GENERALIDADES DE LA QUITINA Y EL QUITOSANO

Por: Juan David Giraldo Pedraza

QUITINA

La quitina es el polisacárido natural de mayor importancia después de la celulosa, su

nombre IUPAC es poli--(1-4)-N-acetil-D-glucosamina. Este biopolímero es sintetizado

por un gran número de organismos vivíos, esta presente en la naturaleza como microfibras

cristalinas que componen los exoesqueletos de artrópodos o las paredes celulares de hogos

y levaduras, también se puede encontrar en plantas y animales y su función es reforzar y

dar resistencia cuando es necesario.

Estructura de la quitina en estado sólido: Dependiendo de la fuente, la quitina aparece de

dos maneras alomorfas llamadas y , también existe una tercera forma pero esta hace

parte de la familia de las -quitinas. La -quitina es de lejos la más abundante, se encuentra

en las paredes celulares de los hongos y levaduras, en langostas, en cangrejos y en los

exoesqueletos de los camarones, este exótico biopolímero ha ocasionado un particular

interés en estudios estructurales, donde su alta cristalinidad y pureza lo convierten en objeto

de estudio de diferentes investigadores.

Figura 1. Estructura química de la quitina (poli--(1-4)-N-acetil-D-glucosamina).

Solubilidad de la quitina: La quitina se presenta de forma natural parcialmente

desacetilada (con un bajo contenido de unidades de glucosamina), las dos formas y son

insolubles en todos los solventes convencionales, la insolubilidad es el mayor problema que

se presenta en los diferentes procesos en los que se utiliza este biopolímero. Por largo

tiempo, el solvente más utilizado para solubilizar la quitina fue la mezcla de DMAc/LiCl,

aunque el CaCl2-2H2O saturado y metanol también es muy empleado, otro solvente es el

ácido fosfórico concentrado a temperatura ambiente.

Derivados de la quitina: El más importante derivado de la quitina es el quitosano, este

biopolímero se obtiene de la desacetilacion parcial de la quitina en estado sólido

sumergiéndolo en condiciones alcalinas concentradas o por hidrólisis enzimática. Por la

morfología semi-cristalina de la quitina, el quitosano obtiene una distribución heterogénea

de los grupos acetilos a lo largo de su cadena polimérica, adicionalmente se ha demostrado

que la -quitina exhibe una alta reactividad de desacetilacion comparada con la -quitina.

La quitina también es parcialmente despolimerizada con la ayuda de ácidos para obtener

series de oligoquitinas que luego son reorganizadas con el fin de manipular su bioactividad

como antitumor, bactericida y fungicida.

Aplicaciones de la quitina: La quitina tiene baja toxicidad y es inerte en el tracto

gastrointestinal de los mamíferos, es biodegradable debido a la presencia de las quitinasas

ampliamente distribuidas en la naturaleza como en las bacterias, hongos, plantas y en el

sistema digestivo de varios animales. La quitinasa se encuentra involucrada normalmente

en los mecanismos de defensa contra invasiones bacterianas.

La quitina es usada para preparar columnas cromatografícas para aislar lectinas y

determinar su estructura, la quitina y el 6-O-carboximetil-quitina activan los macrófagos

peritoneales suprimiendo el crecimiento de células tumorosas en ratones y estimulan la

resistencia contra infecciones con escherichia coli, y aceleran la curación de heridas.

La quitina es usada extensamente en la inmovilización de enzimas y conjuntos de células,

la inmovilización de enzimas tiene aplicaciones en la industria alimentaria, como en la

clarificación de jugos de fruta y en el procesamiento de leche cuando la - y -amilasas o

invertasas están presentes siendo encapsuladas por la quitina.

Teniendo en cuenta su biodegradabilidad, no toxicidad, inercia fisiológica, propiedades

antibacteriales, hidroficidad, propiedades de formación de geles y su afinidad por las

proteínas, la quitina ha encontrado aplicaciones en muchas áreas diferentes a la alimentaria

como en la de biosensores. Materiales basados en la quitina son también usados para el

tratamiento de contaminantes industriales y la absorción de complejos de tiosulfato de

plata y actínidos.

La quitina puede ser procesada en forma de película y fibras, siendo el principal desarrollo

de estás las aplicaciones medicas y farmacéuticas, como material para vendajes de heridas y

controlador en la liberación de principios activos en medicamentos. La quitina es también

usada como un excipiente y portador de drogas en diferentes presentaciones como película,

gel y polvo en aplicaciones que involucran la mucoadesividad.

Otra interesante aplicación es un compuesto de hidroxiapatita-quitina-quitosano como

material de relleno óseo que forma una pasta de auto endurecimiento para la regeneración

de tejido cuando se presentan defectos óseos periodontales.

QUITOSANO

La molécula de quitosano es un copolímero compuesto de unidades de N-acetil-D-

glucosamina y D-glucosamina. Su principal fuente es la quitina, la cual es sometida a un

proceso de desacetilación termoquímico en un medio alcalino, las condiciones de

temperatura, presión, concentración y tiempo determinan el peso molecular del polímero y

su grado de desacetilación.

Este biopolímero es llamado quitosano cuando el grado de desacetilación de la quitina

alcanza el 50%, sus grupos amino permiten que se solubilice fácilmente en medios ácidos,

confiriéndole una innumerable cantidad de aplicaciones.

