Modificaciones físicas, químicas y enzimáticas y sus efectos sobre las propiedades de las películas de quitosano

Physical, chemical and enzymatic modifications and their effects on the properties of chitosan films

Resúmenes

Las recientes investigaciones en el campo de biopolímeros han intentado brindar soluciones tecnológicas a los retos en el campo de la ciencia y la tecnología de los materiales. En los últimos años, se han llevado a cabo investigaciones con el objetivo de modificar las propiedades de películas empleando tratamientos enzimáticos y físicos, tales como la aplicación de radiaciones, pulsos eléctricos, plasma, tratamientos térmicos, uso de fluidos supercríticos, así como la conformación de películas en multicapas. Estas modificaciones cambian las propiedades antimicrobianas, físicas y químicas de las películas de quitosano y permiten desarrollar una extensa cantidad de aplicaciones en los campos de biomedicina, farmacología, biotecnología y en la industria de cosméticos y de alimentos. El objetivo del presente artículo de revisión es dar a conocer los nuevos avances en el campo de modificaciones físicas y enzimáticas de películas de quitosano explicando diferentes técnicas empleadas en los últimos años.

quitosano; polímeros; películas modificadas; aditivos alimenticios

Recent research on biopolymer has focused its efforts to provide technological solutions to current and future challenges in the field of science and technology of materials. The properties of chitosan films have been modified by enzymatic and physical treatments such as the application of radiation, electric pulses, plasma, heat treatments, use of supercritical fluids as well as the formation of multilayer films. These modifications change antimicrobial, physical and chemical properties of chitosan films, and allow developing a wide range of applications in the fields of biomedicine, pharmacology, biotechnology, cosmetic and food industries. The purpose of this review is to present new developments in the field of physical and enzymatic modifications of chitosan films describing the different techniques carried out on the last years.

chitosan; polymers; modified films; food additives

1. INTRODUCCIÓN

El quitosano es un copolímero de glucosamina y N-acetil glucosamina obtenido a partir de la des acetilación de quitina bajo condiciones alcalinas o por hidrólisis enzimática (Figura 1). La quitina es el segundo polisacárido más abundante de la naturaleza presente en insectos y crustáceos terrestres, hongos, microorganismos y en exoesqueletos de organismos marinos tales como cangrejos, camarones y langostas, entre otros ^[1,2]

Figura 1
Estructura química (a) quitina y (b) qitosano ^[3].

El quitosano se caracteriza por ser biodegradable y no tóxico, así como por ser capaz de formar películas y por sus propiedades antimicrobianas ^[4]. Estas propiedades han permitido que se hayan desarrollado aplicaciones industriales, entre ellas se encuentran desarrollos en la industria biomédica, farmacológica, oftalmológica, de cosméticos y de alimentos, así como las aplicaciones en el campo de la electrónica, la fotografía, la biotecnología y para el tratamiento de aguas contaminadas, entre otras aplicaciones ^[2,5]. En la industria alimentaria, se ha empleado para la formación de películas biodegradables, la inmovilización de enzimas, la preservación de alimentos, como aditivo y en suplementos dietarios ^[6]. En la industria biomédica se ha utilizado en desarrollos ortopédicos, periodontales y en el área de la otorrinolaringología. En el campo de la ingeniería de tejidos se emplea para la regeneración de huesos, cartílago, nervios, cicatrización de heridas, liberación controlada de biocompuestos, entre otros ^[7-12].

El objetivo de este trabajo de revisión es presentar las diferentes modificaciones físicas y enzimáticas que se han desarrollado específicamente en películas de quitosano para dar a conocer los nuevos avances en este campo.

3.1. MODIFICACIONES FÍSICAS

3.1.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Las propiedades de los materiales pueden ser alteradas y mejoradas cuando diferentes procesos y transformaciones son aplicados. Los tratamientos térmicos pueden alterar la estructura interna y las interacciones de las moléculas, modificando la velocidad de difusión de materiales como cerámicas y polímeros ^[13]. Dentro de estas modificaciones se ha evaluado el efecto de las condiciones de secado sobre las propiedades de las películas de quitosano cuando estas son obtenidas por la técnica de evaporación del solvente. Entre las investigaciones se encuentran el secado a condiciones ambientales, con aire caliente, al vacío, empleado microondas, infrarrojo, entre otros ^[14,15].

