extraccion de quitosano y su aplicaciÓn en la industria farmaceutica y cosmetica (articulo 4)
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EXTRACCION DE QUITOSANO Y SU APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA FARMACEUTICA Y COSMETICA.
Armenta López Ebodio, Campillo Díaz Norely, Cisneros Becerra Yoshkar, García Rentería Jorge, Hernández Huizar Montse, Márquez Maldonado Ramón, Mendoza Rodríguez Armando,
Rodríguez Rúelas Claudia1
RESUMEN.
El quitosano es un polisacárido lineal compuesto de cadenas distribuidas
aleatoriamente de β-(1-4) D-glucosamina (unidades deacetiladas) y N-acetil-D-
glucosamina (unidad acetilatada).
El quitosano se produce comercialmente mediante la desacetilación de la
quitina, que es un elemento estructural en el exoesqueleto de los crustáceos
(cangrejos, gambas, langostas, etc.)
El grupo amino en el quitosano tiene un valor pKa que ronda los 6,5 razón por
la cual él posee una ligera carga positiva y es soluble en medios ácidos o en
soluciones neutras con dependencia de la carga del pH y del valor DA. En otras
palabras, es un bioadhesivo y puede ligarse negativamente a las superficies
cargadas negativamente tales como las membranas mucosas. Debido a esta
propiedad física, permite el transporte de principios activos polares a través de
las superficies epiteliales, siendo además biocompatible y biodegradable. Las
cualidades de purificación de los quitosanos están disponibles en aplicaciones
biomédicas.
El quitosano y sus derivados, como el trimetilquitosano (compuesto en el que el
grupo amino ha sido trimetilado), han sido empleados en el transporte de genes
no víricos. El trimetilquitosano o, incluso, el quitosano cuaternizado se han
mostrado capaces de hacer transfección de las células malignas del cancer de
pecho.
INTRODUCCION.
1 Alumnos de la carrera Ingeniería Bioquímica 8vo semestre. Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica. Instituto Tecnológico de Mazatlán.
El quitosano es un tipo de fibra procesada químicamente de los caparazones
de los crustáceos. Al igual que otros tipos de fibra como el salvado de avena, el
quitosano no es bien digerido por el cuerpo humano. Conforme pasa a través
del tracto digestivo, parece que tiene la habilidad de pegarse con las grasas
consumidas y sacarlas en las heces. Por esta razón, ha sido probado como un
agente para disminuir el colesterol y reducir el peso.
Además, el quitosano ha sido probado como un tratamiento para la
insuficiencia renal y como una ayuda en la sanación de heridas.
El quitosano se emplea principalmente como una ayuda en el crecimiento de
las plantas, debido a sus propiedades como sustancia que permite promover la
defensa de las plantas contra infecciones provocadas por hongos. Su uso ha
sido aprobado por muchos cultivadores de plantas de interior y exterior. El
principio activo se ha encontrado en los caparazones de los crustáceos, tales
como langostas, cangrejos y gambas, así como en otros organismos con
exoesqueleto. Dado su bajo índice de toxicidad y su abundancia en el medio
ambiente, no es de esperar que dañe al organismo ni a los animales de
compañía, siempre que se emplee de acuerdo con las indicaciones
establecidas. El quitosano ha sido utilizado para la coagulación de caseínas de
leche y producción de quesos de bajo contenido calórico
El quitosano se emplea en la filtración y depurado de aguas, allí donde es
necesario remover partículas en suspensión de un líquido; en combinación con
la bentonita, gelatina, gel de sílice, el isinglass, la cola de pescado u otros
agentes ligantes se emplea en la clarificación del vino y de la cerveza. Añadido
tras el proceso de vertido, mejora la floculación y arrastra las células de
levadura, partículas procedentes de las frutas y otros detritus que disminuyen la
calidad del vino. Puede combinarse con sílice coloidal para el tratamiento y
floculación de vinos blancos debido a que no requiere de taninos ácidos
(encontrados principalmente en los vinos tintos)
DESARROLLO.
EXTRACCION
Entre los materiales naturales más usados en la actualidad una pareja de
polisacáridos que ha tomado mucho auge por la infinidad de aplicaciones que
ha logrado encontrárseles, y, especialmente, por su poco impacto ambiental, lo
constituye la quitina (considerado a menudo como un derivado de la celulosa
por sus características, pero con ciertas diferencias en su estructura molecular.
