Abstract
Background: The marine biorefinery
is an emerging concept in the industry that seeks to maximize the use of
natural resources through sustainable and efficient processes. This focuses on
the use of marine resources in response to the need to find alternatives to
traditional industrial processes that usually generate large amounts of waste
and consume resources in a non-renewable way. Aim. Conduct a review of the
scientific literature on the importance of products derived from waste from the
aquaculture industry, with a biorefinery approach in the context of the Cuban reality.
Development: A search for
information was carried out in the specialized scientific literature;
Synthesizing the most important thing, it was possible to define the concept of
biorefinery, based on the use of waste from the aquaculture industry, the
products obtained from it, as well as its main characteristics and applications
and the importance and advantages of applying this were raised. concept to the
Cuban reality. Conclusions: The
biorefinery using waste from the fishing industry is an innovative approach
that seeks to make the most of all its components, including the by-products
and waste generated. This strategy is closely related to the principles of
circular economy and promotes the sustainability of the industry.
Keywords: marine biorefinery;
sustainable; aquaculture; waste; circular economy (Source: MESH)
INTRODUCCIÓN
El
creciente aumento de la población mundial ha conllevado a un incremento
sostenido de la demanda de alimentos. Estadísticas recientes indican que
alrededor de un tercio del alimento producido para el consumo humano es
desperdiciado a nivel mundial lo que representa más de 1,3 billones de
toneladas de desechos por año.
La acuicultura es una de las actividades
económicas de mayor crecimiento, que aporta cerca del 50 % de la oferta mundial
de pescado, sin embargo, el procesamiento de las producciones pesqueras tales
como peces, crustáceos y camarones genera enormes cantidades de residuos
sólidos no comestibles como cabezas, colas y caparazones. Se estima que cada
año se producen entre 6 y 8 toneladas de desecho de cáscaras de langosta,
camarón y cangrejo de forma global, cifra que alcanzó en el 2022 los 122,6
millones de toneladas, representando un valor total de 281 500 millones de
dólares (Cheng et al.,
2023).
De este valor los moluscos representaron el 13 %, mientras que los crustáceos
representaron el 9 % (Kiehbadroudinezhad
et al., 2023) lo
que constituye un serio problema
medioambiental.
El
aprovechamiento sostenible de estos residuos constituye una alternativa
promisoria para impulsar el rendimiento económico de las industrias pesqueras
convencionales y reducir su impacto ambiental. En los últimos años han surgido
diversas propuestas sostenibles de gestión y valorización de esta biomasa
marina, siendo la biorrefinería una de las más prometedoras.
La
biorrefinería como modelo productivo y de negocio no es un concepto nuevo, este
hace parte de la literatura científica desde 2001 y se han brindado distintas
definiciones del término ampliando su panorama y alcance. Sin embargo no es
hasta 2017 que surge el término de biorrefinería marina (Vicente et al.,
2022)
con grandes expectativas para obtener productos de alto valor agregado a partir
del empleo de desechos de la industria acuícola.
Los
residuos biológicos de pescado contienen varias moléculas potencialmente
valiosas, como aceites, mezclas de aminoácidos y péptidos bioactivos, colágeno,
quitina, gelatina, aceites y pigmentos. En consecuencia, en los
últimos años se han reportado numerosos estudios y tecnologías para la
obtención de numerosos productos de alto valor agregado como biocombustibles a
partir del aceite de pescado (García-Moreno
et al., 2014),
omega 3 y ácido hialurónico (García‐Santiago et al., 2021).
En el
estudio realizado por Antelo et al.
(2015),
desarrollaron un modelo matemático para la optimización de redes de
procesamiento de biomasa a partir de peces de descarte, en base a objetivos
ambientales y económicos. La biomasa se dividió y analizó en tres grupos:
peces, crustáceos y especies cartilaginosas. Los principales resultados mostraron
que las rutas de procesado más óptimas corresponden a la obtención de productos
de alto valor añadido (biopéptidos, enzimas, y
sulfato de condroitina), no solo por sus altos precios de venta, sino también
por el menor impacto ambiental asociado a sus procesos productivos en
comparación con el resto de productos que se pueden obtener en la red de
valorización (Antelo et al.,
2015).
Existen
varias tecnologías de producción de biogás en plantas piloto en el mundo a
partir de desechos de pescado. Kratky y Zamazal (2020) realizan una propuesta
de diagrama de flujo del proceso de producción de biogás a partir de la
fermentación anaerobia de desechos de pescado. Este es utilizado para la
producción de energía térmica o eléctrica mediante su uso en calderas o motores
de cogeneración, y el residuo restante es utilizado normalmente como enmienda
orgánica en aplicaciones agronómicas, pudiendo ser espesado y compostado
posteriormente para su uso como abono sólido.
