Revista Cubana de Química
ISSN: 0258-5995
revcubanaquimica@cnt.uo.edu.cu
Universidad de Oriente Cuba
Belandria Briceño, J.C.; Morillo de Montiel, N.J.
RECUPERACIÓN DE QUITINA A PARTIR DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS GENERADOS DEL PROCESAMIENTO INDUSTRIAL DE CRUSTÁCEOS
Revista Cubana de Química, vol. XX, núm. 3, 2008, pp. 17-26 Universidad de Oriente
Santiago de Cuba, Cuba
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=443543715003
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RECUPERACIÓN DE QUITINA A PARTIR DE
LOS RESIDUOS SÓLIDOS GENERADOS DEL
PROCESAMIENTO INDUSTRIAL DE
CRUSTÁCEOS
J. C. Belandria Briceño, N. J. Morillo de Montiel
Instituto Nacional de Investigaciones Agrícolas (INIA). Maracaibo, Venezuela
Resumen
La actividad industrial sobre los productos derivados de la pesca, especialmente de crustáceos (cangrejo y camarón) ha generado gran cantidad de residuos sólidos que representa un grave problema ambiental. Estos residuos contienen como componente principal la quitina de amplia aplicación, fácil comercio y actualidad tecnológica. En este trabajo se estudiaron diferentes metodologías para la extracción de quitina a partir de conchas de camarón y su caracterización de acuerdo con el contenido de humedad, cenizas, nitrógeno, residuo de calcio y los porcentajes de recuperación. La validación del método se realizó analizando los residuos sólidos del procesamiento industrial del cangrejo azul (Callinectis sapidus) y del camarón (Litupenaeus vannamei), previa clasificación por tipo de residuos sólidos (caparazón, tenazas y abdomen de cangrejo, cabeza y concha de camarón), las muestras fueron secadas a temperaturas reguladas para luego ser molidas y tamizadas. Los resultados obtenidos en la extracción de quitina para caparazón fueron de 11,9 %, para abdomen 14,1 %, tenazas 14,5 %, cabeza de camarón 13,5 % y concha de camarón 33,7 %, todos con grados de pureza aprovechables para los diferentes propósitos industriales. La recuperación de los residuos provenientes del procesamiento de crustáceos y su transformación en productos de alto valor tecnológico, ofrece una excelente alternativa para la obtención de materia prima requerida, principalmente por la industria farmacéutica y alimentaría.
Palabras clave: quitina, desmineralización, desproteinización, grado de acetilación, crustáceos.
Abstracts
The industrial activity on the derived products of the fishing, especially of crustaceans (crab and shrimp) it has generated great quantity of solids residuals that represent a serious environmental problem. These residuals content as main component the chitin of wide application, easy trade and technological present time. In this work different methodologies were studied for the chitin extraction to leave from shells shrimp and their characterization according to the content humidity, ashes and nitrogen, calcium remainder and the percentage of recovery. The validation of the method was carried out analyzing the solids residuals of the industrial processing of the blue crab (Callinectis sapidus) and of the shrimp (Litupenaeus vannamei), classification previous for type solids residuals (shell, chelae and abdomen crab, head and shell shrimp), the samples were dried to regulated temperatures for then to be milled and sifted. The obtained results in the chitin extraction for shell were of 11,9 %, for abdomen 14,1 %, chelae 14,5 %, head 13,5 % and shell of shrimp 33,7 %, all with satisfactory grades of purity for the industrial purposes different. The recovery of residue coming from the processing of crustaceans and their transformation in products of technological value high, offer an excellent alternative for the obtaining prevails matter required mainly by the pharmaceutical and food industry.
Key words: chitin, demineralization, deproteinization, degree acetylation, crustaceans.
