“La humanidad como principio, la ciencia como instrumento”

Jul - Dic 2010 Año 2, No. 4
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Jul - Dic 2010 Año 2, No. 4
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PERSPECTIVAS BIOTECNOLÓGICAS DE HEMICELULOSAS VEGETALES

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1Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, Av. Treze de Maio, 2081 – Benfica, CEP: 60040-531 Fortaleza, Ceará, Brasil.
2Departamento de Investigación en Alimentos, Universidad Autónoma de Coahuila, Universidad Autónoma de Coahuila, Blvd. Venustiano Carranza S/N Col. República Oriente, 25280, Saltillo, Coahuila, México.
3Curso de Farmácia, Centro de Ciências da Saúde, Universidade de Fortaleza, Av. Washington Soares 1321, Bairro Edson Queiroz, CEP 60811-341, Fortaleza, Ceará, Brasil. *Correo electrónico: rmoreira@unifor.br

RESUMEN
En los últimos años ha crecido el interés por la aplicación de diversos polisacáridos con fines biotecnológicos como aditivos alimentarios o en la formulación de fármacos, así como también en la elaboración de plásticos parcialmente biodegradables con diversas aplicaciones. Entre los polisacáridos estudiados para dichos fines se encuentran dos tipos de hemicelulosas,  xiloglucanos y  galactomananos, los cuales representan una atractiva alternativa para ser usados en distintos procesos biotecnológicos, ya que son polímeros de origen natural y de fácil obtención. En el presente documento se muestran algunas de las aplicaciones que se han dado a dichos compuestos dando un enfoque general de sus propiedades para el uso en diferentes áreas industriales.

INTRODUCCIÓN
Los polisacáridos son polímeros naturales, los cuales pueden estar formados por un único tipo o diferentes tipos de monosacáridos y son conocidos como homopolisacáridos y heteropolisacáridos, respectivamente. Dependiendo de la fuente vegetal y los métodos de extracción empleados para su recuperación, los polisacáridos también pueden presentar distintos grados de ramificación con otros azúcares, lo cual afecta las propiedades fisicoquímicas de dichos compuestos (Fig. 1).

Tomando en cuenta la gran variedad de polisacáridos existentes, la celulosa es considerada el polisacárido de mayor abundancia en la tierra, ya que ésta conforma la mayor parte de los tejidos de las plantas. Las hemicelulosas son los segundos polisacáridos más abundantes en la pared celular vegetal, ya que comprenden alrededor del 30-35% del peso seco de pared celular de los vegetales. Los xiloglucanos y los galactomananos son algunos tipos de hemicelulosas, los cuales tienen una composición heterogénea de varios monómeros de azúcares (Martínez-Ávila y col. 2011). Las hemicelulosas junto con la celulosa, la pectina y las glicoproteínas se unen para constituir la pared celular de los vegetales. Dichos polisacáridos son llamados así por tener un comportamiento semejante a la celulosa y se encuentran intercaladas entre las microfibrillas de ésta, confiriendo de esta manera elasticidad al tejido formado.

Según Lapasin y Priel (1999), las hemicelulosas poseen grandes aplicaciones en la industria alimentaria. Algunas veces están presentes como auxiliares tecnológicos dentro del proceso de elaboración de los alimentos, ya que son utilizados como estabilizadores de emulsiones o suspensiones; así como para dar resistencia a los materiales utilizados en el empaquetamiento y facilitar la distribución de los mismos, y de esa manera mejorar y estandarizar la calidad de los alimentos procesados.


Figura 1: Ilustración esquemática de homo y heteropolisacáridos ramificados y no ramificados.


Dentro del amplio grupo de heteropolisacáridos existentes en la naturaleza dos de ellos han llamado la atención de los investigadores: los galactomananos y los xiloglucanos, ambos hemicelulosas. La presente revisión tiene como objetivo abordar de manera general la estructura química y las propiedades de tales polímeros y sus perspectivas biotecnológicas en algunas áreas de investigación.