Las
conchas de los crustáceos están compuestas principalmente por un 20-30 % de
proteínas,30-40 % de carbonato de calcio (CaCO3), 20-30 % de quitina
y una cantidad mínima de astaxantina. La quitina es un polisacárido marino
presente en paredes celulares, exoesqueleto de insectos y conchas de
crustáceos, que presenta aplicaciones en medicina, farmacia, alimentación y
biotecnología. Varios autores proponen la recuperación de estos compuestos a
partir de biorrefinerías (Antelo et al.,
2015; Kiehbadroudinezhad et al.,
2023; Kumari et al., 2023; Routray et al., 2019; Ruangwicha et al., 2024).
Zuorro
et al.
(2021) estiman en su trabajo qué tan rentable es desarrollar una biorrefinería
de camarón a escala piloto en Colombia, siguiendo las oportunidades de negocio
previstas derivadas de los crecimientos del mercado. La biorrefinería recupera
componentes valiosos derivados de las cáscaras de los camarones, como la
quitina, el quitosano y la astaxantina, al tiempo que produce carne como parte
del procesamiento convencional (Zuorro et al.,
2021).De
igual forma Vicente et al. (2022) reportan una propuesta de biorrefinería
sostenible para la recuperación de quitina, proteínas, carbonato de calcio y
astaxantina a partir de desechos de camarón. Mientras que Mohammadali et al.
(2023) y Muñoz et al. (2023) realizan
una propuesta de biorrefinería a partir de caparazones de langosta para la
obtención de quitosano.
En el
contexto cubano al aprovechar los residuos de la industria pesquera como
ingredientes para otros productos, se conservan recursos naturales y se reduce
la cantidad de desechos generados, promoviendo la sostenibilidad ambiental y la
economía circular. Además, esto permite generar oportunidades económicas y
emprender el desarrollo de la industria pesquera y alimentaria en el país,
contribuyendo a la diversificación económica y a la reducción de la dependencia
de las importaciones. No obstante, el desarrollo de una tecnología eficiente y
escalable que permita el recobrado de cada uno de los componentes presentes en
estos residuos es aún un reto.
El
objetivo de este trabajo es realizar una revisión bibliográfica de los
productos derivados que pueden ser obtenidos de los desperdicios de la
industria pesquera, con un enfoque de biorrefinería.
DESARROLLO
La generación incontrolada de
residuos se está convirtiendo en un importante problema medioambiental, lo que
implica la necesidad de crear nuevos sistemas de producción que aprovechen
estos desechos como componentes esenciales para la creación de otros productos.
Desde el punto de vista multicriterio podrían estar basados en la protección
del medio ambiente, la rentabilidad económica y la aceptación social (Arias et al., 2023). En este sentido se contempla el papel de los sistemas de
biorrefinerías como actor clave en el desarrollo sostenible, ya que se
considera la tecnología más eficiente que puede usarse para crear oportunidades
económicas y contribuir al avance de una bioeconomía, sintetizando diversos
productos industrialmente competitivos (Sekoai et al., 2023).
El concepto biorrefinería no es
reciente; con frecuencia, y en diversos ámbitos, como la agricultura, la
industria alimenticia y la obtención de las materias primas, muchos artículos son
convertidos en una variada serie de productos, cada uno con una aplicación
final diferente. Este es análogo al concepto convencional de la refinería de
petróleo, es decir, una instalación donde, mediante diversos procesos de
transformación de la materia prima (biomasa), se genera bioenergía (calor,
electricidad, biocombustibles) y un amplio espectro de bioproductos
(materiales, productos químicos, alimentos y piensos). Pero para conseguir esta
extensa gama de productos se requiere la integración de diferentes procesos y
tecnologías en una misma instalación.
La biorrefinación se define como
aplicaciones continuas de una estrategia ambiental preventiva integrada y
aplicada a productos, procesos y servicios para reducir los riesgos para los
seres humanos y el medio ambiente (V.
Venugopal, 2022). En la actualidad existe una
demanda por desarrollar biorrefinerías sostenibles que permitan la generación
de una amplia gama de productos, reduciendo al mismo tiempo el consumo de
recursos no renovables.
Tomando en cuenta el tipo
de biomasa como materia prima y el producto final deseado, las
biorrefinerías utilizan diferentes procesos y tecnologías para transformar la
biomasa en fuentes energéticas comerciales; procesos que incluyen:
fermentación, gasificación y transesterificación; en tal sentido, métodos
nuevos y más eficientes son constantemente investigados y desarrollados (Gómez
Millán, 2015). Las biorrefinerías
sincronizan una variedad de procesos de conversión y diferentes instalaciones,
de acuerdo con el rango de procesos biológicos, químicos y termoquímicos que se
utilizan. La optimización y alta eficiencia de los procesos son la clave para
que el sistema sea económicamente viable y sustentable. Se estima que la
adopción significativa de procesos productivos circulares a nivel global
generaría un ahorro significativo de materiales. Además, la transición hacia
modelos circulares prevendría la generación de millones de toneladas métricas
de desechos sólidos al año.
