Sostenibilidad: obtención de quitina a partir de sustancias de desecho

FACULTAD DE FARMACIA UNIVERSIDAD DE SEVILLA SOSTENIBILIDAD: OBTENCIÓN DE QUITINA A PARTIR DE PRODUCTOS DE DESECHO IGNACIO MARÍA POLO GALINDO Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE FARMACIA TRABAJO FIN DE GRADO. GRADO EN FARMACIA SOSTENIBILIDAD: OBTENCIÓN DE QUITINA A PARTIR DE SUSTANCIAS DE DESECHO Nombre del Estudiante Ignacio María Polo Galindo Lugar y Fecha de Presentación Aula de Informática 1, 19 de septiembre de 2016 Departamento donde se realiza el TFG Departamento de Química Orgánica Y Farmacéutica Nombre del tutor/es D. Manuel Bueno Martínez Dña. Inmaculada Molina Pinilla Tipología de TFG realizado Revisión Bibliográfica Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 5 Índice 1. Resumen ................................................................................................................... 7 2. Introducción. ............................................................................................................ 7 2.1. Definiciones. .......................................................................................................... 8 2.1.1. Quitina................................................................................................................ 8 2.1.1.1. Estructura y propiedades fisicoquímicas de la quitina. .................................... 9 2.1.2. Quitosano. ........................................................................................................ 10 2.1.2.1. Estructura y propiedades fisicoquímicas del quitosano. ................................ 11 3. Objetivos ................................................................................................................ 12 4. Metodología ........................................................................................................... 12 5. Resultados y Discusión ........................................................................................... 13 5.1. El punto de partida. Desecho de los Crustáceos .................................................. 13 5.2. Métodos de obtención de Quitina ....................................................................... 14 5.2.1. Método Químico .............................................................................................. 14 5.2.1.1. Preparación de la muestra ............................................................................ 15 5.2.1.2. Desproteinización .......................................................................................... 16 5.2.1.2.1. Recuperación de las proteínas .................................................................... 16 5.2.1.3. Desmineralización ......................................................................................... 17 5.2.1.4. Despigmentación y Blanqueamiento ............................................................. 18 5.2.1.5. Purificación .................................................................................................... 18 5.2.2. Método Microbiológico: Fermentación Láctica ................................................ 19 5.2.3. Métodos Enzimáticos........................................................................................ 20 5.3. Otros compuestos obtenidos en el proceso de extracción de quitina a partir de desechos de crustáceos .............................................................................................. 21 5.3.1. Pigmentos ......................................................................................................... 21 5.3.1.1. Astaxantina ................................................................................................... 22 5.3.1.2. Cantaxantina ................................................................................................. 23 5.3.1.3. β-Caroteno ..................................................................................................... 23 5.3.2. Proteínas .......................................................................................................... 24 5.3.3. Minerales.......................................................................................................... 24 Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 6 5.3.4. Glucosamina ..................................................................................................... 24 5.4. Desacetilación de la Quitina: Obtención del Quitosano ...................................... 25 5.5. Aplicaciones de la quitina y sus derivados ........................................................... 27 5.5.1. Aplicaciones alimentarias ................................................................................. 27 5.5.1.1. Actividad antioxidante .................................................................................. 28 5.5.1.2. Conservante de alimentos ............................................................................. 28 5.5.1.3. Recubrimiento de alimentos .......................................................................... 