ESTRUCTURA QUÍMICA DE LOS XILOGLUCANOS Y GALACTOMANANOS
Tanto los galactomananos como los xiloglucanos son un grupo de heteropolisacáridos neutros que se encuentran principalmente en las semillas de leguminosas y son extraídos de las paredes celulares del endosperma y de los cotiledones, respectivamente,  donde cumplen diversas funciones. Los galactomananos y xiloglucanos de semillas sirven como polisacáridos de reserva: ambos contribuyen con la regulación hídrica durante el crecimiento de las plantas, además de que proveen de protección mecánica a las semillas (Buckeridge, 2010; Chaires-Martínez y col. 2008).

XILOGLUCANOS
Estos polisacáridos representan las hemicelulosas más abundantes en la pared celular de cotiledones de leguminosas. Tienen en su estructura un esqueleto celulósico de unidades de D-glucosa unidas entre sí por enlaces b 1-4 con ramificaciones a 1-6 de unidades de D-xilosa, las cuales a su vez pueden presentar sustituciones con unidades de b 1-2 de D-galactosa, Figura.2 (Buckeridge, 2010).

Los xiloglucanos confieren propiedades mecánicas a la pared celular vegetal, permitiendo la expansión y previniendo la ruptura de la célula en el caso de que ocurra algún cambio en la presión osmótica, como es el caso de los xiloglucanos de las semillas de árboles como Tamarindus, Impatiens, Annona, Tropaeolum, Hymenaea y Detarium. Las variaciones en los grados de sustitución o ramificación determinan la solubilidad, la funcionalidad y las propiedades fisicoquímicas de dichos compuestos. En las hojas, algunos residuos de fucosa pueden encontrarse ligados a las galactosas y estos polisacáridos, a su vez, desempeñan papel estructural.

GALACTOMANANOS
Los galactomananos son formados por una cadena principal de manosas unidas entre sí por enlaces  a (1-4), la cual se encuentra ramificada por unidades de galactosa unidas al carbono 6 de las manosas por un enlace b (1-6) (Figura 3). El grado de sustitución de estos polímeros varía de acuerdo a la fuente vegetal y método de extracción de los mismos, presentando así distintos grados de ramificación, lo cual influye de forma esencial sobre su solubilidad y  propiedades reológicas entre otras propiedades fisicoquímicas (Mikkonen y col. 2007). Los galactomananos adoptan una conformación helicoidal ligeramente extendida y flexible, dicha conformación deja al carbohidrato en estado sólido. La estabilidad natural de esa estructura está dada por los hidrógenos de las cadenas laterales de galactosas que se ligan a la cadena principal de manosa intermolecularmente.

Entre los galactomananos más conocidos y de mayor disponibilidad comercial para aplicaciones industriales se encuentran: goma guar (GG), goma locust bean (GLB) y goma tara (GT), las cuales difieren principalmente en la relación manosa/galactosa (M/G; Figura: 3). donde la relación de M/G para GG es de 2:1, para GLB es de 3:1 y finalmente para GT es de 4:1 (Parvathya y col. 2005).

APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS DE LOS GALACTOMANANOS Y XILOCLUCANOS
En los últimos años se ha trabajado con los galactomananos y xiloglucanos en algunas líneas de investigación con fines biotecnológicos. Los carbohidratos de plantas nativas y/o cultivadas en el Noreste Brasileño han venido siendo ampliamente estudiados en el Laboratorio de Lectinas y Glicoconjugados (LABLEC) de la Universidade Federal do Ceará y en la Universidade de Fortaleza, donde dichas investigaciones tuvieron inicio con el estudio de los galactomananos de Adenanthera pavonina, la cual presenta una relación M/G de 1.8:1 y su uso como matrices de afinidad para el aislamiento de lectinas galactosa ligantes (Moreira y col. 1998). En la actualidad se llevan a cabo estudios en la extracción y caracterización de xiloglucanos y galactonananos de fuentes alternativas a las comerciales como por ejemplo: Hymenaea courbaril y Caesalpinia pulcherrima. Los cuales tienen posibles usos en la industria alimentaria en la elaboración de embutidos, formulación de recubrimientos comestibles o como estabilizantes de sopas y bebidas lácteas. El Cuadro 1 muestra algunas de las aplicaciones biotecnológicas que se han dado a los xiloglucanos y galactomananos.

