específicas de la quitina de acuerdo con la finalidad propuesta. Recientemente los procesos enzimáticos y biotecnológicos han sido implantados también en los procesos de aislamiento de quitina. En las regiones tropicales, donde más desechos de crustáceos son generados, hay una carencia de tecnología ambiental disponible para la extracción de la quitina, proteínas y pigmentos a nivel industrial. La fermentación bacteriana ha sido sugerida como una alternativa tecnológica para el pre-tratamiento de desechos de camarones, teniendo la ventaja de permitir la recuperación de menos enzimas y proteínas desnaturalizadas en la quitina, así como pigmentos.

Obtención de quitosana. Los tratamientos termales de la quitina bajo un fuerte álcali acuoso son comúnmente usados para obtener quitina parcialmente desacetilada (GA menor que '=30%) asociada a la quitosana. El principal criterio para distinguir la quitosana de la quitina, es la solubilidad en soluciones ácidas diluidas obtenidas cuando la fracción residual de acetil es baja.

La quitosana se puede obtener por 2 vías:

- química (desacetilación heterogénea u homogénea)

- enzimática.

Para obtener un producto soluble, este debe tener un grado de desacetilación entre 80 y 85% o mayor, y la quitosana se conoce como un producto que tiene generalmente entre un 70 y un 85% de desacetilación.

1.4. Propiedades.

Las propiedades de la quitina y la quitosana dependen principalmente de la fuente de obtención y el método de preparación y estos polímeros difieren entre sí por su distribución, masa molecular y grado de acetilación.

1.1.4.1 Grado de acetilación.

Químicamente, la quitina y la quitosana son poliglucosaminas que son distinguidas solamente por el grado de la acetilación de los grupos amino. Las quitinas típicas tienen generalmente grado de acetilación entre 70-95% que corresponde a un contenido de acetilo de un 15-20.7% mientras que las quitosanas tienen comúnmente un grado de acetilación entre 15-25% que corresponde 3.2 - 5.3 % del contenido de acetilo. El grado de acetilación es probablemente el parámetro más importante de estos polisacáridos y determina grandemente sus características funcionales y fisiológicas.

Los factores que afectan el grado del desacetilación incluyen: concentración del álcali, tratamiento previo, tamaño de partícula, y la densidad de la quitina. Los últimos dos factores afectan el índice de penetración del álcali en la región amorfa y en cierto grado también en las regiones cristalinas del polímero, necesitadas para que la hidrólisis ocurra. En la práctica, el nivel máximo de desacetilación que se puede alcanzar en un solo tratamiento alcalino es cerca de 75-85%.

El grado de acetilación es muy importante para obtener un producto soluble, aunque también influye la distribución de los grupos acetilo.

1.1.4.2 Peso molecular y viscosidad.

Otros parámetros importantes son el peso molecular y la viscosidad asociada. Como la quitosana es obtenida de la quitina por desacetilación alcalina, el peso molecular tiene un promedio más bajo al extenderse generalmente entre 1x105- 3x105 Da. La quitosana exhibe una amplia gama de viscosidades en los medios ácidos diluidos que dependen principalmente de su peso molecular. La viscosidad relativa de las quitosanas de alta viscosidad es comparable con la viscosidad de las gomas guar o del tragacanto.

La quitosana es un producto altamente viscoso similar a las gomas naturales. La viscosidad puede variar de 10 a 5000cp. En solución, debido a su comportamiento polielectrolítico, en dependencia de la fuerza iónica del medio, se comporta de manera diferente, lo cual influye notablemente en la viscosidad de la disolución.

Debido a la alta viscosidad de la quitosana en sistemas de pH < 5.5 puede emplearse como espesante, estabilizante o agente de dispersión.

La quitina microcristalina producida por hidrólisis controlada de ácido puede ser conveniente para el uso como estabilizante y espesante en alimentos. La viscosidad y la estabilidad de la emulsión de la quitina microcristalina es de 10 a 20 veces mayor que la de la celulosa cristalina lo que lo hace conveniente para los usos en mayonesa, mantequilla de cacahuete y otros alimentos tipo emulsión.