28 5.5.1.4. Fibras dietéticas............................................................................................. 29 5.5.1.5. Bebidas y Vinos .............................................................................................. 29 5.5.2. Aplicaciones farmacéuticas .............................................................................. 29 5.5.2.1. Aplicación como excipiente ........................................................................... 29 5.5.2.2. Aplicación como principio activo ................................................................... 30 5.5.2.2.1. Absorbente de grasa y agente reductor de colesterol ................................ 30 5.5.2.2.2. Capacidad analgésica ................................................................................. 30 5.5.3. Aplicaciones en Medicina ................................................................................. 31 5.5.4. Aplicaciones cosméticas y dermatológicas ....................................................... 31 5.5.5. Aplicaciones en la industria textil ..................................................................... 32 5.5.6. Aplicaciones en el campo de la Agricultura ...................................................... 33 5.6. Importancia económica ....................................................................................... 33 6. Conclusiones ........................................................................................................... 35 7. Bibliografía ............................................................................................................. 35 Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 7 1. Resumen Cada año millones de toneladas de residuos procedentes de la industria marisquera son desechados a vertederos o son tirados directamente al mar. Estos desechos suponen un problema, ya que constituyen un residuo contaminante, ya que ejercen un impacto negativo a nivel medioambiental. Desde hace varias décadas, existen estudios que demuestran que estos desechos albergan un polímero natural, la quitina, que tiene muchísimos usos en la actualidad, además de otros compuestos secundarios que se pueden obtener de su extracción. En este trabajo se hace una valoración del estado actual de la extracción de quitina, y otros componentes, a partir de los residuos de crustáceos, en el cual se detallan los principales métodos de obtención que se llevan a cabo en la actualidad, así como las aplicaciones que tienen estos compuestos a nivel industrial. Palabras clave: CHITIN, CHITOSAN, WASTE CRUSTACEANS, DESACETYLATION. 2. Introducción. La quitina (Figura 1) y el quitosano (Figura 2) son, después de la celulosa, el segundo biopolímero natural más abundante en la naturaleza, estando presente en diferentes organismos como hongos, algas e insectos, en pequeñas cantidades, así como en exoesqueleto de crustáceos y calamares en mayores proporciones (Escobar y cols., 2014). El procesamiento industrial de los productos marinos, especialmente los crustáceos, producen una elevada cantidad de desechos que suponen un gran problema medioambiental como consecuencia de su lenta descomposición. Se calcula que se producen anualmente entre 6 y 8 millones de toneladas de estos desechos (Kehong y cols., 2015). Estos desechos, presentan entre un 14 y un 35% de quitina, que se encuentra asociada con un 30 o 40% de proteínas y la misma proporción en depósitos de calcio. Estos valores nos indican que la tarea de la extracción de la quitina y quitosano de estos desechos, no Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 8 solo es una solución al problema medioambiental, sino que también da apoyo a las industrias que utilizan estos compuestos como materias primas. Entre los campos de aplicación de estos compuestos poliméricos, se encuentran el biotecnológico y el biomédico, ya que la quitina puede emplearse como material bioestable y el quitosano como material biodegradable. Estas propiedades han llevado a algunos investigadores a probar su actividad antimicrobiana en la industria alimentaria consiguiendo aumentar el tiempo de conservación de muchos alimentos, como por ejemplo en frutas y verduras mediante la aplicación de una biopelícula de quitosano. También en la industria farmacéutica se ha evaluado su biodistribución en el organismo como vehículo de fármacos y sus tiempos de retención, dando resultados positivos, lo que convierte a estos polímeros en posibles compuestos a utilizar en la búsqueda de nuevos fármacos. En otras áreas como la ortopedia y la odontología, se ha evaluado la capacidad osteointegradora que potencializa a estos polímeros para la fabricación y evaluación de plataformas de crecimiento celular y, cirugías periodontales, al evaluarse en forma de geles e hidrogeles inyectables, como constituyente de cementos para rellenos óseos y recubrimientos bioactivos que mejoran el comportamiento de los implantes. 2.1. Definiciones. 