Existen un elevado número de opciones
de biorrefinación para los subproductos de la acuicultura para la obtención de
productos de alto valor agregado. La primera opción es siempre la prevención
para minimizar la generación de subproductos. La segunda opción es mantener el
subproducto en la cadena alimentaria mediante la comercialización de las
fracciones de bajo valor, la producción de ingredientes alimentarios o la
obtención de biomoléculas de alto valor que pueden ser de uso en la industria
nutraceútica, cosmética o farmacéutica, y la tercera, es la alimentación
animal. En algunos casos, otras soluciones de menor valor como la producción de
energía, el compostaje o la incineración pueden ser tenidos en cuenta como
opciones de valorización. Por último, se encuentra el envío de los subproductos
a vertedero, solución que no puede considerarse como valorización.
Especialmente en el ámbito de la
acuicultura del camarón se ha evidenciado que existen subproductos que pueden
ser aprovechados para obtener derivados de alto valor comercial. (Moreno-Sader et al., 2021).
En función de la demanda del consumo,
las industrias de cultivo y procesamiento de camarón generan grandes cantidades
de desechos de marisco, que deben valorizarse para dar valor agregado a los
productos para prevenir la contaminación ambiental (Mathew et al., 2020). El camarón tiene una baja gravedad específica de la carne y
la cáscara, y la cabeza, el caparazón y la cola representan alrededor del 50 %
de su masa total. Estos desechos contienen aproximadamente un 40 % en peso de
biopolímeros, concretamente quitina y proteínas, cubiertos por carbonato de calcio/magnesio
y astaxantina, además de residuos de carne y lípidos (Rahman
& Maniruzzaman, 2023). Estudios sugieren que el
peso seco del camarón comprende 18 % de quitina, 43 % de proteína, 29 % de
ceniza y 10 % de grasa (Mao et al., 2017).
Todos estos componentes de los
desechos de camarón han sido ampliamente estudiados, en especial la quitina, el
quitosano y la astaxantina (Cabanillas-Bojórquez et al., 2020); en este contexto
proponen un sistema de biorrefinería (Tabla 1) basado en cuatro
secciones: (1) procesamiento de camarones, (2) recuperación de quitina, (3)
producción de quitosano y (4) recuperación de astaxantina.
Tabla1. Propuestas de biorrefinerías para el
aprovechamiento de residuos de la acuicultura.
|
Referencia
|
Revista
|
Propuesta de biorrefinería
|
|
Fiori et al. 2017
|
Waste Biomass Valor
|
Aceite de pescado y
Omega 3
|
|
Routray et al. 2019
|
Critical Reviews in Biotechnology
|
Quitina, quitosano y astaxantina
|
|
Kratky y Zamazal, 2020
|
Journal of Cleaner Production
|
Biodiesel y biogás
|
|
García-Santiago et al., 2020
|
Journal of industrial ecology
|
Colágeno, gelatina, hidrolizado de proteínas y sulfato de condroitina
|
|
Zuorro et al. 2021
|
Journal of Cleaner Production
|
Quitina, quitosano y astaxantina
|
|
González-Delgado et al. 2022
|
|
Quitina, quitosano y astaxantina
|
|
Vicente et al.2022
|
Chemical Engineering Journal
|
Quitina, astaxantina y CaCO3
|
|
Zhang et al.2022
|
Journal of Cleaner Production
|
Quitina, aceite, proteínas y sales minerales
|
|
Andreola et al.2023
|
Waste Management
|
Hidrolizado de proteína, biocarbón compostado, y CaCO3
|
|
Kiehbadroudinezhad et al.2023
|
Renewable Energy
|
Quitina y Quitosano
|
|
Kumari et al.2023
|
Renewable and Sustainable Energy Reviews
|
Quitina
|
|
Muñoz et al.2023
|
Chemical Engineering Research and Design
|
Quitosano
|
|
Wani et al.2023
|
Environmental Science and Pollution Research
|
Quitina,Quitosano,astaxantina e hidrolizado de proteína
|
|
Ruangwicha et al.2023
|
Bioresource Technology
|
Quitina
|
Productos derivados
El pescado
y sus partes tienen una amplia gama de aplicaciones, siendo la lista de
posibles productos (aceite, péptidos bioactivos, el colágeno, sulfato de
condroitina, enzimas, gelatina, los ácidos grasos omega-3 y el ácido
hialurónico) tan diversa como los sectores industriales que se beneficiarían de
las alternativas de valorización.
