Preparation of water-soluble chitosan via polyphenol conjugation and carboxymethylation: Characterization, antioxidant, and antibacterial properties

El deterioro de los alimentos es una batalla constante entre el deseo de la naturaleza de descomponerse y nuestro deseo de preservar. Dos fuerzas primarias impulsan este deterioro: el crecimiento de bacterias nocivas y la lenta oxidación que vuelve rancia la grasa y apaga los colores. Durante décadas, los científicos han visto al quitosano, un material natural derivado de los caparazones de los crustáceos, como un potencial escudo contra estas fuerzas. El quitosano es biodegradable y posee propiedades inherentes que pueden inhibir el crecimiento microbiano y ralentizar la oxidación. Sin embargo, en su estado natural, este material tiene una limitación significativa: no se disuelve bien en agua, especialmente cuando el entorno es neutro, lo que restringe su uso en muchas aplicaciones alimentarias basadas en líquidos o recubrimientos. Para hacer que este prometedor material sea verdaderamente útil, los investigadores necesitaban encontrar una manera de hacerlo soluble y, simultáneamente, potenciar su capacidad para combatir el deterioro.

Un equipo de científicos de la Universidad de Songkla en Tailandia se propuso resolver este problema transformando el quitosano derivado de una fuente diferente: las plumas de calamar. A diferencia de los caparazones duros y ricos en minerales de los cangrejos y camarones, las plumas de calamar son un subproducto blando y flexible de la industria de los mariscos que a menudo se desecha. Los investigadores primero convirtieron estas plumas en quitosano puro y luego aplicaron dos estrategias químicas distintas para mejorar el material. El primer enfoque consistió en unir moléculas de epigalocatequina galato, un potente antioxidante que se encuentra en el té verde, directamente a las cadenas de quitosano. El segundo enfoque consistió en añadir grupos carboximetilo, que son pequeñas unidades químicas que actúan como diminutas asas para ayudar al material a interactuar con el agua. El objetivo era ver qué método, o si una combinación de ambos, podría crear un material soluble en agua que fuera también un combatiente superior contra las bacterias y la oxidación.

Los resultados mostraron que ambos métodos transformaron con éxito el material, pero lo lograron a través de diferentes mecanismos. Cuando los investigadores unieron las moléculas de té verde al quitosano, el material resultante se volvió altamente soluble en agua, siendo la versión con la mayor cantidad de moléculas de té verde la que se disolvió casi por completo. Más importante aún, esta modificación aumentó drásticamente la capacidad del material para neutralizar radicales libres dañinos y quelar iones metálicos que pueden desencadenar el deterioro. El material con más uniones de té verde también se convirtió en un agente antibacteriano significativamente más fuerte, particularmente contra un peligroso patógeno transmitido por los alimentos conocido como Listeria monocytogenes, reduciendo la cantidad de material necesaria para detener el crecimiento bacteriano por un margen considerable. Los investigadores descubrieron que las moléculas de té verde no solo se asentaban en la superficie, sino que se convertían en parte de la estructura, proporcionando sitios químicos adicionales que podían donar electrones y átomos de hidrógeno para detener la oxidación en su camino.

La segunda estrategia, la adición de los grupos carboximetilo, también mejoró el material, aunque con un enfoque diferente. A medida que los investigadores aumentaban la cantidad de estos grupos unidos al quitosano, la capacidad del material para disolverse en agua aumentaba de forma constante, alcanzando casi un noventa y ocho por ciento de solubilidad en la versión más modificada. Esta modificación también mejoró la capacidad del material para combatir la oxidación, pero solo de ciertas maneras. Se volvió mejor en la neutralización de ciertos tipos de radicales y en la unión de iones metálicos, pero no mejoró la capacidad del material para reducir iones de hierro, un tipo específico de actividad antioxidante en la que la versión de té verde sobresalía. Además, aunque el material carboximetilo era más soluble, su capacidad para matar bacterias fue en realidad más débil que la del quitosano original sin modificar. Esto sugiere que, si bien añadir estos grupos ayuda al material a mezclarse con el agua, puede interferir ligeramente con la carga eléctrica natural que ayuda al quitosano a atacar las paredes celulares bacterianas.

Al comparar ambos enfoques, el estudio destaca que no existe una única modificación "mejor"; más bien, la elección ideal depende de la necesidad específica. La versión modificada con moléculas de té verde surgió como el material bioactivo más potente en general, ofreciendo la mayor protección tanto contra la oxidación como contra el crecimiento bacteriano. La versión de carboximetilo, aunque menos potente en la eliminación de bacterias, demostró ser una excelente forma de hacer que el material se disolviera fácilmente en agua, lo cual es un requisito crítico para muchas aplicaciones industriales. Los investigadores confirmaron estos cambios estructurales utilizando técnicas de imagen avanzadas que permitieron ver los nuevos enlaces químicos y la presencia de las moléculas de té verde dentro del material. En última instancia, este trabajo demuestra que un producto de desecho de la industria del calamar puede convertirse en una herramienta versátil y soluble en agua, ofreciendo un camino sostenible para reducir el desperdicio de alimentos y mejorar la seguridad alimentaria sin depender de productos químicos sintéticos.