La quitina es blanca, dura, inelástica y es la mayor fuente de contaminación
superficial de las áreas cercanas al mar.) Y el quitosano (éste es un polímero
con propiedades tales como biocompatibilidad, biodegradabilidad, toxicidad
nula, etc.) De hecho es el segundo polímero natural (quitosano) más
abundante, sólo superado por la celulosa, por lo que constituye un importante
recurso renovable. Ambos biopolímeros están químicamente emparentados; la
quitina, por su parte, es una poli (β-Nacetil-
glucosamina) (figura 1), la cual, mediante una reacción de desacetilación que
elimine al menos un 50 % de sus grupos acetilo, se convierte en quitosano (poli
(β-N-acetil-glucosamina-co-β glucosamina)). Cuando el grado de desacetilación
alcanza el 100 % el polímero se conoce como quitano. Estos dos biopolímeros
poseen la ventaja de ser conocidos por la naturaleza desde hace millones de
años. En efecto, si hacemos caso de infinidad de hallazgos paleontológicos, es
posible asignarle a la quitina una edad de al menos 570 millones de años, al
haber sido encontrada en el exoesqueleto de artrópodos acuáticos fósiles
conocidos como trilobites, que datan de la era paleozoica.
Figura 1.- Relación estructural entre la quitina, el quitosano y el quitano
Fig. 2.- Esquema simplificado para la obtención de quitina y quitosano a partir de conchas de crustáceos.
El quitosano se puede encontrar de forma natural en las paredes celulares de
algunas plantas y hongos (por ejemplo en el Mucor rouxii llega a representar
hasta un tercio de su peso). Sin embargo, la fuente más importante de
quitosano, a nivel industrial, lo constituye la quitina, la cual, mediante un
proceso de desacetilación química o enzimática, ha permitido producirlo a gran
escala. Desde el punto de vista químico, los procesos para obtener la quitina y
el quitosano son relativamente sencillos, aunque el tratamiento con álcali
concentrado a temperaturas relativamente altas implica riesgos importantes
para los operadores de las plantas de producción y hostilidad hacia el
ambiente.
Otra fuente no costosa de quitina son las "plumas de calamar," un producto
secundario del calamar procesado; estas son pequeñas piezas de calamar,
similares al plástico, no comestibles que son extraídas antes de comérselo.
APLICACIONES.
Material cosmético
La industria cosmética es muy exigente en la calidad de sus insumos y
producto terminado, por lo que la tecnología de irradiación se aplica en la
descontaminación de brochas cosméticas elaboradas de fibras finas naturales
de animales.
Es amplia la aplicación de ambos biopolímeros en este campo. Se mencionan
tres de las más conocidas:
• Fabricación de cápsulas para adelgazar, denominadas “atrapagrasas”. Quizás
sea la aplicación más extensamente aprovechada del quitosano (Outfat es solo
una de las marcas más conocidas).
• Aditivo bactericida en jabones, champúes, cremas de afeitar, cremas para la
piel, pasta dental, etc.
• Agente hidratante para la piel, debido a que sus geles pueden suministrar
agua y evitar la resequedad. Además, el quitosano forma una película que
ayuda a dosificar otros principios activos.
Medicina:
Hoy en día se sabe que la quitina y el quitosano han sido usados desde la
antigüedad para acelerar el sanamiento de heridas. Por ejemplo, los
antepasados de los coreanos usaban la quitina en el tratamiento de abrasiones
(obteniéndola a partir de las plumas del calamar) y los antepasados de los
mexicanos aplicaban quitosano para la aceleración de la cicatrización de
heridas (obteniéndolo de las paredes celulares de algunos hongos). En la
actualidad, entre los usos médicos más sencillos de estos materiales podemos
mencionar:
• Producción de suturas quirúrgicas a partir de quitina.
• Producción de gasas y vendajes tratados con quitosano.
• Cremas bactericidas para el tratamiento de quemaduras.
• Algodón
• Contenedor artificial de sangre
• Control de colesterol
• Inhibidor tumoral
• Membranas, inhibición de placas dentarias
• Cicatrización de heridas
• Piel artificial
• Tratamientos de enfermedades óseas
• Lentes de contacto
• Membranas de diálisis
• Anticoagulante
• Liberacion de drogas
• Venda para los ojos
• Emulsificante
Dosis Terapéuticas
La dosis convencional de quitosano es de 3 a 6 g por día, para ser consumida
con los alimentos.
El quitosano puede reducir ciertos minerales del cuerpo. Por esta razón,
cuando utilice quitosano, podría ser útil tomar complementos de calcio,
vitamina D, selenio, magnesio y otros minerales.