El método más utilizado es el secado con aire caliente. Sin embargo, una de las condiciones más influyentes es la temperatura. Por esta razón, se han desarrollado diversas investigaciones que comparan los efectos de diferentes temperaturas. En el estudio realizado POR FERNANDEZ-PAN et al.^[16] se concluyó que usar una temperatura de secado más alta (80ºC) da lugar a películas con menor elasticidad y resistencia a la tensión y menor permeabilidad al vapor de agua y se determinó que la temperatura es un parámetro más influyente sobre las propiedades mecánicas y de barrera que la humedad. Adicionalmente, los resultados obtenidos a partir de la investigación llevada a cabo por FERNANDEZ-SAIZ et al.^[17]demuestran que la capacidad antimicrobiana de las películas se afecta con la temperatura de secado, cuando esta es de 120ºC se disminuye la capacidad microbiana inhibitoria comparado con temperaturas de 37ºC y 80ºC.

Otras condiciones de secado como humedad y presión, también son considerados parámetros críticos que afectan las propiedades físicas y microbiológicas de las películas de quitosano. La investigación desarrollada por MAYACHIEW Y DEVAHASTIN ^[14],determinó que las aplicación de vacío es el tratamiento más rápido, seguido por la aplicación de vapor sobrecalentado a bajas presiones y finalmente, el empleo de aire caliente (40ºC). Sin embargo, basado en las propiedades de las películas, se estableció que el tratamiento más recomendado es usando vapor sobrecalentado a bajas presiones, ya que las películas obtenidas se caracterizaron por poseer un menor color amarillo, una mayor resistencia a la tensión y una mayor elongación.

Resultados similares fueron presentados por THAKHIEW et al. ^[18], cuyo estudio estableció que no existen diferencias significativas entre el espesor, color y contenido de humedad de las muestras secadas con las técnicas descritas anteriormente cuando se utilizan concentraciones bajas de glicerol en la formulación. Sin embargo, el secado a vacío y usando vapor sobrecalentado a bajas presiones son técnicas más rápidas que dan lugar a películas más compactas y uniformes.

En los últimos años se han investigado otros métodos como la aplicación de infrarrojo, microondas, y el uso de prensa caliente y liofilización. La investigación realizada por SRINIVASA et al. ^[19] evaluó tres diferentes métodos de secado, empleando horno de convección, luz infrarroja (80, 90 y 100ºC) y a temperatura ambiente (27ºC), y se concluyó que el método más rápido y eficiente fue el método de luz infrarroja. También se ha identificado que el uso de microondas es rápido y efectivo y da lugar a películas con una mayor uniformidad superficial y mejores propiedades de barrera a la luz ultravioleta ^[15]. Por otra parte, el empleo de prensa caliente (120ºC y 20 MPa) permite la obtención de películas compuestas de quitosano, sulfato de condroitina, heparina y ácido hialurónico, sin necesidad de emplear agentes ligantes ni modificaciones químicas y estas se caracterizan por ser homogéneas, no porosas e insolubles en agua ^[20]. Esta última técnica permite obtener películas en multicapa de nanotubos de carbono y quitosano con mejores características, películas más homogéneas, traslúcidas y con poros distribuidos ordenadamente cuando la técnica es comparada con métodos de secado como liofilización y por convección de aire ^[21].

Se han estudiado algunos tratamientos térmicos realizados una vez que las películas de quitosano han sido obtenidas. El estudio desarrollado por FERNANDEZ-SAIZ et al. ^[17] analizó el efecto de la esterilización seca y húmeda de películas de quitosano y concluyó que las películas esterilizadas perdieron propiedades biocidas debido a que los grupos carboxilados disminuyeron comparado con los grupos de las películas sin esterilizar, adicionalmente las películas esterilizadas presentaron un incremento en la coloración amarilla debido a la formación de insaturaciones o compuestos coloreados. Por otra parte, en el artículo presentado por RITTHIDEJ et al. ^[22], se analizó el efecto del tratamiento térmico en húmedo al someter las películas de quitosano a condiciones de 60 ºC y HR 75% y se concluyó que este tratamiento disminuyó la solubilidad acuosa de las películas, ya que se presentó un cambio en la interacción iónica, un mayor número de grupos alquilos y una menor cantidad de grupos carboxilos e hidroxilos que favoreció la formación de amidas homogéneas entre el quitosano y los ácidos orgánicos.

