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El quitosano es el biopolímero natural más abundante. La fórmula química del quitosano es un polisacárido lineal compuesto por unidades de D-glucosamina y N-acetil-D-glucosamina, unidas por enlaces glucosídicos β-(1–4). El quitosano contiene grupos hidroxilo y amino, lo que contribuye a su capacidad para formar enlaces covalentes mediante reacciones como la esterificación, aminación reductiva y eterificación. Estos grupos funcionales juegan un papel clave en las propiedades de solubilidad del quitosano. Posee importantes propiedades inherentes, como mucoadhesividad, actividad antibacteriana y capacidad de mejorar la permeabilidad. A pH bajo, los grupos amino se protonan, formando moléculas de quitosano con carga positiva (cationes). Estas moléculas de quitosano cargadas positivamente interactúan electrostáticamente con los componentes cargados negativamente del moco, lo que resulta en mucoadhesividad. Además, las interacciones hidrofóbicas y los enlaces de hidrógeno también son importantes para las propiedades mucoadhesivas del quitosano. El quitosano se asocia con las regiones aniónicas de las membranas celulares y abre las proteínas de unión estrecha. El grado de desacetilación (DD) y el peso molecular (MW) son las características más importantes del quitosano. Por ejemplo, el grado de acetilación determina las propiedades policationicas en medios ácidos, lo que es resultado de la ionización de los grupos amino. Las características funcionales del quitosano (como la viscosidad y la solubilidad en agua) pueden modificarse cambiando su peso molecular.
El quitosano es una molécula bioactiva. Muestra diversas actividades biológicas, como propiedades antibacterianas, antifúngicas, antitumorales, anticancerígenas, antidiabéticas, cicatrización de heridas y antioxidantes. Debido a todas estas actividades, el quitosano se utiliza ampliamente en aplicaciones biomédicas y en la administración de medicamentos, como administración oral, nasal, ocular, pulmonar, mucosa, transferencia de genes y entrega de vacunas. El quitosano se obtiene de las conchas de crustáceos como cangrejos y camarones, que contienen del 20% al 30% de quitina. La formación de quitosano implica cuatro pasos, como la desproteinización, desmineralización, decoloración y desacetilación.
El origen y los métodos de extracción del quitosano tienen un impacto directo en sus propiedades, que determinan la eficacia y el rango de aplicaciones del quitosano, incluidas la granulometría, el peso molecular, la estructura cristalina, el grado de desacetilación y el área de superficie, entre otros.
El peso molecular del quitosano (MW) depende de la cantidad de unidades monoméricas en el biopolímero. La viscosidad y la solubilidad son dos características afectadas por el MW, por lo que su control, evaluación y modificación son cruciales. El MW del quitosano suele estar entre 20 y 1200 kDa. Puede determinarse mediante dispersión de luz y cromatografía líquida de alta eficiencia, pero el método más popular y directo es el método de viscosidad.
El grado de desacetilación (DD) es otro factor importante que afecta las propiedades y aplicaciones del quitosano. La relación entre las unidades de 2-acetamido-2-desoxi-D-glucopiranosa se denomina DD. Cuando el biopolímero solo contiene la forma monomérica de 2-amino-2-desoxi-D-glucopiranosa, el grado de desacetilación es del 100%, y el biopolímero está completamente desacetilado. Cuando el porcentaje de unidades de 2-amino-2-desoxi-D-glucopiranosa alcanza el 50%, el polímero se denomina comúnmente quitosano y es soluble en un ambiente acuoso ácido. Las propiedades y usos del quitosano se ven afectados por el grado de desacetilación, al igual que por el peso molecular.
La cristalinidad es una propiedad del quitosano que refleja la proporción de partes cristalinas y amorfas en el biopolímero. Esta propiedad se mide mediante el índice de cristalinidad (CI). El quitosano es un biopolímero policristalino, cuya forma sólida es semicristalina. Tiene una celda unitaria ortorrómbica, con dos cadenas paralelas inversas, sin moléculas de agua. El origen y el método de preparación del quitosano afectan su cristalinidad. La quitina (0% desacetilada) y el quitosano completamente desacetilado al 100% tienen la mayor cristalinidad. Cuantificar el CI es crucial porque afecta la forma en que el quitosano se expande, así como su porosidad, capacidad de absorción de agua y retención de humedad. La relación entre los picos característicos de difracción de rayos X puede utilizarse para determinar el CI.
El área de superficie y el tamaño de las partículas son dos características clave del quitosano. La porosidad del quitosano está relacionada con la distribución de tamaño de poro y el volumen de poro, lo que a su vez depende del origen y del proceso de extracción. Debido a que el quitosano es no poroso, el área de superficie de las láminas o polvos es inferior a 10 m2/g. En la mayoría de las aplicaciones, generalmente se utilizan partículas de menos de 1 mm. Las aplicaciones del quitosano, como la adsorción y la inmovilización enzimática, requieren varios sitios accesibles y una estructura porosa; por lo tanto, el área de superficie y el tamaño de las partículas son factores clave. La naturaleza no porosa del quitosano requiere varias modificaciones para aumentar su área de superficie. De hecho, la medición precisa del tamaño de las partículas y su área de superficie es fundamental. Normalmente, se utiliza el método BET para determinar el área de superficie mediante isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno. El tamaño de las partículas puede determinarse mediante un analizador de tamaño de partículas, pruebas de tamiz o microscopía electrónica de barrido.