En los
últimos años se han dirigido importantes esfuerzos a investigar e implementar
tecnologías para mejorar la producción de los llamados hidrolizados de
proteínas de pescado mediante la conversión de desechos de pescado en péptidos
que contienen entre 2 y 20 aminoácidos. Este tema ha sido examinado en
diferentes artículos de revisión destacando la relevancia de estos en la
química de los alimentos, particularmente como ingredientes funcionales de
suplementos dietéticos, debido a sus potentes actividades biológicas como
antihipertensivo, antioxidante, antimicrobiano, inmunomodulador y
anticancerígeno (Maschmeyer et
al., 2020).
En la
literatura se reportan diversos estudios acerca de la producción de
biocombustibles a partir de aceite de pescado (García-Moreno
et al., 2014). Este
aceite consiste en una mezcla de lípidos que contienen diferentes ácidos
grasos, entre ellos dos importantes ácidos grasos poliinsaturados, como el
eicosapentaenoico y el docosahexaenoico (DHA), y se puede extraer de la muestra
entera o del hígado. Las recientes mejoras en los procesos de desodorización y
estabilización han extendido la incorporación de aceite de pescado en productos
alimenticios y bebidas para el consumo humano (García‐Santiago et al., 2021).
Los
descartes y vísceras son buenas fuentes de harina de pescado, este es un polvo
rico en proteínas y en ácidos grasos poliinsaturados. Es de color marrón, pero
puede variar en función de las especies de peces, el tamaño de las partículas,
el contenido en grasa y la humedad. Se utiliza principalmente en la
alimentación animal, especialmente en la acuicultura con más del 60 % del
consumo, el sector porcino el 25 % y las aves de corral el 8 %. Tanto
la harina como el aceite de pescado se pueden obtener de cualquier tipo de
desecho o subproducto de pescado, incluyendo el marisco. La composición y
calidad de los productos depende de la especie y el grado de frescura de la
materia prima, por lo que, si se produce un deterioro del pescado crudo, se
obtiene una calidad y precio de venta del producto final inferiores (Kiehbadroudinezhad
et al., 2023).
Los
péptidos, aparte de su propio valor nutricional, pueden presentar diferentes
actividades biológicas, y tienen usos potenciales en el desarrollo de nuevos
productos tanto en la industria alimentaria como en la industria farmacéutica,
cosmética y nutraceútica.
En el campo de la alimentación, los péptidos bioactivos con propiedades
inmunoestimulantes, antioxidantes y antimicrobianas pueden tener interés en la
prevención de enfermedades gastrointestinales.
La
piel o el cartílago de pescado de algunas especies podrían ser excelentes
materias primas para productos como gelatina o sulfato de condroitina con
aplicaciones en los sectores alimentario, cosmético y farmacéutico (Maschmeyer et
al., 2020). Las gelatinas: derivadas de
la hidrólisis parcial del colágeno que produce péptidos de pequeño tamaño con
un amplio rango de pesos moleculares, y se utilizan comúnmente como agente
gelificante en alimentos, fármacos, fotografía o cosméticos. Así mismo, se
encuentra en productos como gominolas, en postres, helados, salsas y yogures (García‐Santiago et al., 2021).
Además,
los órganos internos de los peces son una rica fuente de enzimas, por ejemplo,
pepsina, tripsina, quimotripsina, elastasa o colagenasa. En general, estas
enzimas presentan alta actividad a baja concentración y baja temperatura Se han
utilizado en biotecnología, aplicaciones clínicas y en procesos de diagnóstico (Vazhiyil Venugopal, 2021).
En la búsqueda de productos
renovables que satisfagan las nuevas demandas de diversos mercados y que sea al
mismo tiempo sostenible desde el punto de vista económico y ambiental, la
obtención de quitina, quitosano y astaxantina se destacan como una alternativa
prometedora, al ser compuestos valiosos de alto valor agregado.
Cada
año se pierde una cantidad significativa de materia orgánica proveniente de los
desechos de camarón, alrededor de 5,57 millones de toneladas (Su et al.,
2023);
estos son reconocidos como una fuente de compuestos biológicos empleados para
diversas aplicaciones (Meramo-Hurtado
et al., 2020). De
manera general, los desechos se componen principalmente de 20 a 30 % de quitina,
30 a 40 % de carbonato de calcio (con un precio de mercado de entre 60 y 66
dólares o 14 000 dólares por tonelada vendida como partículas gruesas o
ultrafinas, respectivamente), 20 a 30 % de proteínas (aminoácidos esenciales
como valina, isoleucina, treonina, serina, tirosina, histidina y triptófano,
alcanzando un valor de mercado de hasta 100 millones de dólares) y una pequeña
cantidad de astaxantina (pigmento de tipo carotenoide con un valor de mercado
de hasta un billón de dólares) por tanto, existe un alto valor comercial para
estos compuestos naturales (Kiehbadroudinezhad
et al., 2023; Vicente et al.,
2024).