Los tratamientos de curado pueden mejorar las propiedades de barrera al vapor de agua de las películas de quitosano tratadas, mientras se disminuye la capacidad de retención de agua, la permeabilidad al vapor de agua y se intensifica el color amarillo ^[23].Resultados similares fueron obtenidos durante la investigación llevada a cabo por MUDARISOVA et al. ^[24], que evaluó el efecto del tratamiento térmico sobre las propiedades de transferencia de masa de las películas de quitosano. Se comprobó que al someter las películas a una temperatura de 120ºC, se modificaba la estructura de la matriz polimérica ocasionando una disminución de la solubilidad acuosa y una disminución en la velocidad de liberación de los antibióticos cefazolina y cefotaxima contenidos en la película polimérica.

Estos tratamientos pueden ser aplicados para obtener polímeros con nuevas propiedades ópticas, como se demostró en la investigación de KUMAR et al. ^[25], el cual aplicó microondas para obtener un nuevo material óptico para aplicaciones biomédicas a partir de fenotiazina-quitosano. Este estudio concluyó que las películas obtenidas tienen un buen comportamiento morfológico superficial y térmico, así como propiedades ópticas de fotoluminiscencia

3.1.2. APLICACIÓN DE FLUIDOS SUPERCRÍTICOS

Solo algunas investigaciones han empleado fluidos supercríticos como solventes durante la obtención de películas de quitosano. Estos estudios han demostrado que el uso de fluidos supercríticos en comparación con el uso de solventes convencionales da lugar a películas más homogéneas y uniformes. Esto se debe a que los fluidos supercríticos penetran libremente en la matriz del polímero debido a la ausencia de fuerzas capilares que favorece la permeabilidad en la matriz ^[26,27]. Adicionalmente, esta técnica se puede utilizar para fijar compuestos inorgánicos en matrices poliméricas al ser asegurar una homogénea deposición de carbonato de calcio en películas de quitosano y celulosa como método de mineralización ^[28].

3.1.3. APLICACIÓN DE RADIACIONES IONIZANTES

Se han desarrollado estudios donde se analiza la eficiencia en los procesos de copolimerización usando radiación ionizante con el objetivo de combinar las propiedades físicas y químicas de dos o más polímeros o monómeros ^[29-31]. Según CAI et al. ^[29], cuando las soluciones de quitosano y N-isopropil acrilamida fueron irradiadas, el porcentaje y eficiencia de integración incrementó con el aumento de la concentración de los polímeros empleados, así como con el aumento de la radiación gama suministrada durante la copolimerización. Adicionalmente, cuando soluciones de quitosano y almidón son sometidas a un proceso de radiación con rayos de electrones a 30 kGy, se aumenta la capacidad antimicrobiana de las películas, se disminuye la capacidad de absorción de agua y se favorece la dispersión de las microesferas de quitosano en la matriz de almidón debido a la degradación del quitosano. Sin embargo, no se reportan cambios en la cristalinidad después del tratamiento ^[30].

Por otra parte, al aplicar las radiaciones ionizantes sobre las películas copoliméricas se producen cambios en sus propiedades físicas, químicas, mecánicas y antimicrobianas debido a la alteración de las estructuras cristalinas de los polímeros y cambios en su microestructura ^[32]. Según KHAN et al. ^[33], se evidenció una pérdida de la viscoelasticidad y de la resistencia a la punción, así como una disminución de la permeabilidad al vapor de agua en las películas de quitosano y metilcelulosa irradiadas a 50 kGy. Por otra parte, cuando las radiaciones ionizantes son aplicadas sobre películas de quitosano y quitina carboximetilada, estas exhiben excelentes propiedades mecánicas, buena absorción de agua y una actividad antimicrobiana satisfactoria ^[34].

3.1.4. APLICACIÓN DE RADIACIONES NO IONIZANTES

Cuando las radiaciones no ionizantes son aplicadas sobre películas de quitosano se favorece la fotoxidación del quitosano y se induce al aumento en la polaridad por la formación de glutation o fenilalanina, especialmente en la superficie de las películas debido a la presencia de oxígeno ^[35-39].

