I. Quitina y Quitosano Fuentes de obtención, propiedades y aplicaciones
3. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE QUITINA Y QUITOSANO
Existen numerosísimos artículos respecto a las propiedades y aplicaciones de
quitina y quitosano, por lo que en esta sección se nombrarán brevemente las propiedades
y aplicaciones más relevantes.
3.1. Propiedades fisicoquímicas y biológicas de quitina y quitosano.
Quitina y quitosano son un recurso natural de elevado peso molecular con
propiedades polielectrolíticas y que presentan grupos funcionales reactivos (amida,
amino e hidroxilos) química o enzimáticamente modificables (Tharanathan R. et al., 2003).
Entre las propiedades fisicoquímicas más destacables se hallan la capacidad de
formación de películas, geles (Kurita K., 2006; Rinaudo M., 2006) y fibras, la capacidad de
adsorción de iones metálicos, hidrocarburos aromáticos y proteínas (Kurita K., 2006), la
coagulación de suspensiones o solutos (Kurita K., 2006) y su comportamiento como
agentes quelantes (Dutta P. et al., 2004; Kurita K., 2006).
Además poseen interesantes propiedades biológicas, fisiológicas y farmacológicas,
en su mayor parte relacionadas con el comportamiento catiónico del quitosano (Aranaz I.
et al., 2009) como ser no tóxicos, biodegradables, biocompatibles en plantas y animales,
presentando una importante actividad biológica en relación a sus efectos analgésicos,
antimicrobianos (Aranaz I. et al., 2009; Kurita K., 2006), hemostáticos (Dutta P. et al.,
2004; Aranaz I. et al., 2009), antioxidantes, mucoadhesivos, hemostáticos, fungistáticos,
antitumorales (Dutta P. et al., 2004), hipocolesterolémico (Kurita K., 2006), por presentar
actividad inmunológica (Kurita K., 2006) y por poseer propiedades regenerativas (Dutta P.
et al., 2004).
Todas estas propiedades son ciertamente ventajosas para aplicaciones
I. Quitina y Quitosano. Fuentes de obtención, propiedades y aplicaciones.
quitosano y sus derivados, están comenzando a encontrar un amplio rango de
aplicaciones en varios campos.
3.2. Derivatización de quitina y quitosano.
Químicamente quitina y quitosano son bases débiles que grupos funcionales
reactivos, sin embargo debido a la naturaleza cristalina, la limitada solubilidad y pobre
reactividad de la quitina, es necesario preparar derivados mediante modificaciones
químicas de modo de utilizar dicho polímero (Kurita K., 2001; Kurita K., 2006). Por otro
lado el quitosano es más accesible a reactivos presumiblemente por que es menos
cristalino y se disuelve en ácidos (Tharanathan R. et al., 2003). Es por ello que, si bien
estas reacciones son llevadas a cabo tanto sobre quitina como sobre quitosano, la
mayoría de las derivatizaciones por modificación química se dan sobre el quitosano.
La cationicidad neta del quitosano así como la presencia de grupos reactivos
funcionales, un grupo amino y dos grupos hidroxilo por residuo monomérico, hacen que
sea una molécula muy interesante a la hora de su derivatización (Dutta P. et al., 2004;
Prashanth H. et al., 2007).
La mayoría de las reacciones de derivatización del quitosano involucran reacciones
específicas del grupo amino primario, un nucleófilo potente que puede experimentar N‐
acilación, cuaternización, aminación reductiva y reacciones Schiff entre otras, lo que
permite incluir grupos funcionales diferentes (Tharanathan R. et al., 2003; Dutta P. et al.,
2004; Rinaudo M., 2006). También pueden darse modificaciones por reacciones
inespecíficas en los hidroxilos particularmente aquel en C‐6 y C‐3, siendo éstas
generalmente esterificaciones y eterificaciones (Tharanathan R. et al., 2003; Rinaudo M.,
2006).