1.1.4.3. Solubilidad.

Como en la quitina, el grado de cristalinidad y la estructura molecular son los factores dominantes de la solubilidad subyacente, la fuerza mecánica, y otras características funcionales de la quitosana.

La solubilidad y la viscosidad de la quitosana dependen del grado de desacetilación y degradación del polímero, pero también puede verse incrementada por la adición de formaldehído, cloruros de acilo, anhídridos de ácidos o sales de metales alcalinos. Esto es debido al entrecruzamiento de cadenas que da lugar a un polímero de mayor peso molecular; estas soluciones acuosas resultantes no pueden ser dispersadas ni disueltas por adición de agua.

Mientras que la quitina es insoluble en los solventes comunes, la quitosana es soluble en ácidos minerales y orgánicos diluidos. La quitosana no es soluble a pH>6.0 y funciona solamente en sistemas ácidos, siendo una propiedad relevante para su aplicación en alimentos. Debido a la alta densidad de cargas positivas la quitosana se comporta en soluciones ácidas acuosas como una molécula policatiónica. Este comportamiento no es típico para la quitina debido a su alto grado de acetilación.

La quitosana es insoluble en H2S04 y de solubilidad limitada en H3P04. Además es soluble en mezclas de alcohol y agua.

1.1.4.4. Biodegradabilidad.

Como un polímero de interés en sistemas alimenticios, la biodegradación de la quitina y la quitosana es una propiedad importante para ser considerada porque muchas de las aplicaciones en alimentos se relacionan directa o indirectamente con la capacidad de las enzimas para despolimerizarse. Entre las enzimas (o complejo enzimático) que han sido reportados para ejercer actividad hidrolítica en la quitina y la quitosana se encuentran: quitinasa, quitosanasa, lisozima, celilasa, hemicelulasa, pectinasa, lipasa, dextranasa e ¡guales proteasas tales como pancreatina, pepsina y papaina. Solamente la biodegradabilidad no es una característica relevante de estos biopolímeros, también la no toxicidad de la degradación de los productos, es lo más significante para las aplicaciones biomédicas y alimenticias.

La quitosana es bioabsorbible y biodegradable, y se ha demostrado que es lentamente degradada principalmente por las enzimas quitosinasas y lisozimas; con las primeras, la biodegradación sucede hasta en un 75%, y hasta en un 35% con lisozimas.

1.1.4.5. Propiedades funcionales.

La quitosana puede formar espumas, emulsiones, geles con polianiones, y retener humedad por la presencia de los grupos amino libres que al disolverse en solución acuosa acidificada adquieren carga positiva.

En relación a la capacidad de la quitosana para formar espuma se ha demostrado que la quitosana realza la capacidad de formación de espuma y la estabilidad de la espuma formada por el huevo, debido a su carga positiva que interactúa con la carga negativa de las proteínas del huevo. Además se ha documentado que la quitosana de bajo peso molecular promueve eficazmente la formación de espuma.

En un estudio realizado en mezclas de aislado de suero y quitosana se mostró un mejoramiento de las propiedades de la espuma con quitosanas entre 0.4 y 0.6% y dentro de un estrecho rango de pH (5.5-6.0).

Una mezcla de quitosana y lecitina fue utilizada para formar emulsiones y evaluar sus propiedades, obteniéndose una emulsión estable, de pequeños glóbulos grasos con grandes cargas positivas, debido a la adsorción de quitosana a la superficie de las gotas de grasa. Esto demostró la capacidad de la quitosana para formar emulsiones

La estabilidad de la emulsión depende de la concentración de la solución de quitosana. En un estudio realizado cuando la concentración de la solución de quitosana fue de 0.2%, se produjo una separación de fases para todos los valores del rango de desacetilación (75-95%) estudiado.