La aplicación de radiaciones no ionizantes pueden inducir a cambios fotoquímicos en las soluciones de quitosano, ya que puede aumentar la estabilidad térmica y la solubilidad en agua de las macromoléculas, mientras alteran negativamente las propiedades mecánicas de las películas poliméricas, disminuyendo la resistencia a la tensión y porcentaje de elongación después del tratamiento ^[36,37,39]. Se ha comprobado que la radiación UV favorece la interacción del quitosano con fibras de celulosa y aumenta la estabilidad térmica del material ^[40].

Esta radiación puede ser empleada para disminuir la coloración de las soluciones de quitosano sin necesidad de emplear agentes químicos. El proceso da como resultado soluciones de viscosidad alta y de color blanco deseable, lo cual comparado con otros métodos reduce los tiempos y costos de producción y es un proceso más amigable con el medio ambiente y más continuo, ya que depende de una fuente de luz totalmente estable ^[41]. Por otra parte, se ha estudiado el efecto de la radiación con microondas durante el proceso de homogenización de soluciones de quitosano y se ha concluido que es una técnica que disminuye el tiempo de homogenización. Sin embargo, esta técnica induce a estados de agregación de las moléculas de quitosano y favorece la formación de redes poliméricas por puentes de hidrógeno que cambia el comportamiento térmico y morfológico del polímero en solución ^[42].

Adicionalmente, se ha evaluado el fenómeno de la fotodegradación sobre las propiedades físicas de las películas de quitosano bajo la acción de la luz UV artificial y la radiación solar. El estudio comprobó que la radiación UV artificial comparada con la radiación solar tiene un efecto más significativo sobre las propiedades evaluadas debido a que el fenómeno de fotodegradaciónes más marcado, siendo las películas de la mezcla de colágeno con quitosano y las películas de colágeno más sensibles ^[43].

3.1.5. APLICACIÓN DE PULSOS ELÉCTRICOS

Algunas investigaciones han evaluado el efecto de la aplicación de pulsos eléctricos sobre las propiedades de las películas de quitosano. Según GARCIA et al. ^[44], el carácter catiónico del quitosano permite emplear mecanismos para modificar las propiedades de película. Un tratamiento con pulsos eléctricos aplicados paralelamente a la superficie durante el secado de películas de quitosano y carboximetilcelulosa orientadas uniaxialmente, aumenta el orden estructural y puede llegar a ser una alternativa para mejorar su flexibilidad y sus propiedades de permeabilidad al vapor de agua, sin llegar a modificar su apariencia externa.

Resultados similares han sido reportados por otros autores, quienes demostraron que la aplicación de campos eléctricos antes y durante del secado de soluciones de quitosano, usando una fuente de calentamiento óhmico a 60º C con intensidades de campo de 50 a 200 Vcm-1 y con corriente alterna de 50 Hz, dieron como resultado películas más cristalinas y se registraron valores de permeabilidad al vapor de agua, oxígeno y dióxido de carbono más bajos, lo cual sugiere que es un tratamiento efectivo para ser aplicado en empaques para alimentos reduciendo las pérdidas de agua, la oxidación lipídica y otras reacciones metabólicas que pueden experimentar los alimentos empacados ^[45,46].

3.1.6. PLASMA

La aplicación de plasma como tratamiento es considerada como una técnica muy eficiente y amigable con el medio ambiente y se utiliza para modificar de forma controlada las propiedades de hidroficidad y de superficie, sin alterar las características de las películas ^[47-50].