A continuación, se abordan las principales características y propiedades de
estos compuestos, así como algunas de sus aplicaciones.
Quitina
La
quitina (C8H13O5) es el segundo biopolímero más abundante en la Tierra, después
de la celulosa (Yihun,
2022).
Fue aislada por primera vez de hongos en 1811 por Braconnot, quien descubrió un
polisacárido que contenía un porcentaje sustancial de nitrógeno (Muzzarelli et
al., 2012). Es
una molécula de color blanco, duro, no elástico y nitrogenado (Al-Rooqi et al.,
2022),
que debido a su alto grado de acetilación es hidrófoba y, por lo tanto,
insoluble en agua y en la mayoría de los disolventes orgánicos (Sieber et al.,
2018).
Se encuentra principalmente en caparazones de crustáceos, insectos, especies de
hongos, moluscos, escamas de peces, algas coralinas, polizoos, esponjas de agua
dulce y coral negro (Mohan et al.,
2021).
La
quitina con un valor de mercado de 42 290 millones de dólares en 2020, que se
prevé alcance los 69 300 millones de dólares en 2028, mientras crece a una tasa
compuesta anual del 5,07 % de 2021 a 2028. Este biopolímero tiene aplicaciones
potenciales en medicina, alimentos y bebidas, cosmética, agricultura y atención
sanitaria, debido a su baja toxicidad, alta biocompatibilidad,
biodegradabilidad, bioactividad, propiedades antibacterianas y cicatrizantes.
Es el componente estructural fundamental de los caparazones de los crustáceos,
con propiedades biológicas como biodegradabilidad, baja inmunogenicidad, no
toxicidad y acción antimicrobiana (Ngasotter et
al., 2023). La
quitina es además el precursor del quitosano mediante desacetilación.
Al ser
el uno de los polímeros naturales con mayor contenido de nitrógeno y provenir
de fuentes renovables de biomasa, la quitina, ha despertado un gran interés
como una fuente natural prometedora para la producción de materiales
funcionales. Esto se debe a sus propiedades únicas como no toxicidad,
características biomédicas como biodegradabilidad, biocompatibilidad,
bioactividad y renovabilidad, además de propiedades antifúngicas, antivirales y
antimicrobianas (!!! INVALID CITATION !!! (Al Shaqsi, Al Hoqani,
Hossain Al Sibani, 2020; De SouzaGiudici, 2021; Ngasotter et al., 2023)); su
amplia disponibilidad y su atractivo desde el punto de vista ambiental atraen
un gran interés para una amplia gama de aplicaciones, tales como:
Aplicación
como material de embalaje biológico
La
quitina, por sus prometedores compuestos bioactivos y propiedades funcionales
es uno de los compuestos que desempeña un papel importante en las aplicaciones
de envasado de alimentos (Bose et al.,
2021),
los recubrimientos a base de quitina ayudan a preservar el color, disminuir la
pérdida de peso, mejorar la actividad antimicrobiana y prolongar la vida útil
de las frutas y alimentos en general (X. Sun et al.,
2021).
Aplicaciones
biomédicas
Se ha
estudiado una actividad biomédica notable, como la mejora del sistema
inmunológico, la actividad antimicrobiana, hipolipidémica, hemostática y
cicatrizante (Oyekunle & Omoleye, 2019),
también es un material muy atractivo para el tratamiento de heridas y
quemaduras (Sieber et al.,
2018).
Aplicaciones
agrícolas
La
mejora del suelo con quitina, alivia los síntomas de las enfermedades por
nemátodos al producir amoníaco, fomentar el crecimiento de bacterias
antagonistas y mejorar la tolerancia de los cultivos durante la remediación del
suelo (!!! INVALID CITATION !!! (Fan, Wang, Qin Li, 2023;
Giraldo, Garrido-Miranda Schoebitz, 2023)).
Favorece el crecimiento de plantas (Sieber et al.,
2018),
por ejemplo algunos análisis indicaron que el tratamiento con quitina podría
inducir eficazmente una fuerte resistencia contra el moho gris causada por B.
cinerea en el fruto del tomate (C. Sun et al.,
2018).
La
obtención de quitina se puede realizar mediante métodos químicos, biológicos y
enzimáticos. Sin importar el tipo de método elegido, los procesos a realizar
consisten en extraer los componentes presentes en la materia que no sean
quitina, como son la desmineralización y la desproteinización, seguida en
ocasiones de decoloración, cuyo orden dependerá del origen de la materia prima,
o de la intención de recuperación de subproductos. Por otra parte, los métodos
químicos son altamente contaminantes, los métodos biológicos mantienen
estrictos controles en variables de proceso, en tanto que los métodos
enzimáticos no tienen o son mínimos estos problemas permitiendo así aprovechar
estos subproductos, aunque en principio pueden ser más costosos por el alto
valor de las enzimas en el mercado (Concepción, 2019).