2.1.1. Quitina. La primera persona que aisló la quitina fue Henri Braconnot en 1811 (Hamed y cols., 2016), que después de someter a unas setas a un tratamiento alcalino, comprobó que quedaba un residuo que llamó fungina. Años más tarde, esta misma sustancia sería aislada del caparazón de los escarabajos y recibiría el nombre de quitina, del griego “chitón”, que significa túnica o cobertura. Fue el primer polisacárido conocido. La quitina es un polímero natural formado por unidades moleculares de N-acetil-D- glucosamina. Es un polisacárido no tóxico y biodegradable, que se caracteriza por su insolubilidad en disolventes comunes, característica que lo hace muy difícil de procesar. Como se ha dicho anteriormente, la quitina es el segundo biopolímero lineal más abundante en la tierra después de la celulosa. Ambos son polisacáridos con estructura Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 9 semejante, se diferencian en que la quitina tiene un grupo acetamida en el Carbono-2 mientras que la celulosa tiene un grupo hidroxilo. La quitina puede ser obtenida de distintas fuentes, pero principalmente se obtiene de exoesqueletos de artrópodos y de crustáceos. Sin embargo, también producen quitina, microorganismos como los hongos y las levaduras, así como las diatomeas. Se estima que todos estos organismos son capaces de generar unos 100 millones de toneladas de quitina al año. A nivel industrial, la principal fuente de obtención de quitina son los caparazones de los crustáceos, tales como los cangrejos y los camarones, debido a la disponibilidad de residuos procedentes de la industria alimentaria de estos productos. La quitina a diferencia de otras formas de biopolímeros, como por ejemplo la celulosa, contiene nitrógeno. Esto hace que la quitina que sea ampliamente utilizada en diferentes industrias como punto de partida para la obtención de productos nitrogenados. Esto ocurre por ejemplo en industrias farmacéuticas, textiles, cosméticas, en industrias de tratamiento de aguas, etc., cruciales para la vida moderna. 2.1.1.1. Estructura y propiedades fisicoquímicas de la quitina. La poli[-β-(1,4)-N-acetil-D-glucosamina], conocida como quitina, al igual que la celulosa, es un polisacárido lineal. Se produce en la naturaleza como una red cristalina de microfibrillas, presentando tres formas distintas: α-quitina, β-quitina y γ-quitina. La αquitina es la forma más estable de las tres, y está dispuesta en hebras antiparalelas. Además, es la estructura resistente que presentan los caparazones de los crustáceos y los exoesqueletos de los insectos, así como la pared celular de hongos y levaduras. La βquitina es menos estable y está dispuesta en cadenas paralelas, y la podemos encontrar en las fibras extracelulares de las diatomeas, así como en el esqueleto del calamar y ciertos anélidos. La γ-quitina es una forma mixta entre la α-quitina y la β-quitina, siendo la forma menos común y la podemos encontrar formando parte de los capullos de algunas especies de escarabajos. Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 16 5.2.1.2. Desproteinización El contenido en proteínas que presenta la muestra, deriva principalmente del tejido esquelético del crustáceo, y en menor medida de restos del tejido muscular. Para la etapa de desproteinización pueden utilizarse diferentes reactivos, variaciones en el tiempo e incluso diferentes concentraciones de reactivos, con el fin de poder extraer de la muestra las proteínas existentes. Entre las distintas técnicas que pueden emplearse destacan:  Hidróxido de Sodio (NaOH) al 4% (1M) a 100oC durante 4 horas (Yamaguchi y cols., 2003) y (Kaur y cols., 2015).  Hidróxido de Sodio (NaOH) al 3% a 70oC durante 5 horas (Tomihata y cols., 1997). Existen otras técnicas usadas por otros autores, en la que se utilizan diferentes reactivos, como por ejemplo el uso de ácido acético al 2% durante 50 minutos a 120oC (Tomihata y cols., 1997) o una solución de ácido acético al 0,3M y acetato de sodio al 0,2M a 25oC y tiempos mayores (Vongchan y cols., 2003), pero que han mostrado menor efectividad en el proceso de desproteinización de la muestra. Después de este proceso, el residuo solido compuesto por los desechos de los crustáceos desproteinizados y que se han separado de la fracción liquida por filtración, se lavan varias veces con abundante agua, y se procede al secado de los mismos a temperatura ambiente durante 24h. La fracción liquida obtenida y que contiene las proteínas extraídas, es recuperada y almacenada, para poder someterla posteriormente a un proceso de recuperación, donde obtendremos las proteínas por precipitación. Hay que tener en cuenta que, si se somete la muestra a altas concentraciones de álcali y de temperatura, se podría producir la desacetilación y degradación de la quitina, lo que conllevaría a tener que desechar toda la muestra y tener que empezar de nuevo la extracción con una nueva muestra, por lo que hay que estimar las precauciones a la hora de llevar a cabo este proceso. 