Depósito Legal ppi 201502ZU4668
Vol. 27, No 1, 2
Enero - Junio 2019
An International Refereed Scientic Journal
of the Facultad Experimental de Ciencias
at the Universidad del Zulia
Esta publicación cientíca en
formato digital es continuidad
de la revista impresa
Depósito Legal: pp 199302ZU47
ISSN: 1315-2076
Scientic Journal from the Experimental Faculty of Sciences,
at the Universidad del Zulia Volume 27 Especial N° 1, 2, Enero - Junio 2019
CIENCIA 27 (1,2), 45 - 53, 2019
Maracaibo, Venezuela
Estudio cinético de la N-desacetilación de quitina extraída de
exoesqueletos de crustáceos empleando cromatografía iónica
Reinaldo Atencio,*
1,3
Ana C. Valbuena,
1
Adrián Chavez,
2
Guillermo Valbuena,
2
Joan Vera-Villalobos
3
1
Laboratorio de Materiales para Tecnologías Emergentes (LaMTE). Centro de Investigación y Tecnología
de Materiales (CITeMa/IVIC-Zulia). Instituto Venezolano de Investigaciones Cientícas (IVIC). Maracaibo,
Venezuela
2
Instituto Zuliano de Investigaciones Tecnológicas (INZIT). La Cañada de Urdaneta, Edo. Zulia, Venezuela.
3
Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas. Departamento de Ciencias Química y Ambientales. Escuela
Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil, Ecuador.
Recibido: 06-05-2019 Aceptado: 25-06-2019
Resumen
En este trabajo se determinó la cinética de la N-desacetilación de quitina extraída de exoesqueletos de
crustáceos a través del seguimiento del acetato producto de la reacción como monitor. La concentración del
acetato durante el tiempo de reacción se determinó utilizando cromatografía iónica cada 10 min durante 5
horas a 100 °C en NaOH al 50 % m/v, en relaciones m:v de 5:150, 10:150, 15:150 y 20:150, mostrándose éstas
como reacciones de una sola etapa. Se estudió el grado de desacetilación (GD), contenido de materia insoluble
(%M. Ins.) y contenido de cenizas (%Cen.), en función de la variación de la quitina expuesta a un volumen
denido de álcali. Se observó un aumento del GD a relaciones de m:v más altas, lo mismo para el caso del %M.
Ins. y %Cen. Se determinó que la reacción de desacetilación en una sola etapa, tiene una cinética de pseudo-
primer orden. Se estableció que a partir de 150 min todas las relaciones de quitina:álcali dieron como resultado
quitosano de alto grado de desacetilación. Se realizó un procedimiento de etapas múltiples de reacción, el cual
fue más ecaz para aumentar el grado de desacetilación de la quitina que el procedimiento de una sola etapa,
Palabras clave: Quitina, Quitosano, Cinética, Desacetilación, Cromatografía iónica
Kinetic study of the N-deacetylation of chitin extracted from crustaceans’
exoskeletons employing ion chromatography
Abstract
The chitin N-deacetylation kinetics from crustaceans’ exoskeletons was established in this work, following
the acetate ion concentration as a reaction product. A single-stage deacetylation reactions was conducted at 100
°C in a NaOH at 50% m/v in m:v ratios of 5:10, 10:150, 15:150 and 20:150 mg:mL. The acetate ion concentration
was determined using ionic chromatography each 10 min until 5 hours. Deacetylation degree (DD) inuence,
insoluble matter percentage, and ash content against variation of chitin quantities exposed in an alkali dene
volume was also studied. The increase of deacetylation degree was observed at higher ratios of m:v, in the same
manner as insoluble matter and the ash content. These studies showed that single-stage deacetylation reaction
has pseudo-rst-order kinetics because the reaction rate correlated with the acetate group. Furthermore, it was
established that from apart 150 min that all chitin:alkali ratios showed high deacetylation degrees. Multistep
reactions lead to higher DD than those found for single-stage reactions.
