La quitina: lo mejor de los desechos marinos

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Roger Salas Ovilla*, Didiana Gálvez López*, Raymundo Rosas Quijano*

CIENCIA UANL / AÑO 20, No. 84, abril-junio 2017

En la actualidad, el sector industrial que genera gran parte del flujo económico en la sociedad se ha convertido en centro de atención, esto porque también genera altas cantidades de residuos orgánicos e inorgánicos, los cuales, debido al mal manejo, representan importantes focos de contaminación. Los problemas más notorios han distorsionado diversos ecosistemas de manera drástica –pues afectan agua, aire, suelo, entre otros–, lo que se considera como una de las principales consecuencias del cambio climático.

En las últimas décadas, la transformación de los productos derivados de la actividad pesquera, especialmente de crustáceos (camarones, langosta, cangrejos, etcétera), ha generado cierto interés por la contaminación que acarrea al ambiente (Chacrabortty, Bhattacharya y Das, 2012; Sânia, et al., 2012). La industria pesquera obtiene impresionantes cantidades de residuos sólidos, en su mayoría el caparazón, y de ello aproximadamente 5% se transforma en productos como harinas y extractos que sirven de base para alimento animal; el destino del resto son las costas, lo que se convierte en un grave problema ambiental. Por su parte, los restaurantes y cocinas comerciales generan abundantes residuos de crustáceos que no son aprovechados y, por lo tanto, también contribuyen, en menor medida, a la contaminación ambiental.

Como resultado de esta situación, los grupos de investigación científica en el mundo, motivados por la preocupación social, han adquirido el compromiso de generar información que promueva programas enfocados en transformar y reutilizar los desechos para darles un valor agregado y, al mismo tiempo, incorporar el conocimiento de la relación entre la tecnología y el desarrollo sustentable, que minimice los daños en el equilibrio ambiental y de la salud humana.

Se considera “desecho marino” todo objeto manufacturado, procesado, persistente, que no aparece naturalmente en los ecosistemas marinos y costeros. Dependiendo del origen, se pueden clasificar en sintéticos o naturales. Los desechos marinos son un grave problema que se ha generado en los litorales de todo el mundo; la industria pesquera genera grandes volúmenes de residuos crustácicos que son vertidos en las playas, estos desechos orgánicos son una fuente interesante de moléculas con actividad biológica, por ejemplo, proteínas, antioxidantes y polímeros como la quitina; todos ellos tienen un amplio potencial biotecnológico.

La quitina en los crustáceos

El caparazón de crustáceos –camarones, cangrejos y krill– se considera como un desecho marino, su composición química es una fuente rica en quitina (polímero compuesto por moléculas de N-acetíl Glucosamina), que al ser sometida a un proceso de hidrólisis (descomposición del polímero), permite la obtención de compuestos benéficos y útiles, es decir, productos con alto valor agregado (Wang, Liang y Yen, 2011).

La quitina es el segundo compuesto más abúndate en la naturaleza, después de la celulosa. Está constituido por moléculas de carbohidratos con grupos nitrogenados (figura 1), y juega un papel importante en la rigidez del caparazón de los crustáceos como el camarón, cangrejo, langosta, etcétera (Kumar, Joydeep y Tripathi, 2004).

Figura 1. Estructura molecular de la quitina. Fuente: (Sabry, 1992).

Se considera que aproximadamente 75% del peso total de los crustáceos son residuos, de este porcentaje, la presencia de quitina comprende de 20 a 50% del peso total seco de dichos residuos. El contenido de quitina, proteína, minerales y carotenoides presente en la cubierta de crustáceos varía dependiendo de la especie, parte de la cubierta, estado de nutrición y ciclo reproductivo del organismo. El caparazón de camarón contiene como componente principal entre 15 y 40% de quitina, proteína entre 20 y 40% y carbonato de calcio entre 20 y 50%, y en menor cantidad pigmentos y otras sales metálicas (Younes y Rinaudo, 2015).