5.2.1.2.1. Recuperación de las proteínas Es interesante la recuperación de las proteínas extraídas de la muestra, ya que pueden ser aprovechadas por algunas industrias como materia prima. Para llevar a cabo el Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 17 proceso, se parte de las soluciones acuosas obtenidas en el proceso de desproteinización. Estas soluciones, se tratan con ácido clorhídrico (HCl) concentrado, hasta producir la precipitación de las proteínas, que sucede al alcanzar su punto isoeléctrico, aproximadamente a un pH entre 3,5 y 4,5. Posteriormente, la mezcla obtenida es filtrada, secada y almacenada (Escorcia y cols. 2009). 5.2.1.3. Desmineralización La desmineralización de la muestra consiste en la eliminación de las sales orgánicas presentes en la muestra, principalmente el carbonato de calcio (CaCO3). Esta etapa se suele realizar por tratamiento con ácidos, usando entre otros, HCl, HNO3, H2SO4, CH3COOH y HCOOH (No y cols., 1998) y (Percot y cols., 2003). Entre estos ácidos, el preferido para la desmineralización de las muestras de crustáceos es el HCl en disoluciones de hasta el 10% a temperatura ambiente bajo agitación constante. Sin embargo, la extracción con este acido fuerte puede tener consecuencias negativas, ya que puede perjudicar a las propiedades físico-químicas de la quitina que se obtendrá al final del proceso, ya que puede producirse la despolimerización del compuesto o incluso su desacetilación. Aun así, es el reactivo más utilizado para la desmineralización, prevaleciendo los beneficios de su uso ante los inconvenientes, ya que es el más efectivo y rápido, permitiendo la eliminación de casi el 100% de las sales minerales. Un tratamiento alternativo para disminuir la degradación de la quitina, puede ser el uso del agente complejante EDTA (ácido etilendiaminotetracético) (Argüelles y cols., 1990), aunque su eficacia es menor, por lo que no suele usarse. Una vez procesada la muestra en esta etapa, se procede al filtrado y posterior lavado con abundante agua. Una vez obtenido la fracción sólida, que corresponde a los desechos de los crustáceos desmineralizados, se procede al secado a temperatura ambiente durante 24h. La fracción acuosa obtenida en esta etapa es rica en calcio, por lo que se almacena para su extracción y posterior uso. Para determinar el grado de desmineralización, se evalúa la concentración de calcio en esta solución, por ejemplo, mediante Espectrometría de Absorción Atómica. Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 18 5.2.1.4. Despigmentación y Blanqueamiento Este proceso no es necesario para la obtención de quitina, ya que la quitina con los pigmentos que se pretenden eliminar en esta etapa, presenta las mismas características que la quitina blanquecina, color que presenta en estado puro. Por lo que la decoloración se realiza dependiendo del uso posterior que se le vaya a dar a la quitina obtenida. La coloración presente en los restos de crustáceos se debe principalmente a la presencia de pigmentos tales como la astaxantina, la cantaxantina, el astaceno, la luteína y el βcaroteno, compuestos de naturaleza lipídica. Ya que los tratamientos anteriores no son capaces de eliminar estos pigmentos, se tienen que extraer con otros compuestos. Los más utilizados son: acetona, cloroformo, éter, etanol, triclorometano, acetato de etilo o una mezcla de los anteriores, todos a temperatura ambiente (Colina y cols., 2014). También se pueden emplear agentes oxidantes tradicionales, como el agua oxigenada H2O2 (del 0,5 al 3%) y el NaOCl (al 0,3%), aunque hay que tener en cuenta que estos reactivos pueden atacar a los grupos amino libres y producir modificaciones en el polímero. En especies de crustáceos con el exoesqueleto muy coloreado, se puede utilizar de forma exitosa tratamientos con mezclas de acetona y NaOCl a temperatura ambiente (Nieto y cols., 1991). 5.2.1.5. Purificación Este paso tiene como finalidad obtener una quitina que esté completamente libre de residuos minerales, proteínicos, etc., resultando una quitina totalmente pura, por lo que se llevará a cabo solo dependiendo de la utilidad que se le vaya a dar a la quitina obtenida. Consiste en la inmersión de la quitina ya despigmentada en una solución de hidróxido de sodio (NaOH) a una concentración de entre 3-3,5%, a una temperatura de 100oC y durante 1 hora. Seguidamente, se filtra, se lava y se seca durante 30 minutos a 80oC. Una vez finalizada esta etapa, se puede decir que hemos obtenido la quitina 100% pura. Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 19 5.2.2. Método Microbiológico: Fermentación Láctica Los métodos biológicos para obtener quitina de residuos de crustáceos, son una alternativa a los métodos químicos muy interesante, ya que, para llevarlos a cabo, no es necesario el uso de grandes cantidades de sustancias químicas corrosivas a altas temperaturas, así como tampoco grandes cantidades de agua y de energía, ni los correspondientes residuos que esto proporciona. Este proceso es muy ventajoso además, por el hecho de que permite la obtención de proteínas y pigmentos con un alto valor comercial, mayor que por el método químico (Goycoolea y cols., 2004). Las proteínas obtenidas tienen un alto valor nutricional, por lo que pueden usarse para la alimentación