(a) (b)

Figura 2. Estructura química (a) de quitano (poli-D-glucosamina) (b) de quitosano parcialmente desacetilado

(copolímero).

Grado de desacetilación del quitosano (GD): El grado de desacetilación permite

diferenciar el quitosano de la quitina y determina las propiedades químicas, físicas y

biológicas del quitosano, este parámetro refleja el balance entre las unidades monómericas

D-glucosamina y N-acetil-D-glucosamina, normalmente el quitosano comercial tiene un

grado de desacetilación del 70 al 90% y en algunas aplicaciones biomédicas se utiliza

quitosano con un grado de desacetilación mayor al 95%.

Una precisa determinación del grado de desacetilacion es uno de los temas clave de la

química de la quitina, durante los últimos 40 años se han empleado diferentes métodos tales

como; espectroscopia-IR, Espectroscopia H-NMR, titulación potenciométrica,

espectroscopia-UV, espectroscopia-CD, titulación coloidal y métodos enzimáticos.

Toxicidad del quitosano: El quitosano es considerado no toxico y como un polímero

biológicamente compatible, este ha sido aprobado en aplicaciones dietarías en Japón, Italia

y Finlandia. La FDA lo aprueba en apósitos para heridas. Sin embargo ciertas

modificaciones implementadas en el quitosano podrían hacerlo más o menos toxico por

casusa de los residuos de los reactantes que deberán ser retirados cuidadosamente.

Solubilidad del quitosano: El quitosano es soluble a un pH menor de 6, esto ocurre

gracias a que el quitosano es considerado una base fuerte dado que posee grupos amino

primarios, estos grupos indican que el pH altera sustancialmente el estado de carga y sus

propiedades, a pH bajo los grupos amino se protonan convirtiendo el quitosano en un

polielectrolito catiónico soluble en agua, por otro lado cuando el polímero pierde su carga

se insolubiliza, esto ocurre a un pH de 6 y 6.5 , la solubilidad del quitosano depende del

grado de desacetilación y del método de desacetilacion usado.

El mejor solvente para solubilizar el quitosano es el acido fórmico, el más utilizado es el

ácido acético, también es soluble en ácido clorhídrico, ácido nítrico y ácido cítrico, es

insoluble en ácido sulfúrico y fosfórico.

Aplicaciones del quitosano: El quitosano exhibe una variedad de propiedades

fisicoquímicas y biológicas que resultan en numerosas aplicaciones en diferentes campos

como tratamiento de residuos y agua, agricultura, tejidos y textiles, cosméticos, nutrimentos

y procesamiento de alimentos, adicionalmente el quitosano es no toxico, no alergenico,

biocompatible y bioactivo, convirtiéndolo en una sustancia muy atractiva para diversas

aplicaciones como biomaterial en campos farmacéuticos y médicos, donde es usado en

sistemas de liberación controlada de medicamentos y vacunas.

El quitosano tiene importantes aplicaciones en la fotografía gracias a su resistencia a la

abrasión, a sus características ópticas y a la habilidad de formar películas, también se

utiliza en cosméticos como cremas, lociones y lacas para uñas, gracias a que es la única

goma cationica natural que cambia de viscosidad en diferentes medios ácidos.

Las siguientes características del quitosano hacen de él un polímero ventajoso para

numerosas aplicaciones. Tiene una estructura química definida, puede ser modificado

química y enzimáticamente, es física y biológicamente funcional, es biodegradable y

biocompatible con muchos organismos tales como tejidos y células, puede ser procesado en

numerosas presentaciones como hojuelas, polvo fino, perlas, membranas, esponjas, fibras y

geles.

Como resultado de su alto peso molecular, su carácter cationico y su habilidad para formar

geles, el quitosano ha extendido su uso en la industria, principalmente como un floculante

en la clarificación de aguas residuales y la desintoxicación de desechos peligrosos.

La agencia de protección ambiental de los Estados unidos de norte América tiene también

aprobado el uso del quitosano en el tratamiento para la purificación de sistemas de agua

potable con un nivel máximo de 10 mgr/L, también el quitosano es usado como material de

recubrimiento de papel, incrementando la resistencia física del papel de celulosa y

mejorando la calidad de la impresión con tintas anicónicas.

El quitosano es también usado en la clarificación de bebidas como jugos de frutas y

cerveza, recientemente ha sido introducido al mercado de suplementos nutricionales como

una ayuda para perder peso y como agente reductor de colesterol. El quitosano es también

usado como un constituyente de varios productos alimenticios particularmente en Japón y

esta siendo aprobado ahora como un aditivo alimenticio en Italia y Finlandia.

Finalmente los oligomeros y polímeros de quitosano como bien son sus derivados son

usados extensivamente como reactivos analíticos en varias reacciones enzimáticas como

sustratos para las quitinasas, quitosanasas y lisozimas, en la agroindustria, se usan en

películas para recubrimiento de frutos, hojas, semillas y vegetales frescos, en la

clarificación de jugos de fruta, en la protección de plántulas, en la liberación controlada de

agroquímicos, en la estimulación del crecimiento, como inhibidor del oscurecimiento de

frutos y tubérculos, en biocidas ,como corrector de sustratos de crecimiento y como

inductor de mecanismos de defensa.