También, según un estudio preliminar en ratas, tomar vitamina C en
combinación con quitosano podría proporcionar beneficios adicionales en la
reducción del colesterol
Usos Terapéuticos
El quitosano podría hacer difícil para el cuerpo la absorción de grasas. Un
estudio sugiere que el uso de quitosano podría ayudar para la pérdida de peso,
aunque dos estudios más pequeños y más cortos no coincidieron. La diferencia
en el resultado podría estar en el tipo de producto de quitosano utilizado. La
evidencia también es contradictoria en la posibilidad de que el quitosano pueda
disminuir los niveles de colesterol.
Evidencia poco convincente señala que el quitosano podría ser de ayuda para
la insuficiencia renal. Cuando es utilizado para este propósito, se cree que
funciona al mezclarse con las toxinas en el tracto digestivo y provocar que
éstas sean excretadas.
Estudios en perros han descubierto que el quitosano aplicado tópicamente
puede ayudar a sanar las heridas. Este efecto podría ser debido a la
estimulación del crecimiento de nuevo tejido; además, el quitosano tópico
parece matar bacterias como el Estreptococo, el cual también puede contribuir
a sanar las heridas. El quitosano también podría tener actividad en contra de la
Candida albicans, un tipo de levadura que provoca infecciones vaginales.
Evidencia altamente preliminar sugiere que el quitosano oral podría inhibir el
aumento esperado en la presión arterial después de una comida alta en sales.
También se ha sugerido que el quitosano puede estimular el sistema
inmunológico y prevenir el cáncer, pero no existe evidencia confiable hasta el
momento de que ofrezca estos beneficios.
Estudios en animales sugieren que algunos tipos de quitosano podrían ayudar
a prevenir la pérdida de tejido óseo; sin embargo, ya que el quitosano también
interfiere con la absorción de minerales, el efecto neto en los humanos de
hecho podría incrementar la pérdida ósea.
¿Cuál Es la Evidencia Científica del Quitosano?
Pérdida de Peso
Un estudio doble ciego controlado por placebo de 8 semanas de duración con
59 personas con sobrepeso evaluó los posibles efectos del quitosano en la
pérdida de peso tomando una dosis de 1.5 g antes de cada una de las dos
principales comidas del día. No fueron asignadas dietas especiales. Los
resultados mostraron que, en promedio, los participantes en el grupo con
placebo aumentaron 3 libras de peso durante el estudio, mientras que los que
tomaron quitosano perdieron más de 2 libras.
En contraste, un estudio doble ciego controlado con placebo de 8 semanas de
duración en 51 mujeres descubrió que el uso del quitosano en una dosis de
1,200 mg dos veces al día falló en provocar cualquier pérdida de peso.
De manera similar, en un estudio doble ciego de 28 días de duración con 30
personas con sobrepeso, el quitosano tomado en una dosis de 1g dos veces al
día no indujo a la pérdida de peso.
Cuando los resultados de pequeños estudios se contradicen uno al otro de esta
manera, esto generalmente indica que los efectos de un tratamiento son
modestos en el mejor de los casos.
Alto Nivel de Colesterol
Según dos de los tres estudios doble ciego controlados con placebo, el
quitosano puede mejorar modestamente el perfil del colesterol.
Un estudio doble ciego de 8 semanas de duración, controlado con placebo en
51 mujeres descubrió que el uso del quitosano en una dosis de 1,200 mg dos
veces al día redujo ligeramente el colesterol ("malo") LDL en comparación con
el placebo, pero no afectó los niveles de colesterol total o ("bueno") HDL. Otro
estudio de 8 semanas, éste involucrando a 84 personas, también descubrió
beneficios modestos.
Sin embargo, un estudio doble ciego controlado con placebo de 4 meses de
duración en 88 personas no descubrió mejorías con 1,000 mg 3 veces al día de
un producto diferente de quitosano.
Como con la pérdida de peso, estos resultados contradictorios sugieren que si
el quitosano en realidad mejora el perfil del colesterol, lo hace sólo en menor
grado.
Insuficiencia Renal
Las personas con insuficiencia renal experimentan numerosos problemas de
salud, incluyendo anemia, fatiga y pérdida del apetito. En un estudio abierto,
investigadores analizaron complementos de quitosano en 80 personas con
insuficiencia renal que recibían en ese momento tratamiento de hemodiálisis. A
la mitad de los participantes se les suministró tabletas de 45 mg para dar un
total de 1,500 mg de quitosano al día durante 12 semanas; a la otra mitad no
se le dió complemento. Aquellos en el grupo de tratamiento mostraron una
significativa disminución en los niveles de urea y creatinina. Además, tuvieron
un aumento en los niveles de hemoglobina y reportaron mejoría en la salud en
general, el apetito, así como en el sueño. Sin embargo, estos resultados deben
ser tomados con cautela, ya que sólo los estudios doble ciego controlados con
placebo pueden probar la efectividad de un tratamiento.