animal. La fermentación de desechos de crustáceos usando bacterias productoras de ácido láctico, produce una fracción sólida que contiene la quitina cruda y una fracción líquida rica en proteínas, minerales y pigmentos. En general, la materia prima se mezcla con azúcares fermentables, tales como glucosa, lactosa, suero de leche, sacarosa, etc., que favorecen el crecimiento de bacterias ácidolácticas, que suelen ser del género Lactobacillus, un género de bacterias grampositivas no esporuladas, generalmente anaerobias y fermentadoras de lactosa y otros azucares (Marcia y cols., 2011), las cuales suelen añadirse en el paso de inoculación. El inoculo se prepara mediante la siembra del microorganismo en el medio (suele utilizarse el medio Caldo APT, medio de cultivo para usado para el crecimiento de bacterias productoras de ácido láctico), y su posterior incubación durante 24 horas a 30oC hasta obtener una densidad óptica de 2 a 540 nm (Cira y cols., 2002). Estas bacterias, producen ácidos (principalmente el láctico), que provocan un descenso del pH, impidiendo el crecimiento de otros microorganismos que puedan provocar la descomposición de la muestra. El ácido láctico reacciona con el carbonato de calcio presente en los desechos de crustáceos y se produce lactato de calcio, el cual va precipitando y se puede ir separando para su posterior uso (Pacheco, 2010). A la vez que se va produciendo el ácido láctico, también se producen enzimas proteolíticas, que junto con esos ácidos que empiezan a estar presente en el medio y con ayuda de la temperatura, llevan a cabo el proceso de desproteinización de los desechos de crustáceos. Que la producción de ácido láctico por parte de las bacterias sea eficiente, depende de: La cantidad del inóculo, de la fuente de Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 20 carbono, del pH inicial, así como del tiempo y temperatura de la fermentación. A continuación (Tabla 2), se detallan fuentes de carbono utilizadas y tiempo de fermentación necesario para la obtención de quitina de algunas especies: 5.2.3. Métodos Enzimáticos Otro de los métodos para la obtención de quitina a partir de desechos de crustáceos, es mediante el uso de proteasas, que se presenta como una alternativa a los métodos descritos anteriormente. Esta técnica no consigue una desmineralización de la muestra, Microorganismo Fuente de Desecho Tiempo Fuente de Carbono (FC) Eficiencia (%) DMIN DPROT L. paracei A3 Nephrops norvegicus 48h Glucosa 61 77.5 Lactobacillus Camarón 28h Glucosa 90 86 L. paracei A3 Procambarus clarkii 72h Dextrosa 97.2 94 L. pentosus 4023 Procambarus clarkii 30h Suero de Leche 90.1 81.5 Lactobacillus spp. B2 Peneaus sp. 120h Sacarosa, Lactosa, Suero de Leche 8.6 85 S. faecium M74, L. plantarum, P. acidilactici Nephrops norvegicus 144h Glucosa 93.8 NM L. salvarius, P. acidilactici Gamba 120h Glucosa 68.2 - L. plantarum Camarón 18h Glucosa 88 83 L. paracasei Cangrejo 120h Glucosa 81 NM B. licheniformis Penaeus monodon 48h Glucosa 99 98.8 P. acidolactici Camarón 24-72h Glucosa 97.9 72.5 B. supfillis Metapenaeu s. dopsoni 380h Sacarosa 72 84 P. aeruginosa Cangrejo 144h Glucosa 92 63 Tabla 2: Principales microorganismos utilizados en la extracción de quitina por métodos microbiológicos, así como los porcentajes de desmineralización y desproteinización obtenidos (Pacheco, 2010). DMIN= Porcentaje de desmineralización DPROT= Porcentaje de desproteinización. Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 21 por lo que al final del proceso, necesitaríamos realizar un tratamiento con un ácido fuerte para poder eliminar los minerales de ella (Duan y cols., 2012). Las proteasas son uno de los grupos más importantes de enzimas producidas comercialmente ya que tienen muchos usos en diferentes campos como la fotografía, la industria alimentaria, se usan como detergentes, etc. Entre las proteasas comerciales que se pueden utilizar para la extracción de quitina destacan la papaína, la tripsina, la pepsina y la alcalasa. Utilizando este método, la proteína la recuperamos en forma de hidrolizados, que pueden ser útiles en numerosas aplicaciones, como, por ejemplo, saborizante de alimentos procesados, y también puede ser añadido a las bases de alimentos que se utilizan en la acuicultura. Además, también pueden ser fuente de péptidos biológicos activos con potenciales aplicaciones farmacéuticas, así como estimulantes de crecimiento de animales. Aunque este método no es capaz de eliminar el 100% de proteínas, el contenido residual que pueda quedar, es eliminado fácilmente en la fase de desacetilación de la quitina para obtener el quitosano. Hay que tener en cuenta, que este proceso es muy sensible a las condiciones de temperatura y pH, por lo que imprescindible que estas condiciones se ajusten a cada tipo de enzima para lograr el mayor rendimiento posible, y siempre hay que mantener la agitación durante todo el proceso, para lograr una desproteinización homogénea. 