El camarón: una fuente rica en quitina

En México, el camarón es la principal especie en la producción pesquera, siendo el estado de Sinaloa el principal productor, seguido por Sonora y Tamaulipas (SIAP, 2014). El interés por la pesca de esta especie radica en que es una fuente importante de ingresos económicos tanto para las familias como para el mercado de alimentos. Los desechos del camarón (caparazón) son transformados con tecnología en productos de alto valor agregado como quitina, quitosán, aminoazúcares, proteínas, pigmentos, entre otros, los cuales son utilizados en las industrias cosmética, alimentaria, agrícola y farmacéutica.

Las características de la quitina y sus derivados para su aplicación en la industria, dependen en gran medida del protocolo de extracción. Se ha observado que las condiciones de reacción, principalmente de temperatura y de pH, afectan el grado de pureza, el número de grupos químicos, el peso de la molécula misma, entre otros. Además, se busca que los métodos de extracción sean simples, económicos, rápidos y “amigables” con el ambiente, para obtener polímeros biocompatibles, biodegradables y no tóxicos (Vroman y Tighzert, 2009).

Extracción de la quitina

En la actualidad, el camino más común para la obtención de quitina y quitosán es el método químico a partir de los desechos marinos como el camarón. Como se mencionó antes, el caparazón de crustáceos contiene grandes cantidades de proteínas y de carbonato de calcio, estas moléculas envuelven las microfibrillas de quitina. El tratamiento químico tiene dos fases: en la primera, la materia prima experimenta una “desproteinización” (se eliminan las proteínas), empleando una solución alcalina caliente, generalmente hidróxido de sodio o potasio; la segunda fase consiste en una “desmineralización” (se elimina principalmente el carbonato de calcio), esto se logra con el uso de ácidos fuertes (Saleh, Sathianeson y Mohammad, 2016; Flornica y Newati, 2016; Youngju y Ro, 2015). Ante la ausencia de un método de extracción estándar, el establecimiento de condiciones de reacción y el uso de grandes volúmenes de soluciones corrosivas hacen que el método sea costoso, además aumenta el precio de los productos; sin mencionar los daños que sufre el medio ambiente por la utilización de reactivos químicos altamente corrosivos que normalmente se descargan en las aguas residuales. Esto resalta la importancia de buscar métodos alternativos de procesamiento.

Por otro lado, el método biotecnológico de extracción de la quitina presenta varias ventajas, como una extracción reproducible, mayor facilidad en el manejo del proceso, el uso de ácidos y bases fuertes se suplen con compuestos orgánicos (leche, azúcar de caña), consume menos energía, es más productivo, “amigable” con el ambiente, hay menor grado de descomposición, lo que permite recuperar los subproductos con menor limitación en la purificación de los compuestos finales (Krithika y Chellaram, 2016; Gortari y Hours, 2014). Esta tecnología elabora productos con características estructurales y funcionales de mayor calidad y reduce costos de producción; asimismo, diversos trabajos de investigación concluyen que hay mayor rendimiento del producto final respecto al método químico. Sin embargo, hasta ahora este procedimiento no se ha generalizado en la industria.

El enfoque biotecnológico plantea dos vías: una es la digestión del caparazón de crustáceos mediante enzimas proteolíticas como la papaína y la pepsina. Asimismo, las quitinasas (glicosíl-hidrolasas) liberan las unidades químicas de la quitina (N-acetíl glucosamina), estas enzimas son ampliamente distribuidas en los organismos vivos como mamíferos, plantas, insectos, hongos y bacterias (Deeba et al., 2016). Este paso puede ser ejecutado antes o después de la desmineralización. La segunda vía es la fermentación por microorganismos, la cual puede ser de dos tipos: ácido láctico y no láctico. En torno a esto, diversos microorganismos se han reportado con actividad quitinolítica, entre los que destacan especies del género Lactobacillus sp., Pediococcus sp., Bacillus sp., Pseudomonas sp., Aspergillus sp., Trichoderma sp., Serratia sp., entre otros (Kaur y Singh, 2013; Kishore, 2017; Vinayak et al., 2016).