La estabilidad de la emulsión se incrementó en un 10% al adicionar 0.1% de quitosana en estudios realizados para demostrar su efecto sobre la capacidad emulsionante de la yema de huevo; además incrementó la viscosidad de la mayonesa sin variar las propiedades sensoriales de la misma.

Se ha demostrado que la quitosana es capaz de formar geles en solución con excelentes propiedades. La presencia de quitosana disminuye la sinéresis del gel debido a su capacidad de retención de agua, variando sus propiedades mecánicas. La pérdida de agua es menor mientras mayor sea el tamaño de la molécula. La quitosana adsorbe de 230-440% de agua, superando el almidón de papa y a la carboximetilcelulosa (CMC).

Otras propiedades descritas han sido baja toxicidad, afinidad hidrófila, estabilidad frente a la putrefacción, moldeable y modelable.

1.1.5 Propiedades antimicrobianas.

Se ha reportado que la quitosana controla el crecimiento de bacterias, hongos y levaduras y ha sido aplicada para suprimir estos organismos en tejidos de plantas y alimentos.

La quitosana, al tener un ion positivo con una base amino (NH2) atrae moléculas cargadas negativamente; su actividad antibacteriana ha sido explicada por el entrecruzamiento entre una quitosana policatiónica y los aniones presentes en la superficie bacteriana, provocando alteraciones en la permeabilidad de la pared celular.

Esta propiedad de la quitosana se evidenció en un estudio realizado en mayonesa pues disminuyó perceptiblemente el conteo de células viables de microorganismos deteriorantes como el Lactobacillus fructivorans y Zygosaccharomyces bailií durante el almacenamiento a 25°C. Estos resultados sugieren que la quitosana puede ser utilizada como preservante de alimentos para inhibir el crecimiento de dichos microorganismos.

Se ha demostrado la susceptibilidad de la Salmonella typhimuríum en glutamato y lactato de quitosana en bufer de fosfato (pH=5.8) a 32 °C. Además actúa sobre la Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Yersínia enterocolítica, Listeria monocytogenes y Sacharomyces cerevisiae.

También se ha utilizado quitosana en salchichas, como sustituto del nitrito, para inhibir bacterias; observándose que cuando se utilizó 0.2% de quitosana (con peso molecular de 120 KDa) y 50% de niveles normales de nitrito en salchichas, el efecto preservante fue similar a aquellas salchichas que contenían todo el nitrito. El mayor crecimiento bacteriano fue inhibido al 80% por 0.01-0.2% de quitosana.

Los efectos de la quitosana en levaduras y hongos filamentosos asociados con el deterioro del jugo de manzana han sido estudiados. La quitosana redujo la velocidad de crecimiento de varios microorganismos pero el efecto fue determinado por su concentración. Por ejemplo 1g/L de quitosana redujo la velocidad de crecimiento del Mucor racemosus y sin embargo, 5g/L fueron requeridos para completar la inhibición del crecimiento de Byssochiamys spp. La levadura más sensible fue Zygosaccharomyces baílii y no creció en presencia de 0.1 g/L de quitosana durante el almacenamiento por 32 días a 25°C.

Un estudio reciente demostró que la quitosana produce un incremento en la síntesis de compuestos fenólicos preformados en semillas de maní maduro, lo que produjo una inhibición del crecimiento del Aspergillus flavus y posterior producción de aflatoxihas por inducción de tejidos susceptibles.

El efecto de la quitosana en el desarrollo del deterioro de empanadas de picadillo de carne de vaca almacenadas a 30°C por 2 días y a 4°C por 10 días fue investigado, mostrando una reducción de 1 a 2 ciclos logarítmicos de pseudomonas, estafilococos, coliformes, bacterias gram-negativas y micrococos en presencia de 1% de quitosana. Sin embargo, el número de organismos viables presentes en la carne antes de comenzar el experimento fue generalmente mayor (>107 UFC/g) y es posible que la adición de quitosana habría podido ser más eficaz teniendo poblaciones iniciales más bajas.