5.3. Otros compuestos obtenidos en el proceso de extracción de quitina a partir de desechos de crustáceos A parte de la quitina y su posterior transformación en quitosano, del proceso de extracción, podemos obtener otros productos secundarios. Dentro de estos productos, los que mayor interés presentan son los siguientes: Pigmentos (como la astaxantina y el β-caroteno entre otros), glucosamina, proteínas y minerales. 5.3.1. Pigmentos Los pigmentos presentes en los crustáceos, responsables de su color característico, lo conforman un conjunto de compuestos de naturaleza lipídica, que son extraídos de los Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 22 desechos de los crustáceos con la ayuda de algún disolvente, como, por ejemplo, acetona, triclorometano, etanol, etc. Una vez extraídos, hay que volver a realizar distintas purificaciones para poder separar cada uno de ellos. Entre estos pigmentos, que pertenecen a la familia de los carotenoides, destacan: la astaxantina, la cantaxantina, el astaceno, la luteína y el β-caroteno. Los carotenoides, desempeñan papeles antioxidantes en la protección del organismo frente a radicales libres, por lo que su consumo está altamente recomendado, para evitar la aparición de distintas enfermedades y el envejecimiento prematuro. A continuación, se detallan algunos de estos pigmentos. 5.3.1.1. Astaxantina Este carotenoide es el más común en los animales. Es el máximo responsable del color rosado de ciertos pescados como el salmón, y de los crustáceos. A veces se encuentra unido a proteínas, que enmascaran su color, pero cuando estos son cocinados y las proteínas se desnaturalizan, aparece el color característico que proporciona la astaxantina (Figura 7). Este pigmento también es utilizado por la industria cosmética como colorante natural. Figura 6: Astaxantina Figura 7: A la izquierda un bogavante crudo y a la derecha el mismo bogavante ya cocido, donde podemos ver como la astaxantina se ha liberado del complejo de proteínas (Gajardo y cols., 2011). Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 23 5.3.1.2. Cantaxantina Aislada por primera vez de una seta, la Cantharellus cinnabarinus. Es un caroteno que se encuentra principalmente, asociada a otros carotenoides, como pigmentos en los crustáceos y en la carne de salmón. Este carotenoide se utilizaba principalmente como aditivo en los piensos destinados a los salmónidos, que van a dar color a su carne y en gallinas y pollos, para dar color también a su carne y a la yema de los huevos. Otro uso que tenía este caroteno, es como bronceador químico de la piel. Actualmente no se usa, debido a que existen estudios que demuestran sus efectos nocivos. 5.3.1.3. β-Caroteno Fue el primer carotenoide que se purificó, en 1831, en forma cristalina a partir de zanahorias. Es muy abundante en los vegetales e incluso en animales, por lo que, aunque su valor vitamínico sea solo de un 15% del valor del ácido retinoico (vitamina A), es una fuente fundamental de esta vitamina para muchas personas. Este compuesto es muy utilizado en la industria como colorante alimentario, sobre todo en la coloración de bebidas refrescantes. Debido a su insolubilidad en agua, se utiliza en polvo extremadamente fino. Hoy en día, este producto es obtenido por síntesis química o por cultivo de Dunaliella salina, un alga microscópica que prolifera en aguas con concentraciones muy elevadas de sal. Figura 8: Cantaxantina Figura 9: β-caroteno Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 24 5.3.2. Proteínas Las proteínas son obtenidas de los crustáceos en el proceso de desproteinización de los desechos. Estas proteínas dependiendo del proceso de obtención que se realice, presentan distinto valor nutricional, pero en todos ellos se obtienen proteínas de alto valor. Esto hace que puedan ser usadas como bases para la alimentación animal, como constituyente de piensos. Presentan una alta proporción de aminoácidos esenciales, destacando el ácido glutámico y el aspártico. El porcentaje de proteínas obtenido de los desechos de crustáceos, oscila entre el 30 y el 40% dependiendo de la especie utilizada. 5.3.3. Minerales Los minerales se extraen de los desechos de los crustáceos en el proceso de desmineralización. Estos desechos presentan entre un 30 y 40% de minerales en su composición, principalmente sales de calcio, en forma de cloruro, carbonato, acetato y lactato. Estas sales se pueden utilizar en el sector alimenticio, e incluso se pueden usar en el campo farmacéutico, ya que tienen propiedades que previenen el crecimiento de hongos y levaduras, convirtiéndolo en un conservante natural. El lactato de calcio también se puede utilizar como suplemento alimenticio, debido a su alta absorción intestinal, para personas con déficit de calcio, ayudando a mantener las estructuras óseas del organismo y los dientes. 