Keywords: Chitin, Chitosan, Kinetic, Deacetylation, Ionic Chromatography
DOI: https://www.doi.org/10.5281/zenodo.5593128
46 Estudio cinético de la N-desacetilación de quitina extraída de exoesqueletos...
Scientic Journal from the Experimental Faculty of Sciences,
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1. Introducción
En Venezuela, especícamente en el Lago de
Maracaibo, se explota de forma artesanal e industrial
la pesca del cangrejo azul (Callinectes sapidus), con
una producción anual estimada de más de 2000
toneladas métricas.
1,2
Durante el proceso de obtención
de la carne de cangrejo se generan aproximadamente
25% en desechos compuestos por vísceras y conchas
(exoesqueletos). Los exoesqueletos de crustáceos
están compuestos por quitina, colorantes y algunos
minerales. La quitina es el segundo polisacárido
más abundante en la naturaleza después de la
celulosa.
3
Es un tipo de recurso natural renovable, el
cual presenta importantes propiedades, tales como
biocompatibilidad, biodegradabilidad y actividad
no tóxica hacia ciertas aplicaciones médicas e
industriales. Uno de los productos derivados de la
quitina es el quitosano, el cual se obtiene a partir
de la hidrólisis básica en fase heterogénea.
4
Este
proceso consiste en la exposición de quitina a una
solución de hidróxido de sodio en concentraciones
mayores al 30% m/v y temperaturas en el rango
90-120 °C.
5
El quitosano es la forma desacetilada
de la quitina, es decir, un heteropolisacárido
compuesto de dos subunidades D-glucosamina y
N-acetil-D-glucosamina, las cuales están conectadas
por la unión (1 4) glicosídica.
5,6
La reacción de
N-desacetilación de quitina se ha estudiado en
innumerables ocasiones, sin embargo, aún sigue
siendo la etapa principal para el aprovechamiento
de la quitina y el quitosano desde un punto de vista
industrial.
3
La producción de quitosano a partir
de la hidrólisis básica de quitina generalmente
presenta ciertos obstáculos que deben ser
superados. Esta hidrólisis de quitina se lleva a cabo
a través de reacciones de múltiples etapas y lavados
sucesivos con agua antes de cada etapa de reacción,
lo cual induce una baja eciencia de la etapa de
desacetilación.
7
En consecuencia, es muy importante
realizar estudios cinéticos que permitan ganar
un mejor entendimiento, desde el punto de vista
sicoquímico, de cómo ocurre la reacción y cómo
mejorar el desempeño de la desacetilación.
3,8–10
Para estudiar la hidrólisis básica de la quitina
se han empleado aproximaciones experimentales,
entre las cuales aquellas que mantienen un enfoque
instrumental han ganado interés debido a la
posibilidad de obtener datos con alta conabilidad.
11
Por mencionar algunas: espectroscopía FTIR,
UV-Vis, espectroscopía de resonancia magnética
nuclear, espectrometría de masas, entre otras,
la mayoría orientadas a determinar el grado de
desacetilación (GD) del quitosano obtenido, puesto
que este inuye directamente en las propiedades
del mismo. Para llevar a cabo estudios cinéticos
de este tipo de reacción generalmente se utilizan
técnicas clásicas como titulación ácido-base.
Mas recientemente, para la transformación de
quitina a quitosano se han implementado otras
aproximaciones instrumentales; la espectroscopía
infrarroja se ha utilizado en el monitoreo de la
señal del grupo acetilo como indicador el progreso
de la reacción,
12
mientras que para el estudio de la
cinética de pirolisis de la quitina y quitosano se ha
empleado una combinación de FTIR con técnicas
termogravimétricas (TGA/DSC).
13
Por su parte, la
cromatografía de líquidos con detección UV-Visible
también se ha implementado en el estudio cinético
de diversos sistemas de desacetilación de la quitina.
14
En este trabajo se evaluó la cinética de
N-desacetilación de la quitina extraída de
exoesqueletos de crustáceos, usando un modo
de reacción en una sola etapa empleando la
concentración del ion acetato generado como
producto de la reacción como indicador de su
progreso en función del tiempo. Para establecer
la concentración del ion acetato se utilizó la
cromatografía iónica con supresión química.