Las inmersiones en quitosana han sido investigadas como un posible medio para extender la vida de anaquel post cosecha de frutas frescas y vegetales. Por ejemplo, en fresas frescas y pimientas campana sumergidas en soluciones ácidas de quitosana, inoculadas con Botrytis cinérea o Rhizopus stolonifer, ha sido reportada una resistencia al deterioro a 13°C igual que las frutas tratadas con un fungicida químico convencional.

La quitosana es usada como un preservante de alimentos en alimentos en Japón, en productos tales como tallarines, salsa de soja, col china y sardinas.

1.1.6. Propiedades biológicas. Efectos dietéticos y metabólicos.

Se ha establecido que la quitosana no puede ser digerida por los seres humanos así que está considerada como una fibra dietética con un contenido calórico cero. Un estudio en ratas demostró que la quitosana reduce la absorción de ácidos biliares y disminuye los niveles de colesterol en sangre. La absorción del colesterol en ratas alimentadas con una dieta con quitosana fue más baja que las dietas que contenían goma guar o celulosa.

Un pequeño estudio en humanos mostró que la ingesta de 3-6gde quitosana por día durante 2 semanas reduce los indicadores de putrefacción en los intestinos, un cambio que puede ayudar a prevenir enfermedades como el cáncer de colon.

La quitosana de bajo peso molecular, al ser absorbida, tiene otros efectos beneficiosos en el organismo como la regeneración del tejido conectivo, ayuda a la formación de los huesos, evita la aparición de tumores, estimula el sistema inmunológico, entre otros.

Los posibles efectos nocivos de un producto con exceso de quitosana (sobre el 5%) incluyen el deterioro de nutrientes esenciales tales como vitaminas liposolubles, ácidos grasos esenciales, y minerales. También se ha observado que el exceso de quitosana da lugar a trastornos físicos del tracto intestinal, como abrasión mecánica.

1.1.7. Aplicaciones.

Por sus naturalezas catiónica en soluciones ácidas, que le confiere propiedades únicas relativas a otros polisacáridos, la industria de la quitosana y algunos de sus derivados se ha estimulado internacionalmente, encontrándose un amplio universo de aplicaciones.

• Aplicaciones biomédicas.

Este biomaterial ha sido ensayado para múltiples aplicaciones biomédicas, facilitando el proceso de cicatrización en heridas, lesiones por quemaduras y la recuperación de lesiones cutáneas crónicas; sus efectos han sido asociados con la activación de macrófagos, estimulación de fibroblastos activación mitogénica y facilitación de adhesión intercelular.

• Aplicación en la agricultura y operaciones post cosecha.

En la agricultura, su aplicación potencial se basa en su doble cualidad de inhibir el crecimiento in vitro de hongos y bacterias fitopatógenas, así como activar mecanismos de defensa en las plantas estrechamente relacionados con la inducción de resistencia sistémica al ataque de microorganismos. Estos usos vienen dados fundamentalmente por su alto contenido de aminas, que le confiere una naturaleza policatiónica de alta densidad de carga, además de su elevada masa molecular. Se ha demostrado que la quitosana es un poderoso inhibidor fúngico, además induce a una mejor germinación y producción de la cosecha en trigo. Además, en experimentos a sembrados en localidades con severa inducción de Fusarium amarillo en apio, la incidencia de la enfermedad y la severidad fueron reducidos significativamente.

• Tratamiento de aguas residuales.

Entre las diversas aplicaciones documentadas para la quitosana, su uso como agente coagulante o floculante para el tratamiento de aguas residuales es el más importante desde el punto de vista económico. La eliminación de colores, metales pesados, materiales radioactivos y taninos es también factible usando quitosana.

  • Industria cosmética.

Se emplea en la elaboración de cremas humectantes, limpiadoras, pasta de dientes, lociones de baño, etc.

  • Industria alimenticia.