Las modificaciones de quitina y quitosano en materiales con funciones
específicas eficientes permite la manipulación y la preparación de un amplio espectro de
derivados para usos en aplicaciones de una gran diversidad de áreas (Kurita K., 2006; Prashanth H. et al., 2007).
Sección A: Quitina y Quitosano
I. Quitina y Quitosano. Fuentes de obtención, propiedades y aplicaciones.
22
3.3. Aplicaciones de quitina y quitosano.
Tal como se comentó previamente, la pobre solubilidad de la quitina es el principal
limitante para su utilización. Sin embargo se utiliza como derivatizado en columnas
cromatográficas de afinidad; para inmovilizar enzimas y células y como fibras de sutura
absorbibles, como cicatrizante de heridas; como biosensores; como polutantes
industriales; como fibras en papel y aplicaciones biomédicas; como excipiente y carrier de
drogas en film, gel o en polvo y en aplicaciones para el tratamiento de aguas (Ravi Kumar
M., 2000; Rinaudo M., 2006).
Es importante resaltar que dependiendo de las aplicaciones son requeridas una o
más de las diferentes propiedades de quitina y quitosano y que además dichas
propiedades varían con el grado de acetilación y el peso molecular (Dutta P. et al., 2004;
Kurita K., 2006). Por ejemplo, el carácter catiónico del quitosano, sus propiedades
filmogénicas y su bioactividad son importantes en aplicaciones biomédicas, cosméticas y
farmacéuticas (Rinaudo M., 2006).
Las aplicaciones industriales del quitosano incluyen desde su uso como
ingredientes de productos cosméticos relacionados con el cuidado de cabello y piel,
pastas de dientes y enjuagues bucales, debido a sus propiedades fungicidas y
fungistáticas (Dutta P. et al., 2004; Kurita K., 2006; Tharanathan R. et al., 2003);
aplicaciones en el tratamiento de aguas se deben a la naturaleza catiónica del quitosano,
siendo utilizado como agente floculante y quelante y adsorbiendo proteínas, compuestos
orgánicos y metales pesados (Dutta P. et al., 2004; Kurita K., 2006; Ravi Kumar M., 2000; Aranaz I. et al., 2009; Tharanathan R. et al., 2003); aplicaciones en relación con la
industria textil y papelera, donde se utiliza como pulpa de papel así como para el acabado
del papel y papel reciclado, textiles higiénicos, para impartir estaticidad y como repelente
de suciedad, para decoloración de efluentes textiles, hilados y fibras(Dutta P. et al., 2004; Kurita K., 2006; Ravi Kumar M., 2000; Tharanathan R. et al., 2003; Rinaudo M., 2006).
Además presenta interesantes en agricultura como agente antifúngico acelerante
del crecimiento de semillas y aplicaciones en alimentos e industria alimenticia ya sea
como oligosacáridos, ingredientes de alimentos, suplementos dietarios como también
I. Quitina y Quitosano. Fuentes de obtención, propiedades y aplicaciones.
alimenticios del deterioro microbiano (Dutta P. et al., 2004; Kurita K., 2006; Ravi Kumar
M., 2000; Aranaz I. et al., 2009; Tharanathan R. et al., 2003; Rinaudo M., 2006).
Otras aplicaciones incluyen su utilización en biocatálisis para inmovilización y
atrapamiento de enzimas y células, su uso en fotografía (por su habilidad para formar
films) y como baterías en estado sólido (Dutta P. et al., 2004; Kurita K., 2006; Ravi Kumar
M., 2000; Tharanathan R. et al., 2003; Rinaudo M., 2006).