Adicionalmente, se realizó la comparación de los
resultados con aquellos obtenidos empleando
reacciones en múltiples etapas.
2. Parte experimental
2.1. Materiales y equipos
Los desechos de conchas de cangrejo se
obtuvieron de una industria cangrejera ubicada
en el Municipio La Cañada de Urdaneta (estado
Zulia, Venezuela). Para la extracción de la quitina
y la obtención del quitosano se utilizó NaOH, HCl
concentrado, H
3
PO
4,
C
2
H
5
OH (95%), ácido acético
glacial y NH
4
OH (95 %).
Para las medidas espectroscópicas se empleó un
espectrómetro de infrarojo (IR) marca Shimadzu,
modelo FTIR-8400 y un equipo de Fluorescencia
de Rayos X, marca Bruker, mientras que para los
estudios de la cinética de desacetilación se empleó
un Cromatógrafo Iónico THERMO Scientic-
DIONEX con supresión química y detección de
conductividad.
2.2. Metodología
2.2.1. Extracción de quitina a partir de
exoesqueletos de cangrejos
Los desechos post-procesamiento del cangrejo
fueron expuestos a una solución de NaOH al 3% m/v
en proporción 1:1 (m:v) a temperatura ambiente
durante 24 horas, con la nalidad de degradar los
restos de proteínas (desproteinización). Luego de
lavar repetidas veces con abundante agua, se procedió
a la evaluación del proceso de desmineralización el
cual es detallado en la Tabla 1.
47Atencio et. al.,/ Ciencia Vol. 27, Número Especial (2019) 45-53
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2.2.2. Estudio de la cinética de
N-desacetilación de quitina
2.2.2.1. Obtención de quitosano a través
de una única etapa de desacetilación de
quitina:
La desacetilación de la quitina se llevó a cabo
durante 5 horas a 100 °C en NaOH al 50% m/v en
varias relaciones m:v (Tabla 2). La concentración
del ion acetato se determinó cada 10 min durante 5
horas utilizando cromatografía iónica. Se tomaron
alícuotas de 200 μL del seno de la reacción, se
centrifugaron y a partir del sobrenadante obtenido
se prepararon diluciones con un factor de 10X.
Se inyectaron directamente en el cromatógrafo
empleando las condiciones que se muestran en la
Tabla 3. Los resultados se expresaron en función de
la concentración en mg/L de acetato de sodio, las
cuales se estimaron mediante la curva de calibración
mostrada en la Figura 1.
Tabla 1: Evaluación del proceso de desmineralización con HCl.
Ácido [% (v/v)] Relación (m/v) Concha Molida
HCl 10 1:10 1 Kg
HCl 15 1:10 1 Kg
- - - Sin tratamiento
Tabla 2. Condiciones de reacción para la N-desacetilación de quitina en
una sola etapa de reacción.
Muestra [NaOH], % m/v Relación m:v (g:mL) Tiempos de reacción, h N° de etapas
Q0 - - - -
Q1 50 20:150 5 1
Q2 50 15:150 5 1
Q3 50 10:150 5 1
Q4 50 5:150 5 1
Tabla 3. Condiciones cromatográcas para el método de determinación de acetato de sodio en
el euente del proceso de desacetilación de quitina.
Condiciones cromatográcas
Flujo del eluente 1,0 mL/min
Presión de la bomba 1984 psi
Columna supresora Tipo: 4 mm, Corriente: 52 µS
Conductividad del eluente 5,5 µS
Conductividad máxima de la curva 649 µS
Duración del análisis 15 min
0 100 200 300 400 500
0
2
4
6
8
10
Area de pico ( uS.min)
Concentracion de Acetato de sodio (mg/L)
Equation y = a + b*x
Adj. R-Square 0,99246
Value Standard Error
B Intercept 1,00979 0,20493
B Slope 0,01734 6,7534E-4
Figura 1. Curva de calibración del acetato
de sodio por cromatografía iónica.