En la industria alimenticia se han reportado múltiples aplicaciones entre las que se encuentran:

—> Desacidificación y clarificación de jugos.

—> Industria panadera.

—r Como agente antimicrobiano.

—> Empleo en alimentos dietéticos

—> Como emulsificante

—> Como preservante

—»• Películas comestibles

—>• Bebidas y vinos. La quitina desacetilada parcialmente con variados niveles de N-acetilación (GA=0.49-1.0, insoluble en solución ácida), ha sido utilizada como un material adsorbente de intercambio de ion para clarificar jugo de pina ultrafiltrado. Muestras de quitina con menor GA removieron cuerpos de colores indeseables responsables del desarrollo de la coloración. La quitosana ha sido también usada acertadamente para evitar la coloración de jugo de manzana a niveles de 200 ppm o más. La eliminación de componentes fenólicos (catequinas, flavinas, ácidos cinnamicos, etc) del vino blanco los cuales son responsables de las alteraciones del bronceado y de la maderización, es una operación importante para estabilizar el producto. Esto es normalmente alcanzado por clarificación con materiales adsorbentes (albúmina de huevo, silica, bentonita y plivinipirrolidona). En estudio reciente, la quitosana (GA=0.22-0.4) fue un adsorbente efectivo de componentes polifenólicos y ácido hidroxicinámico tanto como el caseinato comercial y polivinilpirrolidona (PVP).

—> Microencapsulación de enzimas alimenticias. En la industria alimenticia, la microencapsulación puede ser empleada para enmascarar organolépticamente el gusto amargo y olores desagradables en alcaloides, sales o aceites de pescado. El material encapsulado debe satisfacer, entre otros, los siguientes requerimientos: buena calidad sensorial, poseer estabilidad físico química y microbiana, libre de residuos tóxicos, seguro para la salud y no contaminante. La quitosana es un biopolímero natural que cumple con esos requerimientos y ha sido usada como aditivo alimentario y como componente en cubiertas de comestibles.

—»• Inmovilización de células y enzimas. Tales sistemas tienen perspectivas prometedoras debido a la relevante gama de aplicaciones especializadas en sistemas alimenticios. Las enzimas inmovilizadas ofrecen la posibilidad de conservar su actividad en solventes orgánicos. Otra ventaja intrínseca de inmovilizar las enzimas, es que pueden ser reutilizadas muchas veces. La quitina ha sido estudiada por ser un buen soporte para inmovilización de enzimas, según parece ofrece una alta estabilidad mecánica, apropiada densidad y baja solubilidad en muchos solventes. Ejemplos de enzimas industriales de alto uso en la industria de los alimentos las cuales han sido inmovilizadas en quitina o quitosana, incluyen a-amilasa y glucoamilasa, D-glucosa isomerasa, a-D-galactosidasa, p-galactosidasa, papaina, pepsina, alfa quimotripsina.

La dosis de quitosana como un componente funcional (espesante, emulgente, goma alimentaria) generalmente no excede el 0.5% de la masa del producto. En la tabla 1 se muestran las concentraciones de quitosana utilizadas con diferentes propósitos en alimentos.

Tabla 1. Concentraciones de quitosana usadas en los alimentos.

Dosis (% peso neto)

Propósito

Línea de producción

0.25-.1.3

Emulgente

Emulsiones agua-aceite

0.25-0.5

Espesante

Pastas, productos tipo pasta

0.2-0.6

Goma

Productos moldeados

0.5-1.0

Formador de estructura

Productos de relleno

 

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Autor:

Yaima Hernández Beltrán

País: Cuba

Ciudad de nacimiento: Cabaiguán, Sancti Spíritus.

Licenciada en Ciencias Alimentarias de la Universidad de la Habana

Profesión: Profesora de Bioquímica del centro Universitario &uml;José Martí¨ de Sancti Spíritus

País, ciudad y fecha correspondientes al trabajo realizado.

Cuba, Ciudad Habana, 2004.


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