5.3.4. Glucosamina La glucosamina es un amino-azúcar que actúa como precursor en la glicosilación de las proteínas y los lípidos. Los suplementos de glucosamina se obtienen a partir de la Figura 10: Glucosamina Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 25 quitina, y se utiliza principalmente en el campo de la medicina porque cumple funciones importantes en el cuerpo humano como, por ejemplo, participar en la desintoxicación y protección contra la inflamación del hígado, y para el tratamiento de la osteoartritis. Aparte del uso anterior, la glucosamina también es utilizada en las industrias alimentaria, farmacéutica, textil, agrícola, cosmética, papelera y biotecnológica. La glucosamina se obtiene a partir de la hidrólisis de la quitina, eliminándole el grupo acetilo a la molécula de N-acetil-D-glucosamina (Figura: 11). 5.4. Desacetilación de la Quitina: Obtención del Quitosano La desacetilación de la quitina (Figura 12), se lleva a cabo normalmente por la hidrólisis de los grupos acetamida. Esta hidrólisis se produce introduciendo la quitina obtenida de los residuos de los crustáceos en un medio fuertemente alcalino y aplicando altas temperaturas. Normalmente este proceso se realiza en fase heterogénea, empleando soluciones concentradas de NaOH o KOH (entre un 30 y un 50%) y temperaturas superiores a 100oC, en una atmósfera preferiblemente inerte o en presencia de sustancias reductoras, como por ejemplo NaBH4 o Na2SO3, para así evitar que se produzca la despolimerización del compuesto (Colina y cols., 2014). Las condiciones de la reacción dependerán de diferentes factores, como por ejemplo el material de partida o el grado de desacetilación que deseemos obtener. Sin embargo, con un solo tratamiento en medio alcalino, la desacetilación máxima que se puede alcanzar es menor del 75-85%. El aumentar el tiempo de la reacción, se corre el riesgo de que se produzca la degradación del polímero (Argúelles y cols., 1993). Figura 11: Hidrolisis de la quitina para obtener glucosamina. Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 32 Lo que más se utiliza en el apartado cosmético como soporte activo de distintos compuestos, son las nanofibrillas de quitina, ya que presentan una cadena principal similar al ácido hialurónico (Figura 14), lo que significa que después de su función, son fácilmente metabolizables por enzimas endógenas (Morganti, 2009). Los compuestos derivados de la quitina también se pueden añadir a productos cosméticos, como agentes hidratantes, emulsificantes, emolientes, espesantes, formadores de películas. 5.5.5. Aplicaciones en la industria textil Debido a su solubilidad en agua y su bioadhesividad, junto con su biocompatibilidad, biodegradabilidad, baja toxicidad y actividad antimicrobiana, el quitosano se usa en la industria textil como antimicrobiano (Mourya y cols., 2010). Esto impide el crecimiento de bacterias y hongos en prendas textiles, para evitar que éstas pierdan resistencia mecánica y adquieran olores desagradables, que no solo pueden aparecer en la prenda, sino que puede pasar al portador. Debido a su capacidad antialergénica, y gracias a la capacidad antimicrobiana descrita anteriormente, estos compuestos también son usados para la fabricación de prendas textiles para individuos con piel sensible, como ocurre con ancianos y bebes. Otro de los usos dentro de la industria textil, es su uso como floculante y agente quelante para la eliminación de compuestos (colorantes, disolventes, etc.) y metales pesados de los residuos acuosos producidos por estas industrias. Figura 14: Comparación entre las moléculas de quitina y ácido hialurónico. Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 33 5.5.6. Aplicaciones en el campo de la Agricultura Normalmente, los plaguicidas químicos utilizados para combatir las plagas de los cultivos, son altamente tóxicos, además de que son propensos a producir resistencias. Por ello, debido a las propiedades protectoras que proporciona la quitina, el quitosano y sus derivados a las plantas, estos compuestos son cada vez más utilizados por los agricultores para la protección de sus cultivos frente a hongos, virus, enfermedades bacterianas y nematodos (Ramírez y cols., 2010). En particular, el quitosano se utiliza como agente para recubrir las semillas, con la finalidad de controlar las plagas y de mejorar la defensa de la planta contra microorganismos. 5.6. Importancia económica A nivel mundial, se generan anualmente entre 6 y 8 millones de toneladas de residuos procedentes de la industria marisquera, de los cuales aproximadamente 1,5 millones de toneladas proceden de los países del sureste asiático. En los países desarrollados, estos residuos son destinados a vertederos o directamente al mar, lo cual puede resultar costoso, como por ejemplo en Australia, que esto tiene un coste de unos 150$ por tonelada. Si estos residuos en vez de ser desechados, fueran vendidos a industrias que los utilicen como materia prima, podrían alcanzar un valor de unos 100-120$ por tonelada. Como ya se ha comentado, dentro de los productos que se pueden obtener de estos residuos, encontramos las proteínas, que presentan una buena calidad ya que contienen todos los aminoácidos esenciales e incluso su valor nutritivo es bastante bueno, comparable al de la harina de soja. El problema que se nos presenta con las proteínas es que los métodos más utilizados para la extracción de quitina, principal uso de los desechos