El quitosano (CS) es un biopolímero con una amplia gama de aplicaciones en diversas áreas, como la medicina, la agricultura, la industria y la ingeniería de procesos. Este compuesto puede obtenerse directamente de diferentes hongos o producirse mediante la extracción de quitina, seguida de un proceso de desacetilación. En el reino de los hongos, la quitina es generada con mayor frecuencia que el quitosano, siendo producida por diversas clasificaciones fúngicas, como los zigomicetos, ascomicetos, basidiomicetos, deuteromicetos y ficomicetos. Sin embargo, el quitosano solo se encuentra en las paredes celulares de ciertos tipos de hongos, principalmente dentro de los zigomicetos.

La recuperación de quitosano de biomasa fúngica ofrece grandes beneficios, ya que permite una disponibilidad continua y una respuesta a las variaciones estacionales. La técnica de extracción es similar a la utilizada para los crustáceos, ya que las paredes celulares de los hongos son la fuente principal de quitina. Este método es económico, ya que se aprovechan los hongos que generan naturalmente el material necesario. Además de los hongos, la quitina también abunda en las estructuras de los crustáceos, principalmente proveniente de organismos acuáticos como los cangrejos, langostas y camarones. Actualmente, la principal fuente de quitina proviene de los productos residuales del sector de la fabricación de camarones, en los cuales los exoesqueletos se procesan para extraer calcio y quitina.

El quitosano se genera a través de un mecanismo químico denominado N-desacetilación, que otorga al compuesto propiedades catiónicas al añadir grupos amino libres y eliminar parcialmente los grupos acetilo de la quitina. La quitina se procesa utilizando soluciones alcalinas concentradas a alta temperatura, seguido de un enjuague exhaustivo con agua destilada hasta alcanzar un pH neutro estable. Este proceso interactúa fuertemente con los enlaces glucosídicos. Existen dos enfoques para procesar la quitina: el heterogéneo y el homogéneo. En el proceso homogéneo, la quitina se calienta a 25 °C en una solución alcalina concentrada durante tres horas, para luego enfriarla en un baño a cero grados Celsius. Para lograr una desacetilación eficiente y producir un quitosano efectivo, se puede emplear un catalizador como el tiofenol, que mejora la eficiencia de la desacetilación. Sin embargo, la desacetilación química puede requerir una gran cantidad de energía y plantea preocupaciones ambientales. Una alternativa es utilizar una enzima proveniente de hongos, que facilita la hidrólisis de los enlaces N-acetamida. Esta enzima tiene una alta capacidad para unirse a los polímeros β-(1,4)-N-acetil-d-glucosamina y mantiene su estabilidad estructural incluso en condiciones de temperatura elevada.

El quitosano es especialmente conocido por sus propiedades únicas, como su biocompatibilidad, biodegradabilidad y su capacidad para formar nanocompuestos de biopolímeros. Se ha demostrado que el quitosano es un excelente adhesivo para membranas mucosas, lo que lo convierte en un material ideal para aplicaciones médicas y farmacéuticas. Además, posee propiedades antiinflamatorias, antioxidantes, antimicrobianas, antifúngicas, y cicatrizantes. También se ha demostrado que tiene propiedades antitumorales y antihiperglucémicas, lo que amplía aún más su potencial en medicina.

El peso molecular (MW) del quitosano se ve afectado por su origen y las condiciones del proceso de desacetilación, tales como las condiciones térmicas, la duración y la concentración de la sustancia alcalina utilizada. El grado de desacetilación (DA) se refiere a la proporción de unidades de N-acetilglucosamina en la estructura polimérica, y puede variar dependiendo de las condiciones de desacetilación aplicadas. La desacetilación completa de la quitina puede ser difícil de lograr y, por lo general, requiere métodos especializados. El quitosano típicamente tiene un DA entre el 13 y el 40%. El peso molecular del quitosano puede fluctuar considerablemente, generalmente oscilando entre 2×10^5 y 1×10^6 Da. La introducción de oxígeno en la solución puede causar la degradación del quitosano, lo que resulta en una disminución de su peso molecular. Además, temperaturas superiores a los 280 °C pueden ocasionar la degradación de las cadenas poliméricas del quitosano, lo que reduce su MW.

El quitosano es especialmente apreciado por su biocompatibilidad y su capacidad de biodegradación. En condiciones fisiológicas estándar, el quitosano es susceptible a la degradación enzimática, facilitada por la lisozima y la quitinasa. Este proceso de descomposición hace que el quitosano sea ideal para su uso en una variedad de aplicaciones, incluyendo la entrega de medicamentos, la ingeniería de tejidos, los insecticidas y otras aplicaciones médicas y agrícolas. El proceso de degradación muestra un pico exotérmico que ocurre entre los 279,45 y los 281,89 °C, con estudios que sugieren que la degradación comienza aproximadamente a los 250 °C. La capacidad de degradación enzimática por lisozima y quitinasa aumenta aún más las propiedades ecológicas y biocompatibles del quitosano, lo que amplía su potencial de uso en áreas diversas.