Según Chakravarty, (2022) los métodos convencionales
de extracción de quitina son procesos químicos y biológicos, estos implican un
proceso de dos pasos básicos: (1) la proteína se elimina mediante
desproteinización y (2) los minerales se eliminan mediante desmineralización,
aunque un paso más nuevo agregado en la industria es la decoloración de la
quitina para eliminar los pigmentos(Al Shaqsi et
al., 2020). En
este sentido, el método químico es el método más apropiado utilizado
comercialmente debido a su pureza, rendimiento y rentabilidad.
Para Sieber et al., 2018 la desproteinización se
realiza mediante tratamientos alcalinos utilizando altas cantidades de NaOH y
temperaturas elevadas, mientras que la desmineralización se realiza mediante
tratamientos ácido utilizando HCl, HNO3, H2SO4,
CH3COOH y HCOOH, siendo HCl el agente preferido; a su vez considera
que la ruta de extracción química con enfoques biológicos, al utilizar enzimas
y microorganismos en lugar de productos químicos agresivos, tiene la ventaja de
ser más ecológico, seguro, tecnológicamente flexible y económicamente viable.
Por
otra parte, Giraldo et al., (2023) también
plantean que la quitina se puede extraer de los desechos del caparazón de estos
crustáceos mediante un método de extracción química que utiliza un tratamiento
ácido para disolver el CaCO3 (desmineralización) seguido de una
solución alcalina para disolver las proteínas (desproteinización) o un método
de extracción biológica que utiliza enzimas proteolíticas para descomponer las
proteínas o un proceso de fermentación microbiana.
Ojeda-Benavides, (2023) proponen que antes
de poder acondicionar los desechos recolectados, se deben lavar con agua para
eliminar el exceso de masa, luego deben secarse y congelarse para mantener una
composición química y contenido de humedad constante, posteriormente se
continua con la molienda y escurrido, eliminación de proteínas,
desmineralización y decoloración.
En la
actualidad varios países de la región de Latinoamérica, poseen empresas
productoras de quitina, así como también producen derivados de este material,
por lo que tendría la capacidad de generar hasta un 12 % del material quitinoso
que se produce a nivel mundial con alrededor de unas 170 000 toneladas/año de
desechos sólidos, lo que serviría para producir alrededor de unas 25 000
toneladas/año de quitina (Quiroz et al.,
2021).
Cuba,
a pesar de ser reconocida por la Sociedad Iberoamericana de Quitina como
pionero en el estudio de estos valiosos polisacáridos, no cuenta con una planta
de obtención de estos biopolímeros, solo con estudios, experimentos aislados y
trabajos de laboratorios para la obtención de quitina y quitosano a partir de
la langosta común. Desde finales de la década de los años 90 del pasado siglo y
hasta el 2003 un laboratorio farmacéutico cubano llamado Mario Muñoz procesó
residuos de langosta para la obtención de quitina con un rendimiento de 16%,
pero desde esa fecha no existen en el país evidencias de producción de quitina (Concepción, 2019).
Quitosano
El
quitosano es un aminopolisacárido natural derivado de la quitina. Este lo
producen naturalmente algunos hongos Mucoraceae, aunque se prepara
comercialmente mediante la quitina des-N-acetilada del polisacárido natural (Ta et al.,
2021).
Presenta propiedades como una excelente biodegradabilidad, biocompatibilidad y
bioactividad (Rodrigues-De Souza & Giudici, 2021),
además de no ser tóxico tiene buenas propiedades quelantes, y de adsorción en
comparación con diferentes materiales plásticos sintéticos (Gómez-Ríos et
al., 2017).
Además es un biomaterial intrigante con actividad antibacteriana y baja
inmunogenicidad, así como higroscopicidad y propiedades humectantes (Wang & Zhuang, 2022).
Estudios
recientes prevén que el mercado mundial
de quitosano alcance los 2893 millones de dólares estadounidenses para 2027 (Bose et al.,
2021).El
mercado actual del quitosano está dominado por la industria farmacéutica, que
representa el 23 % de su uso, seguida de cerca por la industria alimentaria con
un 22 %, la industria cosmética con un 18 % y la de tratamiento de agua con un
17 % (Muñoz et al.,
2023).
Algunas de las principales aplicaciones son:
Actividad
antimicrobiana
El
quitosano y sus derivados presentan actividad antimicrobiana contra bacterias y
hongos. Existen diferentes hipótesis, las cuales están relacionadas con su
naturaleza catiónica, lo que le permite reaccionar con moléculas y superficies
cargadas negativamente como las paredes microbianas. También actúa como agente
quelante soluble y se comporta como un activador de los mecanismos de defensa
de varias plantas (Bauer et al.,
2022).