Existen otras aplicaciones en diferentes áreas como lo son:
Agricultura:
Son muchísimas las aplicaciones en este campo que se han venido
desarrollando. Entre las más comunes tenemos:
• Recubrimiento de semillas con películas de quitosano para su conservación
durante el almacenamiento.
• Sistemas liberadores de fertilizantes.
• Agente bactericida y fungicida para la protección de plántulas (inicio de las
plantaciones).
Tratamiento de aguas:
Es una de las áreas más importantes debido a que el quitosano y la quitina
son sustancias “ambientalmente amigables”. Entre los principales usos que se
hacen en la actualidad de estos biomateriales, y algunos de sus derivados, en
este campo tenemos:
• Coagulante primario para aguas residuales de alta turbidez y alta alcalinidad.
• Floculante para la remoción de partículas coloidales sólidas y aceites de
pescado.
• Captura de metales pesados y pesticidas en soluciones acuosas. Algunos
copolímeros de injerto del quitosano muestran alta efectividad para remover
metales pesados, especialmente los derivados de ácidos alquenodióicos3
Biosensores:
Son numerosísimas las aplicaciones del quitosano en este campo,
especialmente como soporte para la inmovilización de enzimas sensibles a un
sustrato específico. Algunos ejemplos son:
• Sensor para glucosa en sangre humana, basado en la inmovilización de la
enzima glucosa oxidasa sobre quitosano, usando adicionalmente Azul de
Prusia.
• Sensor para la detección de fenoles en aguas de desecho en plantas
industriales, basado en la inmovilización de la enzima tirosinasa.
• Sensores basados en la inmovilización de nanopartículas espacialmente
ordenadas.
Sin embargo, quizás las aplicaciones más importantes que lograrán tener estos
biomateriales en un futuro muy próximo, especialmente en países en vías de
desarrollo como el nuestro, serán en el campo de la terapia genética no viral,
utilizando una vía alterna a la introducción física directa del material genético
dentro de las células. Esta vía, ya probada con resultados alentadores, utiliza la
formación de complejos polielectrolitos entre las macromoléculas de ADN y
sales inorgánicas, policationes, lípidos, etc., para introducir el ADN en las
células. En el caso del quitosano ya comienzan a vislumbrarse algunas
posibilidades en el área, como por ejemplo las que puedan derivarse de los
estudios de transfección in vitro e in vivo de células de mamíferos, en el
tratamiento de enfermedades hereditarias y cáncer.
Pero sin duda la que mayor expectativa genera es la de la utilización para la
mejora de la conservación de los alimentos. Las propiedades antimicrobianas
del quitosano están ampliamente difundidas en la literatura científica, lo que ha
generado grandes expectativas en la aplicación de este compuesto como
conservante natural de alimentos. La efectividad antimicrobiana del quitosano
se observa en una amplia veriedad de microorganismos, desde bacterias hasta
mohos y levaduras. Así, existen estudios de efectividad en este sentido en
productos tan variados como el zumo de manzana, ensaladas o salchichas de
cerdo.
CONCLUSION.
Los métodos para la extracción del quitosano son relativamente sencillos
debido a que se encuentran de manera natural al igual que la quitina aplicando
una reacción de desacetilación de un 50% para producir el quitosano.
El quitosano se encuentra en muchas partes de manera natural como lo es en:
crustáceos principalmente camaron, jaiba, etc, asi como en otros medios. Se
tiene que este polímero esta siendo cada vez mas demandado debido a su
gran eficacia y su gran aplicación en diferentes areas (ya antes mencionadas),
Un estudio de investigación realizado por Global Industry Analyst, Inc., de la
producción mundial de quitina y quitosano proyectada para el 2010 arroja como
resultado una tasa de crecimiento anual del 16%. El gráfico expuesto a
continuación muestra la proyección estimada para el 2010:
Tabla 1.- Estudio de mercado de quitosano para el 2010.
Debido a esto se puede considerar una excelente opción para comercializar debido a la gran demanda que presenta este polímero.
Se están aplicando estudios y nuevas tecnicas para otras aplicaciones en otras ramas para aprovechar este recuerso.
Por otra parte no es recomendable consumir quitina o quitosano en exceso, ya que como antes mencionado puede causar osteoporosis .
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