La deposición de compuestos como hexametildisilazano sobre películas de quitosano usando un reactor de plasma de placas paralelas es considerada como una técnica que favorece la conformación de superficies hidrófobas sin cambios en las propiedades ópticas ni mecánicas debido a la polimerización del hexametil disilazano a estructuras de tipo silicona no polar ^[49]. Según WANG et al. ^[51], el tratamiento con oxígeno plasma puede mejorar la hidroficidad superficial de las películas de quitosano debido a la incorporación de oxígeno en los grupos polares, fenómeno que no es permanente y desaparece después de un corto tiempo debido a la reorientación de los grupos funcionales. Resultados similares fueron reportados por THEAPSAK et al ^[52], VARTIAINEN et al ^[53], VARTIAINEN et al. ^[54] y DEMINA et al. ^[55], quienes recomiendan la aplicación de plasma como técnica efectiva para aumentar la integración de las moléculas de quitosano con otros polímeros como polietileno, polipropileno, polietileno de baja densidad, y ácido poli-láctico y gelatina, respectivamente, con el objetivo de fabricar empaques multicapas con mejores propiedades físicas, mecánicas y antimicrobianas.

3.1.7. CONFORMACIÓN DE PELÍCULAS EN MULTICAPAS

Los empaques compuestos por multicapas se han diseñado y fabricados con el objetivo de combinar las ventajas de cada componente y obtener películas con propiedades específicas ^[56]. Estas películas son elaboradas usando un protocolo de deposición alternada de polielectrolitos cargados opuestamente, fenómeno que se produce por la interacción entre los compuestos, específicamente entre el polication y el polianion que conforma la película ^[57,58]. El quitosano al ser un polication puede interactuar con moléculas cargadas negativamente^[59], por lo cual se han analizado las propiedades de películas de quitosano en combinación con películas de biopolímeros, polímeros, proteínas, entre otros. Estos estudios han analizado la interacción de los polímeros durante la formación de las películas, así como el efecto de la distribución e interacciones de los compuestos sobre las propiedades físicas, antimicrobianas, químicas, entre otras ^[59-74]. Muchas aplicaciones han sido desarrolladas en campos de la investigación como en el área de electrónica ^[75-85], la inmovilización de enzimas ^[86-89], el desarrollo de nuevos materiales con propiedades ópticas específicas ^[81,90-92], la liberación de compuestos ^[93-95], entre otras.

Algunas investigaciones han evaluado las propiedades de las películas de quitosano en multicapas. Se ha demostrado que la película bicapa de quitosano y gelatina posee mejores propiedades barrera al vapor de agua y mejores propiedades antimicrobianas, y se ha indicado que este fenómeno sucede debido a la interacción entre el quitosano catiónico y compuestos aniónicos de la gelatina ^[56,59,96]. Resultados similares fueron obtenidos por MEDEIROS et al. ^[97] y GALLSTEDT Y HEDENQVIST ^[98], quienes demostraron que el uso de películas de quitosano y pectina, o quitosano y polietileno/nitrocelulosa, respectivamente, pueden mejorar las propiedades de las películas, siendo el pH de la solución un factor que define las interacciones electroestáticas de las moléculas, así como su integración y estabilidad debido a una supresión de la carga de alguno de los poli-electrolitos ^[99]. La investigación realizada por PINHEIRO et al. ^[100], evalúo las características de la película formada de carragenina y concluyó que las interacciones electrostáticas, los puentes de hidrógeno y las uniones dipolo-dipolo entre los dos polisacáridos con cargas opuestas, produjeron películas con buenas propiedades mecánicas y de barrera a gases. Por otra parte, se estableció que las películas de quitosano y ácido hialurónico son más rugosas, rígidas y resistentes a la degradación enzimática que las películas de sus polímeros nativos, así como que sus propiedades de superficie promueven la adhesión y crecimiento celular ^[101].

Las películas de almidón de yuca y quitosano poseen una excelente interacción entre los componentes poliméricos, mejores propiedades superficiales y mecánicas, así como mayor capacidad para ser barrera al vapor de agua y un menor porcentaje de capacidad de retención de agua, comparado con las películas de almidón sin recubrir ^[102]. Adicionalmente, las películas de nitrocelulosa y polietileno con quitosano, presentan baja permeabilidad al oxígeno y excelentes propiedades de adhesión ^[98] y las películas compuestas por quitosano, monómero de silano y policaprolactato presentaron mayor resistencia a la tensión, menor permeabilidad al vapor de agua y una estructura más homogénea, densa y ordenada, debido principalmente a la presencia de silano en la matriz polimérica ^[103].