Aplicaciones de los derivados de la quitina

En la actualidad, los derivados de la quitina tienen aplicaciones en diversas áreas, como el tratamiento de aguas residuales, la industria alimentaria, la agricultura, la industria de la pulpa y el papel, productos cosméticos y de aseo, aplicaciones biomédicas, la industria farmacéutica, entre otros (tabla I).

Fuente: (Younes y Rinaudo, 2015).

La limitación en el uso de quitina se debe principalmente a la poca solubilidad que tiene, a pesar de este defecto, puede ser modificado para su utilización. El subproducto más conocido de la quitina es el quitosán, que es el resultado de la desacetilación de la quitina; éste es empleado principalmente como protector natural de alimentos frente a la degradación por microorganismos y otros factores que afectan la vida útil. También es empleado como administrador de fármacos y en tratamiento de heridas (Barikani et al., 2014; Vida, Morteza y Amir, 2015; Kmiec et al., 2017; Olicón, Zepeda y Guerra, 2017).

Por otro lado, durante la degradación de la quitina se genera una mezcla de aminoazúcares de diferentes tamaños. Estos compuestos son biodegradables, no tóxicos y presentan una gran diversidad de propiedades biológicas como bactericidas, antifúngicos, antivirales, antitumorales, antioxidantes, estimulantes del sistema nervioso, entre otros (Castañeda et al., 2011). Esto indica que la quitina y sus derivados son versátiles en su aplicación; además, si se considera su abundancia, los desechos marinos representan una excelente fuente de moléculas funcionales de amplio beneficio.

Otros subproductos obtenidos a partir de residuos marinos tienen aplicaciones interesantes como la astaxantina, colesterol, DHA, EPA, taurina, pigmentos, proteínas, hierro orgánico, enzimas, entre otras (Bae y Moon, 2010; Russell, 2013).

Conclusión

La quitina, como desecho marino, tiene un enorme potencial para ser transformado en compuestos útiles de nuestro diario vivir. Para Estados Unidos, Japón y China, la producción de quitina y quitosán juega un papel importante en términos monetarios; recientemente, países como Italia, Brasil y Corea se han sumado a esta actividad industrial de alto impacto. La mayor cantidad de quitina comercializada a nivel mundial proviene de dos fuentes principales: residuos de camarón y cangrejo, ésta siempre es proveída por la industria alimentaria dedicada al procesamiento de mariscos, por lo que es obtenida a un bajo costo.

La biotecnología plantea alternativas para la extracción y trasformación de la quitina, sin embargo se requieren más estudios robustos en el análisis de las características fisicoquímicas de los productos finales utilizando procesos biológicos, para poder determinar la superioridad frente al método químico.

Las investigaciones en torno a la utilidad de la quitina y sus derivados siguen generando información que avala las aplicaciones seguras de estos compuestos. El uso de compuestos naturales para la obtención de quitina y sus derivados plantea una alternativa al uso de compuestos sintéticos, ya que éstos, cuando son usados, generan efectos adversos a la salud. Por lo tanto, es necesario continuar las investigaciones en el desarrollo de tecnologías para incrementar el rendimiento del procesamiento del segundo compuesto más abundante en la tierra.

La explotación de los recursos biológicos es un tesoro infinito, y sólo con la generación de estudios amplios, que cubran las diversas áreas del conocimiento, se podrá ampliar la capacidad para explotar al máximo los residuos naturales de una manera ordenada, en la que la obtención de compuestos bioactivos sea favorable para la salud y el ambiente.

Agradecimientos

Los autores agradecen al proyecto SEP-PRODEP DSA/103.5/16/14474 por el financiamiento y beca otorgada.

 

*Universidad Autónoma de Chiapas

Contacto: rrquijano@yahoo.fr

 

Referencias

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