Recientemente se han llevado a cabo algunos estudios de mezclas entre polisacáridos en busca de un sinergismo entre ellos con el fin de obtener una mejora en las características fisicoquímicas a las presentadas por los polímeros por separado. Algunos polisacáridos helicoidales tales como xiloglucanos han sido ampliamente utilizados en la industria con el fin de mejorar la retención de humedad y mantener la calidad durante el almacenamiento y distribución de los alimentos, controlando así las propiedades organolépticas de los mismos. Los resultados obtenidos por Pongsawatmanit y col. (2007), sugieren que la interacción del almidón de la tapioca con los xiloglucanos de tamarindo es capaz de aumentar la resistencia del gel formado en presencia de sacarosa

Los xiloglucanos son usados como agentes de protección ultravioleta en combinación con otros compuestos protectores en la industria cosmética, además este tipo de polímeros han sido usados en productos para mejorar la estética del cabello. Estudios realizados por Redeschi (2006) sugieren el uso de éstos polímeros en la industria farmacéutica para el desarrollo de fármacos de liberación prolongada. Finalmente los xiloglucanos y sus compuestos derivados son usados dentro de los productos fitosanitarios y en biofertilizantes (Simi, 2010).


Cuadro 1: Algunas aplicaciones biotecnológicas de los xiloglucanos y galactomananos.

Por otra parte, estudios recientes han demostrado que los galactomananos de Dimorphandra mollis pueden ser usados en el diseño de formulaciones viscoelásticas conocidas como “dispositivos viscoquirúrgicos oftálmicos” (ophthalmic viscosurgical device, OVD). La importancia de los OVD’s en los procesos quirúrgicos radica principalmente en las características reológicas de los mismos, de ahí el interés en el empleo de galactomananos para la formulación de estás soluciones (Pires y col. 2010).

Los galactomananos, al igual que los xiloglucanos han sido empleados por su capacidad de interaccionar con otras moléculas. Se ha descrito su uso como matriz para cromatografía de afinidad para el aislamiento de muestras de lectina, reportándose algunas diferencias entre los porcentajes de lectina retenida en las columnas a base de galactomananos tratados con epiclorhidrina, donde dichas diferencias dependieron del origen de las muestras empleadas y de las ramificaciones de los galactomananos (Moreira y col. 1998, Garros-Rosa y col. 2006). Se ha demostrado que los galactomananos pueden interaccionar con las proteínas de la leche, por lo que este tipo de polisacáridos también han sido empleados para evitar la formación de cristales en los helados y aumentar de esta manera su calidad (Patmore y col. 2003). Además, se han llevado a cabo estudios para la obtención de queso bajo en grasa sustituyendo parcialmente la grasa butírica por los galactomananos (Hernández-Tinoco y col. 2004).

CONCLUSIÓN
Con base en la información anterior, los polisacáridos descritos presentan una amplia gama de aplicaciones en la industria alimentaria o farmacéutica. Estas aplicaciones biotecnológicas son posibles debido al hecho de que éstos son considerados compuestos de toxicidad nula. Por otra parte, diversas interacciones entre ellos fomentan la investigación porque sus propiedades físicas y químicas se ven modificadas cuando son aplicados en las formulaciones de diversos productos o son sometidos a condiciones de los  procesos utilizados en la obtención de los mismos.

REFERENCIAS

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© AQM 2009 Revista de Divulgación Cientifica
Publicación de la Coordinación de Estudios de Postgrado e Investigación y la Facultad de Ciencias Químicas
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