El quitosano tiene la capacidad de disolverse fácilmente en soluciones ácidas débiles cuando el pH es inferior a 6.0. Esto se debe a que el quitosano actúa como una base fuerte, debido a la presencia de grupos amino primarios con un valor de pKa de 6.3. Por lo tanto, el pH influye significativamente en el estado cargado y las características del quitosano. A pH bajos, el quitosano se protona, adquiriendo una carga positiva y convirtiéndose en un polielectrolito catiónico soluble en agua. Por encima de pH 6, la desprotonación de los grupos amino provoca que el quitosano pierda su carga y se vuelva insoluble. Este cambio ocurre alrededor de su valor de pKa de 6–6.5.

En cuanto a su viscosidad, se ha observado que aumenta con concentraciones más altas de quitosano, y que el comportamiento de adelgazamiento por cizalladura se presenta en concentraciones superiores a 0,50 g/dl. La viscosidad a cizalladura cero no depende de la fuerza iónica del medio, pero aumenta con niveles de pH más altos, lo que se ha asociado con la influencia de la densidad de carga superficial sobre la columna vertebral del quitosano, afectando el enredo intermolecular que gobierna el comportamiento reológico de las soluciones concentradas de quitosano.

El grado de desacetilación es un factor importante para clasificar el biopolímero como quitina o quitosano, dependiendo de la proporción de glucosamina a N-acetilglucosamina. El quitosano se denomina así cuando la quitina ha sido desacetilada en un 50% o más, lo que resulta en un copolímero lineal compuesto de glucosamina. Las propiedades catiónicas del quitosano se deben a los grupos amino que se encuentran en la estructura de la columna vertebral del polímero.

¿Cómo se valoriza y aplica la biomasa residual para la síntesis de biopolímeros y nanopartículas en tecnologías sostenibles?

El uso de residuos agrícolas y forestales para la producción de biopolímeros y nanomateriales representa una tendencia creciente en la búsqueda de alternativas sostenibles para múltiples industrias. La valorización de estos desechos no solo reduce el impacto ambiental asociado a la acumulación de residuos, sino que también ofrece materias primas renovables para la obtención de materiales con propiedades funcionales avanzadas.

Los biopolímeros derivados de fuentes lignocelulósicas, como el bagazo de caña de azúcar, las cáscaras de frutas o los residuos de madera, son componentes clave para el desarrollo de películas comestibles, recubrimientos biodegradables y biocompuestos. Estas matrices poliméricas no solo presentan biodegradabilidad y compatibilidad ambiental, sino que pueden ser funcionalizadas con extractos naturales ricos en compuestos bioactivos, como los polifenoles del té, para mejorar sus propiedades antioxidantes y antimicrobianas. La integración de nanomateriales, como nanopartículas metálicas sintetizadas mediante métodos verdes, permite ampliar las aplicaciones hacia sectores como el embalaje alimentario, la remediación ambiental o la producción de dispositivos electrónicos.

La síntesis verde de nanopartículas, empleando extractos de cáscaras de frutas cítricas o residuos de piña, es especialmente relevante por su bajo costo, ausencia de agentes tóxicos y eficiencia energética. Este proceso biomimético genera partículas con tamaños controlados y funcionalidades específicas, adecuadas para aplicaciones catalíticas, fotocatalíticas o antimicrobianas. Por ejemplo, las nanopartículas de óxido de zinc obtenidas a partir de extractos vegetales presentan una notable actividad antibacterial cuando se incorporan en películas de almidón, ampliando el espectro de utilidad de estos materiales en la conservación de alimentos.

Además, la obtención de quitosano a partir de exoesqueletos de crustáceos y su modificación mediante nanopartículas mejora su capacidad de adsorción para la eliminación de contaminantes en aguas residuales, consolidándose como un recurso valioso en tecnologías limpias. La transformación de residuos lignocelulósicos en nanocelulosa, polihidroxialcanoatos y otros biopolímeros funcionales, asimismo, abre nuevas posibilidades para la fabricación de materiales compuestos con propiedades mecánicas mejoradas y barreras eficientes frente a gases y humedad.

Los avances en la caracterización y optimización de estos sistemas basados en biomasa residual son fundamentales para garantizar la reproducibilidad, la escalabilidad y la eficacia de los materiales obtenidos. En este sentido, la comprensión profunda de la química de lignina, hemicelulosa y celulosa, así como la interacción entre los componentes bioactivos y los polímeros, permite diseñar procesos que maximicen la funcionalidad sin comprometer la sostenibilidad.

El potencial de estos materiales va más allá del campo agrícola y alimentario, extendiéndose a la fabricación de electrodos para baterías, sensores ambientales y catalizadores heterogéneos, evidenciando una versatilidad notable. La integración de residuos agroindustriales en cadenas productivas circulares contribuye a la economía verde y a la mitigación del cambio climático mediante la reducción de emisiones y la sustitución de productos petroquímicos.

Es esencial que el lector comprenda que el éxito de estas tecnologías radica en el equilibrio entre eficiencia, costo y respeto por el medio ambiente. La caracterización detallada de las propiedades físicas, químicas y biológicas de los materiales es un paso crucial para su implementación práctica. Además, la heterogeneidad intrínseca de los residuos puede representar un desafío para la estandarización, por lo que se deben desarrollar protocolos flexibles y adaptativos.

La evolución futura dependerá de la sinergia entre la investigación interdisciplinaria, la innovación en métodos de síntesis y la incorporación de principios de economía circular. La valorización de biomasa residual no es solo una estrategia para obtener nuevos materiales, sino una apuesta por un desarrollo industrial que privilegie la sostenibilidad, la salud humana y la preservación ambiental.

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