Aplicaciones
agrícolas
Debido
a sus propiedades bactericida, fungicida, bacteriostáticas, e inhibición
enzimática el quitosano se está utilizando en el campo agrícola. Se emplea en
la fabricación de películas y recubrimientos alimentarios para prolongar la
vida útil pos cosecha y lograr así incrementar el tiempo de almacenamiento. en
áreas requeridas como la eliminación, la entrega controlada y la detección de
pesticidas (Kandasamy et
al., 2023). Esto
costituye una alternativa más sostenible y menos dañina para el medio ambiente
y también induce una respuesta inmune en las plantas y ayuda a controlar el
estrés biótico y abiótico (Ingle et al.,
2022).
Este compuesto además aumenta la
resistencia de los cultivos a los nemátodos (Fan et al.,
2023),
como por ejemplo aumenta la tolerancia del Pinus Pinaster al nemátodo de la
madera del pino (Bursaphelenchus xylophilus) (Nunes Da Silva
et al., 2021).
Aplicaciones
médicas
En el
área biomédica tiene interesantes usos como por ejemplo en tratamiento de
quemaduras, como cubierta de fármacos para su liberación controlada (Yang et al.,
2023)
y en el secuestramiento de grasas para el control de la obesidad. También es un
potenciador del aparato inmunológico (Bauer et al.,
2022).
Por su naturaleza bioabsorbible, policatiónica y su gran potencial en la
regeneración de tejidos se aplica ampliamente en los campos farmacéuticos,
incluyendo sistemas de administración de medicamentos, bioimagen, implantes y
lentes de contactos (Kedir et al.,
2022; Spriano et al., 2023). Se
ha demostrado que promueve tanto la diferenciación de células madre en
osteoblastos formadores de huesos como el crecimiento de colonias óseas en
estudios in vitro, por sus propiedades osteogénicas (Örlygsson et
al., 2022).
Aplicaciones
industriales
En el
área industrial tiene importantes aplicaciones como por ejemplo su uso como
clarificante de vinos, efluentes contaminados por la actividad minera, y
también para fijar colorantes en la industria textil (Bauer et al.,
2022).
Purificación
de agua
El
quitosano en el tratamiento de las aguas es muy amplio ya que elimina
materiales contaminantes como colorantes, metales pesados y compuestos
orgánicos, se usa como adsorbente, coagulante-floculante y bactericida (Burillo-Montufar
et al., 2019; Thakur & Voicu, 2016). Otra
ventaja viene dada por la hidrofilia del quitosano, que aseguran mayores flujos
de agua con la mejor eficiencia para el proceso de separación (Thakur & Voicu, 2016);
además los hidrogeles de quitosano han ganado especial atención en este campo
debido a sus excelentes propiedades como alta capacidad de adsorción, rápida
cinética y reutilización (Mohammadzadeh Pakdel & Peighambardoust, 2018).
Aplicaciones
en el sector alimentario
En el
sector alimentario, este biopolímero es uno de los más adecuados, tanto en su
forma nativa como químicamente modificada, ofrece una aplicación distintiva que
incluye, clarificación y desacidificación de jugos, preservación del deterioro
microbiano, mejora de la calidad de los alimentos y aditivos alimentarios (Cheba,
2020).
La
obtención del quitosano a partir de fuentes biológicas como los desechos de
cáscaras de camarón debe explorarse considerando criterios de sostenibilidad.
Meramo-Hurtado et al., (2020) propone como vía las siguientes etapas de
procesamiento: desproteinización, desmineralización, despigmentación y
desacetilación alcalina.
Otra
ruta efectiva para la obtención de quitosano es la propuesta por Devendrapandi
et al., (2023), donde somete los desechos de cáscara de camarón a una serie de
procesos estándar de desmineralización, desproteinización y desacetilación;
mientras que González-Delgado et al., (2022) propone un proceso más detallado
donde la quitina se transforma en quitosano por la eliminación de los grupos
acetilo en un proceso de desacetilación a altas temperaturas y gran
concentración de hidróxido de sodio, seguido de una etapa de neutralización con
HCl, lavado para ajustar su pH y secado.
Actualmente,
el mercado global del quitosano es dominado por Japón, quien representó un 37 %
del mercado internacional del quitosano en 2018, pero dado el crecimiento del
mercado países como China, India y Estados Unidos se han visto fuertemente
atraídos por esta industria (A. D. González-Delgado et al., 2022), ya
que tiene un tamaño de mercado prometedor. Se espera que entre 2021 y 2026
crezca de 6 a 12,41 billones de dólares, con una tasa de crecimiento anual
compuesta del 19,2% (Muñoz et al.,
2023).