Debido a su diversidad estructural, el quitosano es un compuesto muy atractivo. Dos formas de expresar esta diversidad son el peso molecular, que varía desde oligómeros de quitosano hasta quitosanos de alto, mediano y bajo peso molecular, y el grado de desacetilación, que varía desde quitosano acetilado hasta quitina parcialmente desacetilada. Según el rango de peso molecular, el quitosano puede clasificarse en tres tipos básicos: quitosano de bajo peso molecular (LMWC, menos de 150 kDa), quitosano de peso molecular medio (MMWC, 150-700 kDa) y quitosano de alto peso molecular (HMWC, más de 700 kDa) [46]. El proceso de preparación y la fuente de materia prima afectan el peso molecular del quitosano. El peso molecular de la quitina natural suele superar los 1.000.000 Da, mientras que el peso molecular de los productos comerciales de quitosano suele estar entre 100.000 y 1.200.000 Da. En general, el estrés cortante, el oxígeno disuelto y las altas temperaturas pueden causar la degradación del quitosano. Por ejemplo, el quitosano sufre degradación térmica a temperaturas superiores a 280 ℃, lo que provoca una rápida ruptura de las cadenas de polímero y una disminución del peso molecular. Además, cuando se utiliza EDTA, el uso de ácidos fuertes o ácido a altas temperaturas (como ácido sulfúrico, acético y clorhídrico) puede provocar la máxima despolimerización, lo que da lugar a un cambio en el peso molecular, aunque la degradación sea mínima. La cromatografía, la dispersión de luz y la medición de la viscosidad son algunas de las técnicas que pueden utilizarse para medir el peso molecular del quitosano.
El quitosano (CS) es el producto de desacetilación de la quitina (un polímero de N-acetil-D-glucosamina), y la unidad de polímero principal que compone la cadena molecular es la β-1,4-D-glucosamina (GLcN). La figura siguiente muestra la estructura de la quitina/quitosano. Normalmente, cuando el grado de N-acetilación (DA, que es el porcentaje de unidades estructurales de N-acetil-D-glucosamina en la estructura de la cadena molecular, DA=100%-DD) es inferior al 50% (o el DD es mayor al 50%), se denomina quitosano, y su masa molecular relativa está determinada tanto por el grado de desacetilación (DD) como por el grado de polimerización (DP) de la N-acetil-D-glucosamina.
Existen fuertes interacciones de puentes de hidrógeno dentro y entre las cadenas moleculares del quitosano, lo que facilita la formación de una estructura cristalina ordenada, haciéndolo difícil de disolver en agua y en solventes orgánicos comunes. La estructura cristalina del quitosano generalmente se presenta en tres formas: α, β y γ. El quitosano de tipo α tiene cadenas moleculares dispuestas en una estructura antiparalela, el quitosano de tipo β tiene cadenas moleculares dispuestas en una estructura paralela, y el quitosano de tipo γ tiene cadenas moleculares dispuestas de acuerdo con la regla "dos en la misma dirección, una en la dirección opuesta".
El quitosano contiene tres grupos funcionales reactivos: el grupo amino/acetilamino y los grupos hidroxilo primario y secundario ubicados en las posiciones C-2, C-3 y C-6, respectivamente. El contenido de grupos amino es el principal factor que causa diferencias en su estructura y propiedades físico-químicas, y su distribución es aleatoria, lo que facilita la formación de puentes de hidrógeno intramoleculares e intermoleculares.
El quitosano es un producto formado por la desacetilación de la quitina a través de hidrólisis o un método específico con un grado de desacetilación superior al 70%. Es abundante y es el segundo polisacárido más grande en la naturaleza después de la celulosa. Los exoesqueletos de los crustáceos (como cangrejos, langostas y camarones) son la principal fuente de materia prima para la producción industrial de quitosano.
Comercialmente, el quitosano se produce mediante la desacetilación de quitina, que es un componente estructural en los exoesqueletos de los crustáceos (como cangrejos y camarones) y en las paredes celulares de los hongos. El grado de desacetilación (%) puede determinarse mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear, y el grado de desacetilación del quitosano comercial varía entre el 60% y el 100%. En promedio, el peso molecular del quitosano comercialmente producido varía entre 3800 y 20,000 daltons. Un método común para obtener quitosano es utilizar un exceso de hidróxido de sodio como reactivo y agua como solvente para desacetilar la quitina. Esta reacción se realiza en dos etapas, pero sigue una cinética de primer orden; la barrera de energía de activación de la primera etapa se estima en 48,8 kJ·mol-1 (25-120 ℃), superior a la barrera de energía de la segunda etapa.
[1] Fan Jinshi, Zhou Yejie, Qiu Lingxi, et al. Chitosan y su aplicación en películas de mantillo degradables [J]. -3360.2024.05.033.
[2] Cao Mengyuan, Qiao Chengkui, Han Lijun, et al. Progreso de la investigación sobre el efecto de conservación antibacteriano del quitosano en frutas y verduras y su aplicación [J Journal of Food Safety and Quality Inspection, 2024, 15 (09): 93-102: DOI: 10.19812/j.cnki.jfsq11-5956/ts.20240313003.
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/
[4]https://www.mdpi.com/2073-4360/15/13/2867
[5]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2920537/
[6]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1381514823001372
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