2.2.2.2. Obtención de quitosano a través
de múltiples etapas de desacetilación de
quitina
La quitina obtenida de la sección anterior fue
lavada con abundante agua para eliminar el ácido en
exceso y sometida a un tratamiento termo-alcalino
con solución de NaOH a una temperatura de 100°C
en varias condiciones de reacción (Ver Tabla 4),
con el n de hidrolizar los grupos acetamido en el
carbono C2 de la quitina. Este paso fue necesario
para obtener quitosano con grados de desacetilación
relativamente altos. Por último, el quitosano se lavó
repetidamente con etanol al 99% hasta decolorarlo.
48 Estudio cinético de la N-desacetilación de quitina extraída de exoesqueletos...
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2.3. Caracterización de la quitina y
quitosano
2.3.1. Determinación de grado de
desacetilación (GD) por FTIR
Para el análisis por FTIR se prepararon pastillas
mezclando 2 mg de quitosano con 148 mg de KBr
seco. Las pastillas fueron medidas con 10 barridos a
una resolución de 4 cm
-1
en un rango 750 cm
-1
a 3750
cm
-1
. El grado de desacetilación (GD
A
) se determinó
utilizando las ecuaciones 1 y 2:
A
1320
/A
1420
= 0.3822 + 0.03133 * GA (1)
GD
A
= 100 - GA (2)
donde A
1320
y A
1420
corresponden a las
absorbancias observadas a 1320 y 1420 cm
-1
,
respectivamente, mientras que GA corresponde al
grado de acetilación.
2.3.2. Determinación de porcentaje de
cenizas
Se tomaron (2 g) de conchas (exoesqueletos)
desmineralizadas y muestras de quitosano obtenidas
de las diferentes reacciones para su posterior
incineración, total carbonización y desaparición de
humos blancos. El material obtenido se incineró en
una mua a 750–800 °C, durante 6 horas, hasta
total desaparición del carbón de la materia orgánica.
Los crisoles se enfriaron en un desecador y se
pesaron, repitiéndose sucesivamente esta operación
hasta peso constante, estos ensayos se realizaron
por triplicado.
2.3.3. Determinación de material insoluble
Se prepararon disoluciones al 1% m/v de
quitosano utilizando ácido acético al 1%. Cada
disolución se ltró a través de papel de ltro. El
papel con el residuo fue secado a 105 °C, hasta peso
constante. Los cálculos se realizaron sobre la base
de tres réplicas.
2.3.4. Determinación de porcentaje de
humedad
El estudio se llevó a cabo por un período de
10 días, colocando las muestras de quitosano por
triplicado. El comportamiento de la absorción de
humedad fue calculado a partir del incremento
del peso promedio de las muestras en el tiempo de
almacenamiento.
3. Resultados y discusión
3.1. Extracción de quitina de
exoesqueletos de cangrejos
En el proceso de aislamiento de quitosano,
aparte de la desproteinización y desacetilación,
la desmineralización es uno de los pasos cruciales
en el cual se extraen los minerales principales
dentro de los caparazones de los crustáceos. El
efecto de la adición de cantidades controladas de
un ácido inorgánico (HCl), hasta la desaparición
de la efervescencia, producto de la descomposición
del carbonato de calcio presente en las conchas de
cangrejos desproteinizadas, da como resultado un
sólido constituido principalmente por quitina. En
la Tabla 5 se muestra una serie de experimentos
realizados para determinar la eciencia del proceso
de desmineralización en función de la cantidad de
calcio y cenizas restantes. Según los resultados, el
HCl a una concentración del 15% en v/v se muestra
como la opción más eciente debido a que se obtuvo
la mayor remoción de calcio presente en las conchas
molidas.
Tabla 4. Diseño experimental de desacetilación de quitina en multi-etapas con diferentes
concentraciones de NaOH.