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Introducción
En Venezuela se producen anualmente 30,000 toneladas métricas de crustáceos (camarones, langostinos, cangrejos), de los cuales, aproximadamente el 75 % del peso vivo del espécimen es residuo /1/. Estos residuos sólidos contienen componentes extraordinariamente valiosos que pueden ser utilizados como materia prima en diversas industrias. Se calcula que entre un 20-58 % del peso seco de estos desechos es quitina, un polímero de 2-acetamida-2 desoxi-glucosa /2-4/, sustancia orgánica más abundante en la naturaleza, después de la celulosa. Este material es el componente orgánico del esqueleto de los invertebrados y, aunque ellos son de corta vida, tienen una gran capacidad de reproducción, por lo tanto, producen una gran cantidad de biomasa /5-6/. La quitina (β-(1,4)-2-acetamido-2-deoxi-D-glucosa) es obtenida generalmente por un tratamiento químico del exoesqueleto de crustáceos, entre ellos el camarón (también se encuentra en insectos, moluscos y hongos) con el fin de remover los pigmentos, las sales, tales como el carbonato de calcio y las proteínas que se encuentran asociadas a ella /5-10/. Estos compuestos se encuentran relacionados, y por métodos tradicionales se utilizan altas concentraciones de químicos para separarlos, lo cual ocasiona destrucción de proteínas y depolimerización de la quitina /11/. En consecuencia, se reducen las concentraciones de los reactantes para separar los compuestos de interés, debido a que las asociaciones proteína-quitina-pigmentos-minerales están parcialmente rotas. Esto facilita la purificación de la quitina, además de obtener proteínas parcialmente hidrolizadas y pigmentos. Estos compuestos hidrolizados presentan un adecuado valor nutricional para alimentación animal como sustitutos de harina de pescado y como atrayentes en dietas con baja aceptabilidad /11/.
Todas estas características han permitido desarrollar numerosas aplicaciones, entre las cuales se encuentran el gran espectro de propiedades terapéuticas que son aprovechadas en Europa, Asia, Australia, USA y Cuba /12/. Debido a sus características funcionales y a su inocuidad, se ha utilizado en la industria de alimentos y bebidas, también tiene aplicaciones en el tratamiento de aguas residuales
y en procesos de purificación de aguas potables, y una de sus más prometedoras aplicaciones podría ser como plástico biodegradable /3, 13/. Es por ello, que el objetivo del presente estudio es la recuperación y transformación química de los residuos sólidos generados del proceso industrial de crustáceos a productos de alto valor tecnológico como quitina que ofrece una excelente alternativa para la obtención de materia prima de gran costo requerida, principalmente, por la industria farmacéutica y alimentaria.
Materiales y métodos
Obtención de la quitina
Los residuos sólidos de crustáceos, molidos y tamizados, se someten a un proceso de despigmentación química con acetona. Para ello, se coloca la harina en un matraz provisto de agitación magnética, por 48 h a temperatura ambiente. Se procede a filtrar el producto, y finalmente se seca en una estufa eléctrica a 60 ºC por 6 h. El producto obtenido en la fase anterior se somete a una descalcificación utilizando diferentes concentraciones de HCl de 0,6 N, según /3/; 0,25 N según /5/, y el obtenido en el laboratorio con 0,28 N. Finalmente, se filtra haciendo lavados con agua destilada hasta alcanzar la neutralidad del medio.
A continuación se realizó la etapa desproteinización, la cual se lleva a cabo en un matraz equipado con condensador de reflujo, utilizando hidróxido de sodio a diferentes concentraciones tales como 1 %, 1 M y 3 %, respectivamente. El proceso se realiza por varias horas, entre 75-80 ºC y con agitación constante. El producto obtenido se purifica filtrando y realizando lavados con agua destilada hasta lograr la eliminación del exceso de base.
Identificación de quitina
La quitina fue identificada mediante espectroscopía infrarroja; se prepararon pastillas con una mezcla de 100 mg de bromuro de potasio seco por cada mg de muestra, utilizando un espectrómetro FT-IR Nicolet modelo IR 100. Los espectros obtenidos se compararon con una muestra patrón Sigma Chitin Co.
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Caracterización
El porcentaje de quitina se determinó gravimétricamente después de la desmineralización y desproteinización de las conchas de camarón.
Humedad. Para determinar el contenido de
humedad se empleó el método propuesto por la A.O.A.C. /14/.
Nitrógeno total. El contenido de nitrógeno
se determinó empleando el método de macro Kjeldahl /14/.
Cenizas. Se determinó gravimétricamente luego
de incinerar la muestra a 550 ºC para eliminar toda la materia orgánica /14/.
Determinación del residuo de calcio. El residuo
de calcio extraído se determinó después del proceso de desmineralización, empleando la técnica de espectrofotometría de absorción atómica. Antes del análisis, la muestra sólida fue digerida en ácido sulfúrico concentrado en un reactor de microondas hasta que se completó la disolución de la muestra /5/.