3.2. MODIFICACIONES ENZIMÁTICAS

La inmovilización de enzimas tiene como objetivo proveer una mayor estabilidad y capacidad de acción a la enzima. La inmovilización puede efectuarse por fenómenos de adsorción física, enlace iónico, enlace covalente, entrecruzamiento, microencapsulación, entre otros (104, 105, 106). En ocasiones, se emplea una fuerza mecánica de homogenización y agentes ligantes como el glutaraldehido para optimizar el proceso. Según LIAN et al. (2012), se determinó el método de inmovilización por enlace covalente fue más eficiente que el método de adsorción física y la condición óptima consistió en utilizar 2 mg/ml de la solución de lisozima, 5% (v/v) de glutaraldehido, durante un tiempo de ligación de 5 horas y un tiempo de inmovilización de 4 horas.

La inclusión de enzimas como lisozima y amilosa en la matriz polimérica, mejora las propiedades antimicrobianas de las películas de quitosano para S. faecalis, S. aureus y E. coli, ya que se presenta una actividad lítica de la pared celular de las bacterias y esta capacidad se conserva aún después de ocho días de almacenamiento ^[104,105]. Este comportamiento puede atribuirse al rompimiento de la cadena del polímero y la consecuente exposición de los grupos amino, los cuales pueden interactuar más fácilmente con los microorganismos y mejorar las propiedades antimicrobianas de las películas ^[106].

El efecto antimicrobiano de las enzimas puede ser potencializado cuando se adiciona más de una enzima en la matriz polimérica y este es tan efectivo como el uso de conservantes artificiales como el EDTA. Este fenómeno se presenta debido al efecto sinérgico de compuestos como la lisozima y la lactoferrina ^[107].

A pesar que las enzimas se distribuyen homogéneamente en la matriz y que las propiedades de permeabilidad al vapor de agua no se alteran significativamente, sí se observa un incremento en la solubilidad en agua y en la pérdida de masa, así como una disminución de su resistencia y elongación de las películas de quitosano. Estos fenómenos se potencializan cuando la concentración del agente ligante, el tiempo y la temperatura de almacenamiento aumentan debido a que la acción de enzima para hidrolizar las moléculas de quitosano, se potencializa ^{[104,108,109]}.

Por otra parte, las enzimas pueden ser utilizadas como agentes ligantes en películas compuestas por dos o más polímeros ^[110]. En películas de quitosano y proteína de suero, la adición de trasglutaminasa mejora las propiedades mecánicas, de permeabilidad al vapor de agua, al oxígeno y al dióxido de carbono y disminuye las interacciones con el agua al disminuir la solubilidad en agua y la capacidad de hinchamiento ^[111]. Adicionalmente, en películas de gelatina y quitosano, la inclusión de trasglutaminasa y 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida retardan la degradación de las películas por la acción de la enzima pepsina y en menor medida para la tripsina, sin embargo no posee un efecto considerable para retardar la degradación por acción de la proteinasa N ^[112].

4. CONCLUSIONES

Existen diferentes tratamientos físicos y enzimáticos que se han aplicado en la obtención de películas de quitosano, los cuales modifican las propiedades físicas, químicas y antimicrobianas de las películas obtenidas. Estos avances han contribuido a aumentar los desarrollos en el campo de los materiales ya brindar nuevas soluciones para las aplicaciones que actualmente demandan las industrias.

Las principales modificaciones físicas llevadas a cabo en películas de quitosano han sido la aplicación de radiaciones, pulsos eléctricos, plasma, tratamientos térmicos, uso de fluidos supercríticos, así como la conformación de películas en multicapas y entre las modificaciones enzimáticas más relevantes se puede nombrar la inclusión de enzimas y coagentes enzimáticos en matrices poliméricas de quitosano.

La importancia del estudio es identificar los tipos y condiciones de los tratamientos que determinan las características específicas de las películas para aumentar la oferta de soluciones frente a los retos que afronta las aplicaciones en el campo de los materiales durante los últimos años.

5. AGRADECIMIENTOS

Al Programa de Jóvenes Investigadores del Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación - Colciencias y a la Dirección de Investigación de la Universidad Nacional de Colombia de la Sede Bogotá - DIB.

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Fechas de Publicación

• Publicación en esta colección
  Jul-Sep 2014

Histórico

• Recibido
  27 Jun 2014
• Acepto
  03 Set 2014