Muestra [NaOH], % m/v Relación m:v (g:mL) Tiempo de reacción, h N° de etapas
Q0 - - - -
Q5 30 15:150 1 3
Q6 40 15:150 1 3
Q7 50 15:150 1 3
Tabla 5. Porcentaje de cenizas y cantidad de calcio presente en muestras de concha molida
en el proceso de desmineralización con HCl concentrado.
Ácido % (v/v) Relación (m/v) Concha Molida %Ca
a
%Cen
b
HCl 10 1:10 1 Kg 15,85 16,35
HCl 15 1:10 1 Kg 8,89 9,54
- - - Sin tratamiento 40,50 45,02
a
Porcentaje de Ca determinado por FRX y
b
%Cen: Porcentaje de Cenizas.
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3.2. Estudio de la cinética de
N-desacetilación de quitina extraída de
exoesqueletos de cangrejos
3.2.1. Obtención de quitosano a través de
una etapa de desacetilación de quitina.
En general, las reacciones de desacetilación de
quitina en una sola etapa produjeron quitosano
de grados de desacetilación por debajo de 95%.
La explicación para este comportamiento es la
inaccesibilidad de las cadenas de quitina por parte del
NaOH durante tratamiento alcalino, traduciéndose
esto en variaciones del grado de desacetilación
por factores morfológicos.
7,15
Consecuentemente,
se realizó la determinación de la cinética de
desacetilación en función de la aparición del ion
acetato en el seno de la solución, de esta forma se
logró establecer los tiempos de reacción en el cual
el fenómeno de desacetilación deja de ser extensivo.
Se determinó el rol del ion acetato en el proceso
de desacetilación de quitina a 100 °C en NaOH al
50% m/v variando la relación m:v (Figura 2), para
lo cual se midió la producción de acetato durante
la reacción de desacetilación por cromatografía
iónica en intervalos de 10 min durante 5 horas. En
todos los casos se observó un rápido incremento
en la desacetilación o aumento de la concentración
del ion acetato en función del tiempo de reacción,
hasta alcanzar una meseta denotando la aparición
de forma constante de la concentración del ion
acetato. En otras palabras, las mesetas representan
el régimen termodinámico de la rección. La
extensión de las mesetas en cada una de las curvas
depende de las condiciones de reacción. En general,
para cada una de las reacciones (Figura 2) estas
mesetas se inician a partir de 60 min, excepto
para la relación 10g/150ml el cual comienza a
aproximadamente 150 min. Se observa que a partir
de 125 min aproximadamente todas las relaciones
de quitina:hidróxido de sodio conducen a quitosano
de altos grados de desacetilación.
0 50 100 150 200 250 300 350
20000
40000
60000
80000
5000
10000
15000
20000
0
5000
10000
15000
80
100
120
140
0 50 100 150 200 250 300 350
ppm (mg/L)
Tiempo (minutos)
20g/150mL
ppm (mg/L)
15g/150mL
ppm (mg/L)
10g/150mL
ppm (mg/L)
5g/150mL
Figura 2. Cinética de reacción de
desacetilación para distintas relación de m:v
en NaOH 50% a una temperatura de 100 °C.
Si se observa el Esquema 1, correspondiente a
la reacción de N-desacetilación de quitina se puede
expresar la ecuación cinética como se muestra en la
Ecuación (1).
Esquema 1. Desacetilación de las unidades
GlcNAc con NaOH en solución acuosa; n ≥0
donde [GlcNAc] se asocia a la concentración de
ion acetato residual del polímero durante el proceso
de la reacción de desacetilación. Considerando que
se tiene una alta concentración de NaOH, entonces
k
1
>> k
-1
≈ 0. Luego, la velocidad de reacción de
desacetilación es directamente proporcional al
ion acetato, lo cual sugiere que podría asumirse
una cinética de reacción de pseudo-primer
orden. Experimentalmente esto indica que la
representación del ln[GlcNAc] versus el tiempo de
reacción, conduce a una línea recta con pendiente
positiva tal como se muestra en la Figura 3.