Validación del método. Se emplearon residuos
sólidos de crustáceos de abdomen, tenazas y caparazón de cangrejo y cabeza de camarón con la finalidad de comparar los porcentajes de recuperación.
Resultados y discución
En la tabla 1 se muestran los parámetros obtenidos aplicando los métodos propuestos /3, 5/, donde se pudo observar que los porcentajes de nitrógeno, humedad y cenizas en harina de concha de camarón son superiores a los obtenidos por los métodos empleados para la transformación química de quitina. Los residuos sólidos provenientes de las plantas procesadoras están constituidos de compuestos de valor comercial como quitina, proteínas, pigmentos, minerales, entre otros. Estos compuestos se encuentran asociados, y por métodos tradicionales se utilizan altas concentraciones de químicos para separarlos, lo cual ocasiona destrucción de proteínas y depolimerización de la quitina /11/.
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TABLA 1. COMPOSICIÓN DE HARINA Y QUITINA A PARTIR DE CONCHA DE CAMARÓN
En la tabla 2 se compararon las diferentes metodologías utilizadas para el proceso de extracción de quitina a partir de conchas de camarón, la caracterización del contenido residual de calcio y el rendimiento obtenido.
Las conchas de camarón contienen aproximadamente entre un 20-35 % de quitina asociada con proteínas 30-40 % y otros componentes que son reportados en la tabla 2. El CaCO3 es el componente inorgánico en mayor proporción que cualquier otro mineral /5/, por lo que la desmineralización ocurre cuando el ácido clorhídrico (HCl) reacciona con el
carbonato de calcio de acuerdo con la siguiente ecuación:
CaCO3 + 2HCl CO2(g) + CaCl2 + H2O Aunque el HCl puede ser la causa de efectos en las propiedades intrínsecas de la pureza de la quitina, éste es el agente descalcificante comúnmente empleado en laboratorios y a nivel industrial para la producción de este biopolímero. La concentración generalmente empleada de HCl es de 1 M. Sin embargo, otros autores reportan concentraciones de HCl de 0,25 M, lo cual hace que minimice la hidrólisis del polímero /5, 10/. Según los resultados arrojados, el
a) Optimización de la extracción de quitina /5/. b) Desacetilación termoalcalina de quitina /3/.
proceso de descalcificación más eficiente se produjo en el método de investigación propuesto con 4,78 ppm, empleando una concentración de HCl de 10 %,
seguida de la reportada por Mármol /3/ con 3,50 ppm con 0,6 N de HCl. Y por último, la arrojada por Percot /5/ de 2,30 ppm con 0,25 M de HCl.
TABLA 2. CARACTERIZACIÓN DEL CONTENIDO RESIDUAL DE CALCIO Y RENDIMIENTO OBTENIDO
Según los resultados arrojados, los mayores rendimientos para la transformación química de quitina se obtuvieron en el método propuesto con 33,70 %, seguidos del 28,8 % por Mármol /3/ y 26,57 % por Percot /5/. Estas diferencias son atribuidas, principalmente, a las condiciones acídicas establecidas para la etapa de desmineralización (pH, tiempo, concentración de HCl y temperatura de reacción).
Por otro lado, en la etapa de desproteinización a l g u n o s a u t o r e s h a n c o m p r o b a d o q u e e l tratamiento alcalino puede generar menos daño a la estructura de la quitina (ver figura 1) comparado con el tratamiento acídico en la etapa de desmineralización. Por está razón, se h a r e p o r t a d o e l u s o d e l p r o c e d i m i e n t o convencional para la desproteinización de las muestras /5, 15/.
Fig 1. Estructura de la quitina.
Las figuras 2 y 3 presentan los espectros realizados a las muestras de quitina patrón (sigma Chitin Co) y de quitina extraída de conchas de camarón, empleando diferentes metodologías. En el análisis correspondiente a estos infrarrojos se pueden identificar las vibraciones de estiramiento correspondiente al grupo N-H que presentan dos frecuencias moderadamente intensas. En los espectros de muestras sólidas, estas bandas para los cuatro espectros pueden apreciarse cerca de la región de 3 450 y 3 250 cm-1, debido al enlazamiento
de hidrógeno; la frecuencia de los grupos funcionales de amida y carbonilo se observa dos bandas intensas
en la región de 1 660-1 560 cm-1, cuando se examina
en estado sólido, lo que confirma que el producto obtenido después de las etapas de desmineralización y desproteinización es quitina.