En relación a sus aplicaciones biomédicas, farmacéuticas y en biotecnología se
destacan sus aplicaciones en el tratamiento y cicatrización de heridas (Dutta P. et al.,
2004; Ravi Kumar M., 2000; Aranaz I. et al., 2009; Tharanathan R. et al., 2003) (ya que el
quitosano activa inmunocitos y células inflamatorias además de servir como agente
anticoagulantes, antitrombogénicos y hemostáticos), como dispositivos médicos tanto en
implantes, suturas, oftalmología, y bajo la forma de hidrogeles, films, tabletas,
microcápsulas, microesferas y nanopartículas en ingeniería de tejidos y sistemas de
liberación controlada de drogas (Dutta P. et al., 2004; Kurita K., 2006; Ravi Kumar M., 2000; Aranaz I. et al., 2009; Tharanathan R. et al., 2003; Rinaudo M., 2006). Estas dos
últimas aplicaciones serán desarrolladas más adelante en la sección B de este trabajo de
tesis.
Por último y tal como lo indica Hirano (Hirano S., 1999) “Quitina y quitosano se
encuentran circulando en la atmósfera, biósfera, hidrósfera y litósfera, y la función de
autodefensa del cuerpo para seres humanos animales y plantas está potenciada por
contacto celular con estos biopolímeros. Quitina y quitosano son biológicamente
renovables, biodegradables, biocompatibles, no‐antigénicos, casi no tóxicos y
biofuncionales. Sin embargo, es importante el uso de estos biopolímeros en beneficio de
toda la vida sobre la tierra, como materiales biotecnológicos ecológica y ambientalmente
II.
Métodos
de
Caracterización
Fisicoquímica
de
Quitina
y
Quitosano.
II. Métodos de Caracterización Fisicoquímica de Quitina y Quitosano
MÉTODOS DE CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE QUITINA Y
QUITOSANO
Tanto la composición de las cadenas de quitina y quitosano como sus dimensiones
varían en dependencia con el material de partida y la rigurosidad del método de
obtención. La determinación del grado de acetilación y su masa molecular son
parámetros de obligatorio conocimiento para caracterizar una muestra de dichos
polisacáridos, ya que ambos tienen una gran incidencia en sus propiedades. Otras
características, tales como la polidispersidad de su masa molecular, cristalinidad,
propiedades en solución, el contenido de humedad, proteínas y cenizas son también de
obligado conocimiento.
Existen numerosas técnicas para caracterizar ambos polímeros, tal como se
observa en la tabla 2.1., las cuales se encuentran bien descritas en las referencias
señaladas, además de estar revisadas en diversos libros. A continuación se reseñan y se
discuten los métodos empleados en esta tesis para caracterizar estos biopolímeros.
Características
Fisicoquímicas Métodos de determinación
Grado de acetilación
Espectroscopía IR (Sannan T. et al., 1978; Baxter A. et al., 1992;
Brugnerotto J. et al., 2001a), Espectroscopía UV (Muzzarelli R. et al.,
1985; Wu T. et al., 2008) , Espectroscopía RMN (1H y 13C) (Duarte M.
et al., 2001; Van de Velde K. et al., 2004; Vårum K. et al., 1991),
Conductimetría (Raymond L. et al., 1993), Potenciometría (Jiang X.
et al., 2003), DSC (Guinesi L. et al., 2006; García I. et al., 1983),
Análisis elemental (Roberts G., 1992), Cromatografía GPC (Aiba S.,
1986), Dicroísmo circular (Domard A., 1987).
Peso molecular promedio
y/o distribución de peso
molecular
Viscosimetría (Rinaudo M. et al., 1993), Cromatografía GPC
(Brugnerotto J. et al., 2001b), Dispersión de Luz (Terbojevich M. et
al., 1997).
Cristalinidad Difracción por rayos X (Jang M. et al., 2004; Kurita K. et al., 1993;
Yui T. et al., 1994 Okuyama K. et al., 1997).
Contenido en humedad Gravimetría (Tolaimate A. et al., 2000; Kim S. et al., 1996; ASTM.
F2103‐01, 2001).
Contenido en cenizas Gravimetría (Lavall R. et al., 2007; Chandumpai A. et al., 2004;
ASTM. F2103‐01, 2001).
Contenido en proteínas Bradford (Bradford M., 1976; Chaussard G. et al., 2004).