10
50 Estudio cinético de la N-desacetilación de quitina extraída de exoesqueletos...
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40 60 80 100 120 140 160
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Ln[GlcNAc]
t (min)
Muestras
5g/150mL 10g/150mL 15g/150mL 20g/150mL
Intercepto
4,50176 ± 0,0249 6,57044 ± 0,47133 9,39465 ± 0,02905 10,54633 ± 0,02441
Pendiente
0,00276 ± 2,02292E-4 0,01845 ± 0,00408 0,00255 ± 3,56987E-4 0,0031 ± 3,20976E-4
R-Square (COD)
0,98935 0,91097 0,9446 0,95878
20g/150mL
15g/150mL
10g/150mL
5g/150mL
Figura 3. Gráca del logaritmo natural
(ln) de la concentración del ión acetato
(asociado a GlcNAC) versus el tiempo de
reacción.
En función de esto la ecuación de velocidad puede
expresarse como se muestra en la Ecuación (2).
Por su parte, los espectros vibracionales
de quitosano (etiquetados como Q1-Q4, Tabla
2) se muestran en la Figura 4. Estos muestran
características espectrales de quitosano altamente
desacetilados cuyos valores correspondientes al GD
se compilan en la Tabla 6. Se distinguen las señales
de estiramiento OH alrededor de 3450 cm
-1
, la señal
a 1420 cm
-1
correspondiente a la exión del grupo
CH
2
, el estiramiento C–O a 1030 cm
-1
, el estiramiento
C–O a 1070 cm
-1
, la señal del estiramiento del
enlace glucósido C–O a 897 cm
-1
y el estiramiento
C–O asimétrico (puente C–O–C) a 1160 cm
-1
.
16
Los
grados de desacetilación obtenidos evidencian que
a mayor cantidad de quitina expuesta frente a altas
concentraciones de álcali se genera quitosano de alto
grado de desacetilación (ver Tabla 7). Así mismo,
se determinó el contenido de humedad, materia
insoluble y cenizas (%Hum, %M. Ins. y %Cen,
respectivamente) para quitosano obtenido a partir
de quitina expuesta a distintos volúmenes de álcali
(Tabla 8). Los resultados muestran una disminución
de la magnitud de esos parámetros en función de la
disminución de la cantidad de quitina desacetilada,
sugiriendo una disminución del tamaño molecular
a medida que disminuye la cantidad de quitina
expuesta.
Este fenómeno podría atribuirse al aumento de
accesibilidad desde el punto de vista morfológico
a las cadenas de quitina por parte del NaOH
del tratamiento alcalino, generando posibles
degradaciones de quitosano obtenido y por tanto
disminución en el tamaño molecular.
17
Si bien es
cierto que durante este proceso de N-desacetilación
de quitina en una sola etapa se obtuvo quitosano
de alto grado de desacetilación, su baja solubilidad
en soluciones débilmente ácidas, muestran a
este método de reacción como poco eciente. Sin
embargo, con este estudio se pudo determinar el
punto de saturación del ion acetato en el seno de la
reacción.
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
20
40
60
80
100
Q3 Q2 Q1
cm
-1
%T
500
1000
1500
0
20
40
60
80
100
Q3 Q2 Q1
cm
-1
%T
Figura 4. Espectros de FTIR de quitosano
obtenido por medio de N-desacetilación de
quitina en una sola etapa de reacción.
Tabla 6. Grados de desacetilación a partir de
los espectros FTIR para quitosano obtenido
por reacción de desacetilación en una sola
etapa.
Muestras Áreas A
1320
/A
1420
GA
a
GD
Q0
4,861
11,232
2,311 61,361 38,639
Q1
3,935
9,085
0,433 1,434 98,567
Q2
5,837
11,211
0,521 4,227 95,773
Q3
9,402
17,656
0,533 4,606 95,395
Q4
0,251
0,442
0,569 5,755 94,245
a
GD
A
= Grado de desacetilación obtenido por
espectroscopia de FTIR a través de la ecuación (1) y (2).