de los crustáceos, las destruyen o su recuperación es demasiado costosa. Por ello, están surgiendo nuevas técnicas de extracción, ya explicadas anteriormente, como la fermentación láctica, que si facilita la recuperación de esta proteína con mayor facilidad y calidad. Esto es un gran beneficio, ya que, por ejemplo, solo con poder recuperar las proteínas procedentes de los residuos correspondientes al sudeste Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 34 asiático, para la alimentación animal, se llegaría a un valor de mercado de más de 100 millones de dólares anuales. Otro de los productos que se obtienen de estos residuos, son los minerales, y entre ellos el carbonato cálcico, que como ya hemos visto, tiene numerosas aplicaciones. En la actualidad, la mayor parte del carbonato de calcio se obtiene de fuentes geológicas, como por ejemplo la caliza. Estas fuentes son muy abundantes, pero presentan el problema de que pueden contener metales pesados. Por ello, el carbonato de calcio obtenido de los residuos de los crustáceos, está más indicado para el uso humano, por ejemplo, en la industria farmacéutica. El precio que tiene el carbonato de calcio en el mercado es de unos 60-66$ por tonelada en partícula gruesa (usado en construcción, tratamientos de suelo, etc.), mientras que en partículas ultrafinas, puede llegar a valer hasta 14.000$ la tonelada. Haciendo los cálculos según el porcentaje de este compuesto que presentan los residuos de los crustáceos, procedentes solo del sudeste asiático, podríamos decir que el valor de mercado ascendería hasta aproximadamente 45 millones de dólares anuales, en partículas gruesas. En cuanto a la quitina y sus derivados, conociendo las diferentes aplicaciones que pueden tener, su valor potencial en el mercado es muchísimo mayor que el de los anteriores compuestos. Además, el presentar nitrógeno en su estructura, hace que su valor aun sea más alto. Para la producción de nitrógeno a nivel industrial, se necesita una gran cantidad de combustibles fósiles y un alto consumo de energía. Debido a esto, existen en la actualidad estudios para obtener nitrógeno y productos nitrogenados a partir de la quitina obtenido de los desechos de los crustáceos, lo que haría más sostenible su producción. Uno de estos compuestos es la etanolamina (ETA), que tiene un gran mercado a nivel mundial (alrededor de 2 millones de toneladas anuales). La quitina puede ser un buen producto de partida para la obtención de ETA, ya que dispone en su estructura de carbono, nitrógeno y oxígeno, y solo se necesitaría un paso para obtenerlo, en vez de seis pasos que conlleva su síntesis química, pero esto hasta ahora solo se ha conseguido a pequeña escala en el laboratorio (Chen y cols., 2014). Teniendo en cuenta todos los usos que puede tener la quitina, si es de buena calidad, puede llegar a valer unos 200$ el kilo. El inconveniente del mercado de la quitina, es que aún no está muy extendido su uso, se estima que su consumo mundial es de unas 10.000 Sostenibilidad: Obtención de Quitina a partir de Productos de Desecho 35 toneladas al año. Esto hace que todavía existan pocas plantas que se dediquen a la extracción de quitina a partir de desechos de crustáceos. 6. Conclusiones La principal conclusión que puede sacar de esta revisión es que, a pesar de ser un tema novedoso, del cual no se conoce mucho en Europa, es un tema bastante importante y que, aunque ahora no haya muchas empresas que lleven a cabo el proceso de la utilización de estos residuos, en un futuro cercano estas técnicas conseguirán desarrollarse para hacer de esto un negocio con bastantes expectativas positivas. Conseguir esto, nos llevaría a solucionar la problemática de la contaminación medioambiental que producen estos desechos, y además, con el beneficio de que los productos obtenidos son completamente aprovechables. En la actualidad, las técnicas que existen para llevar a cabo la extracción de la quitina, no son todas lo suficientemente efectivas y sostenibles, ya que por ejemplo la obtención por el método químico, genera residuos que no son fácilmente eliminables. Sin embargo, las técnicas biológicas de extracción, como la fermentación láctica, tienen un futuro más prometedor. 7. Bibliografía  Argüelles M, Gárciga C, Peniche W. Study of the stoichiometrix poluelectrolyte complex between chitosan and carboxymethyl cellulose. Polymer Bull. 1990; 23: 307.  Argüelles W, Peniche C. Preparation and characterization of a mercaptan derivative of chitosan for the removal of mercury from brines. Macromolecular: Materials and Engineering. 1993; 20(1): 1-8.  Castañeda C, De la Fuente N, Pacheco R, Ortiz T, Barboza J. Potencial de los quitooligosacáridos generados de quitina y quitosano. Acta Universitaria de la Universidad de Guanajuato. 2011; 21(3): 14-23. 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Estos desechos se aprovechan para la obtención de la quitina, un biopolímero de gran importancia, y a partir de ella, su principal derivado, el quitosano. Ignacio Mª Polo Galindo FACULTAD DE FARMACIA UNIVERSIDAD DE SEVILLA