Los cuatro espectros contienen un pequeño pico en el intervalo de 2 885 cm-1 que corresponden a las
vibraciones de tensión del enlace C-H y, generalmente ,indica la presencia de uno o más grupos alcanos. Además, se observan las vibraciones de tensión del grupo C-O-C aproxidamente entre 1 070-1 020 cm-1.
Todas estas bandas de absorción concuerdan con los estudios realizados por otros autores /3, 4/.
Fig 2. Espectros infrarrojos de la quitina patrón (Sigma Chitin Co) y la metodología propuesta para quitina por Percot /5/ (A).
Fig 3. Espectros infrarrojos de la quitina empleando la metodología propuesta por Mármol /3/ (B) y la metodología en estudio (C).
La curva de calibración realizada en función de la transformación de quitina permitió cuantificar la cantidad generada del grupo funcional amida que es
TABLA 3. BANDAS DE ABSORCIÓN PRINCIPALES CORRESPONDIENTE A LA ESTRUCTURA
DE LA QUITINA
el componente principal para verificar la acetilación de la quitina en la región de 1 660 cm-1 y 1 560 cm-1
/4/ (ver figura 4).
Los resultados mostraron que el mayor contenido de quitina en función del grupo acetilado es el método propuesto (ver tabla 4), que presentó concentraciones
de 8 566,6 ppm a 1 660 cm-1 y de 6 633,3 ppm a 1 560
cm-1, las cuales son superiores a las arrojadas por las
En la tabla 5 se muestran los porcentajes de recuperación obtenidos para la transformación de quitina a partir de los diferentes tipos de residuos sólidos, los cuales son inferiores a los encontrados en concha de camarón empleando el método propuesto. Esto se atribuye, principalmente, a los altos contenido de pigmentos, proteínas y minerales que se encuentran
en estos residuos, que hacen que disminuya el contenido de quitina. La recuperación de estos residuos provenientes del procesamiento de crustáceos y su transformación en productos de alto valor tecnológico, ofrece una excelente alternativa para la obtención de materia prima requerida, principalmente, por la industria farmacéutica y alimentaría.
Fig 4. Curvas de calibración de la quitina en función del grupo funcional amida A) 1 660 cm-1 y B)1 560 cm-1
TABLA 4. ABSORBANCIA Y CONCENTRACIÓN DE CADA UNO DE LOS ESPECTROS DE QUITINA PATRÓN Y LA QUITINA PREPARADA A PARTIR
Concluciones
La caracterización determinó que el contenido de humedad, cenizas y nitrógeno en quitina a partir de conchas de camarón están dentro de los rangos reportados por Mármol y Percot /3,5/.
El porcentaje de recuperación arrojado por el método propuesto de 33,7 % es superior a los establecidos por otros autores.
Las elevadas concentraciones del agente descalcificante puede afectar las propiedades intrínsecas de la pureza de la quitina.
Las bandas de absorción correspondiente al
grupo funcional amida en la región de 1 660 cm
-1 a 1 560 cm-1 y las vibraciones de tensión
registradas en la región de 3 450 cm-1 indican que
el producto obtenido después de las etapas de desmineralización y desproteinización es quitina. La identificación y cuantificación de quitina por infrarrojo es una alternativa para determinar la concentración del grupo funcional acetilado.
La caracterización del contenido de quitina a partir de los diferentes tipos de residuos sólidos: cabeza y concha de camarón, caparazón, tenazas y abdomen, ofrece una excelente alternativa para la obtención de materia prima requerida, principalmente, por la industria farmacéutica y alimentaría.
Agradecimiento
Los autores desean expresar su agradecimiento al Laboratorio de Análisis de Agua y Alimentos del
TABLA 5. CARACTERIZACIÓN DEL CONTENIDO DE QUITINA EN LOS DIFERENTES TIPOS
DE RESIDUOS SÓLIDOS
a Empleando el método propuesto en este estudio.
Instituto Nacional de Investigaciones Agrícolas de la Estación Local el Lago por la gran colaboración prestada durante el desarrollo de esta investigación. Además, a las plantas procesadoras ubicadas en el municipio San Francisco por su valiosa ayuda en la adquisición de residuos sólidos primordial para la ejecución de esta investigación.
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