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Tabla 7. Porcentajes de humedad, cenizas
y material insoluble para muestras de
quitosano obtenido por reacciones de una
sola etapa.
Muestras
Hum.
(%)
Cen.
(%)
M. Ins.
(%)
Q0
8,02 ±
0,03
9,54 ±
0,07
N/A
Q1
14,51 ±
0,05
6,71 ±
0,04
12,51 ±
0,20
Q2
14,12 ±
0,11
4,86 ±
0,05
11,75 ±
0,34
Q3
12,88 ±
0,01
4,62 ±
0,03
9,76 ±
0,39
Q4
12,34 ±
0,01
3,85 ±
0,02
8,50 ±
0,23
Hum (%)= Contenido de Humedad; Cen (%)= Contenido
de Cenizas; M. In. (%)= Contenido de material insoluble;
N/A= no aplica el ensayo por naturaleza de la muestra
3.2.2. Obtención de quitosano a través de
múltiples etapas de desacetilación de quitina.
El tratamiento alcalino en múltiples etapas para
la desacetilacion de quitina permitió la remoción de
iones acetatos ocluidos entre las cadenas menos de
quitina sólida. La oclusión evita la accesibilidad del
NaOH hacia dichas cadenas y por tanto evitan las
desacetilacion efectiva de la quitina. Por esta razón,
durante el proceso de desacetilacion en múltiples
etapas es necesario realizar lavados con abundante
agua, una vez nalizada cada etapa, permitiendo
así mayor exposición de las cadenas de la quitina al
NaOH. Una vez obtenido el quitosano desacetilado
en una sola etapa se escogió el quitosano con menor
cantidad de materia insoluble y mayor grado de
desacetilación deniéndose estos como parámetros
de eciencia de la reacción. El quitosano que
mantuvo estas características fue el obtenido bajo
las condiciones 15g:150 mL. Por lo tanto, se jaron
esas condiciones y se evaluó la reacción variando la
concentración de NaOH 30, 40 y 50% m/v a partir
de reacciones de 1 hora por 3 etapas. Este tiempo
de reacción se seleccionó debido a que a partir de 1
hora, en las reacciones de 1 sola etapa, la remoción
del ion acetato en el biopolímero comienza a hacerse
constante. En la Figura 5 se presentan los espectros de
FTIR de las muestras etiquetadas como Q5–Q7. Las
variaciones espectrales se atribuyen a los diferentes
grados de desacetilación, los cuales se registran en
la Tabla 9. A 1590 cm
−1
, región asignada a los grupos
aminos del quitosano, se puede observar un pico
el cual aumenta a medida que la desacetilación se
extiende. Otros cambios se maniestan en la banda
1665 cm
−1
, la cual se atribuyen a los grupos acetamidos.
A medida que va aumentando la desacetilación, hay
un aumento en el pico 1590 cm
-1
y al mismo tiempo
hay una pequeña disminución del pico a 1665 cm
-
1
. A grados de desacetilación mayores a 90% este
pico puede verse disminuido completamente, este
resultado se observó en el espectro de la muestra Q7,
el cual representa quitosano obtenido en múltiples
etapas de reacción con NaOH al 50%. El pico a 1665
cm
-1
estuvo altamente disminuido para la muestra Q5
(quitosano obtenido con NaOH al 30%). Se puede
observar en estos espectros que con el aumento de
la extensión de desacetilación, las variaciones de las
bandas 1665 cm
−1
y 1590 cm
−1
son más signicativas
en las muestras correspondientes al mayor grado de
desacetilación para la reacción en múltiples etapas.
Este fenómeno es especialmente interesante e implica
que un proceso de múltiples etapas debe permitir,
necesariamente, la superación de la ineciencia de la
desacetilación en la meseta.
Por su parte, se determinó el contenido de
humedad, materia insoluble y cenizas para el
quitosano obtenido a parir de quitina expuesta
a distintos volúmenes de álcali (Tabla 8). Estos
resultados indican una disminución de la magnitud
de esos parámetros en función de la disminución de
la cantidad de quitina desacetilada, sugiriendo una
disminución del tamaño molecular a medida que
disminuye la cantidad de quitina expuesta. Como se
mencionó anteriormente, este fenómeno se atribuye
al aumento de accesibilidad de las cadenas de
quitina por parte del NaOH del tratamiento alcalino,
generando degradaciones y por tanto disminución en
el tamaño molecular.
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
20
40
60
80
100
Q5 Q7Q6
cm
-1
%T
10001500
0
20
40
60
80
100
Q5 Q7Q6
cm
-1
%T
Figura 5. Espectros de FTIR y expansión
de quitosanos obtenidos por medio de
N-desacetilacion de quitina en múltiples
etapas de reacción.
52 Estudio cinético de la N-desacetilación de quitina extraída de exoesqueletos...
Scientic Journal from the Experimental Faculty of Sciences,
at the Universidad del Zulia Volume 27 Especial N° 1, 2, Enero - Junio 2019
Tabla 8. Grados de desacetilación obtenidos
por FTIR para b
Muestras Áreas A
1320
/A
1420
GA
Aa
GD
Ab
Q0
11,232
4,861
2,31065624 61,360876 38,63912405
Q5
1,565
2,631
0,59483086 6,59466527 93,40533473
Q6
3,338
7,145
0,46717985 2,5202632 97,4797368
Q7
10,444
24,527
0,42581645 1,20001427 98,79998573
a
Grado de acetilación.
b
GD
A
= Grado de desacetilación
obtenido por espectroscopia de FTIR a través de la
Ecuación (1) y (2).
Tabla 9. Porcentajes de humedad,
cenizas y material insoluble para muestras
de quitosano obtenidas por reacciones de
múltiples etapas.
Muestras
Hum.
(%)
Cen. (%)
M. Ins.
(%)
Q0
8,02 ±
0,03
9,54 ±
0,07
N/A
Q5
15,19 ±
0,06
5,87 ±
0,08
15,87 ± 0,09
Q6
15,02 ±
0,08
3,87 ±
0,07
2,96 ± 0,54
Q7
15,83 ±
0,05
2,88 ±
0,04
2,53 ± 0,11
Hum (%)= Porcentaje de Humedad; Cen (%)= Porcentaje
de Cenizas; M. In. (%)= Porcentaje de material insoluble.
N/A= No aplica el ensayo por naturaleza de la muestra.
4. Conclusiones
Se realizó el estudio de la cinética de
desacetilación de la quitina extraída de conchas
de cangrejos provenientes del Lago de Maracaibo
empleando cromatografía iónica para medir la
concentración del ion acetato como producto directo
de la reacción. La cromatografía iónica se presenta
como una herramienta instrumental versátil para
la determinación de las velocidades aparentes de
reacción en este tipo de reacciones heterogéneas.
El estudio indicó que la desacetilación de quitina a
quitosano presenta una cinética de pseudo-primer
orden ya que la tasa de esta reacción es directamente
proporcional a la concentración del ion acetato.
Se estableció que a mayor cantidad de quitina
expuesta frente a altas concentraciones de álcali
genera quitosano de alto tamaño molecular esto se
pudo constatar con los altos porcentajes de material
insoluble. Así mismo, para las mismas condiciones
se obtuvo altos grados de desacetilación y aumento
en el porcentaje de cenizas. En comparación con el
procedimiento de una sola etapa, el procedimiento
de etapas múltiples de reacción es más ecaz para
aumentar el grado de desacetilación de la quitina.
Esta investigación representa un aporte importante
para la ingeniería del proceso de obtención de
quitosano a partir de quitina mostrando que la
reacción de N-deacetilación tiende a entrar en un
régimen termodinámico a los 60 min de reacción.
Esto indica que más allá de este tiempo la reacción
se hace cinéticamente ineciente.
5. Agradecimientos
Este proyecto fue nanciado en parte por
FONACIT-MCT (Proyecto: 201100258).
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Esta revista fue editada en formato digital y publicada
en junio de 2019, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Vol.27 Nº1, 2