Astaxantina
La
astaxantina, de masa molar de 596,84 g/mol, consta en su estructura
molecular de dos anillos terminales
unidos por una cadena de polieno y contiene dos centros asimétricos ubicados en
las posiciones 3 y 3' del anillo de β-ionona con un grupo hidroxilo (-OH)
en cada extremo de la molécula (Jafari et al.,
2021).
Es un
cetocarotenoide colorido y soluble en lípidos que se encuentra en numerosos
microorganismos, y animales (Haque et al.,
2023).
Se produce naturalmente en microalgas como Haematococcus pluvialis y Chlorella
zofingiensis, ciertas levaduras como Xanthophyllomyces dendrorhous y
la flor de la planta Adonis aestivalis (Cheong et al.,
2020).
Se encuentra ampliamente distribuido en animales acuáticos como camarones,
salmón, trucha y langosta (Da Silva et al.,
2018).
En el camarón, es el principal pigmento y representa entre el 65 % y el 98 %
del total de carotenoides (Gao et al.,
2020),
se obtiene a través de su dieta o por oxidación celular de betacaroteno y se
deposita en las cáscaras, músculos, órganos y huevos donde aparece más
comúnmente como complejos de carotenoproteína, carotenolipoproteínas y
quitinocarotenoides (Cheong et al.,
2020).
Debido
a la presencia de grupos funcionales hidroxilo (-OH) y cetona, que se
encuentran en cada una de las dos estructuras de anillo, la astaxantina tiene
una alta capacidad de unirse a los radicales libres y, por tanto, tiene una
fuerte actividad antioxidante (!!! INVALID CITATION !!! (Abdel-Hameed, Sestric, Hardy, Levin
Sorensen, 2023; Rammuni, Ariyadasa, Nimarshana Attalage, 2018)). Posee numerosas actividades
biológicas beneficiosas incluyendo efectos anticancerígenos y
antienvejecimiento, además de prevenir enfermedades relacionadas con la edad y
promover respuestas inmunes, están relacionadas con esta propiedad (Myint et al.,
2022).
Este compuesto muestra fuertes propiedades y funciones fisiológicas como
antitumorales, antiinflamatorias, antidiabéticas y reparadoras del ADN (!!! INVALID CITATION !!! (Cheong et al., 2020; Da
Silva et al., 2018; L. Zhang, Li Gao, 2023)).
La
astaxantina es uno de los carotenoides liposolubles más importantes que tiene
aplicaciones en las industrias farmacéutica, cosmética y alimentaria y como
fuente de pigmentación en piensos para acuicultura, este pigmento también se
considera en estudios y aplicaciones médicas y biomédicas debido a su función
biológica como precursor de la vitamina A y sus altos efectos antioxidantes (Da Silva et al.,
2018).
Aplicaciones
médicas
Induce
valiosos efectos fisiológicos en los seres humanos, incluida la inhibición de
la peroxidación lipídica, prevención de enfermedades cardiovasculares, efectos
inmunomoduladores y neuroprotección (Wulandari et
al., 2023).
Protege al sistema nervioso de la piel contra la radiación ultravioleta y
constituye un refuerzo al sistema inmune (Jafari et al.,
2021);
se demostró su efecto anticoagulante en pacientes diabéticos tipos 2 (Chan et al.,
2018);
refuerzo inmunológico e inmunomodulador durante el tratamiento de COVID-19 (Talukdar et al.,
2020)
y mejora significativa en diversas enfermedades oculares como la retinopatía
diabética, la degeneración macular relacionada con la edad, el glaucoma y las
cataratas (Giannaccare et
al., 2020).
Aplicaciones
en la acuicultura
Estudios
recientes han considerado los productos alimenticios que contienen astaxantina
como alimentos funcionales (El-Bialy & Abd El-Khalek, 2020), la
suplementación con astaxantina en las dietas de los peces ha mejorado el
rendimiento reproductivo en términos de fecundidad, calidad de los huevos y
tasa de supervivencia de las larvas en condiciones de cautiverio (Haque et al.,
2023),
por ejemplo, aumentó la supervivencia de las larvas del salmón del Atlántico
(Salmo salar), la respuesta inmune de la platija japonesa (Paralichthys
olivaceus) (Haque et al.,
2021)
y el enrojecimiento de los ovarios de las hembras adultas de Eriocheir
sinensis, principal parte comestible (Zhang, Zhang,
et al., 2023).
Aplicaciones
en la cosmética
La
aplicación tópica de astaxantina para fines cutáneos tiene varios beneficios,
incluidos efectos antioxidantes y antienvejecimiento, protección contra la
irradiación UV, antiarrugas, hidratación y cicatrización de heridas, por lo que
constituye una forma prometedora de desarrollar nuevos cosméticos (Lima et al.,
2021).
Debido
a la creciente demanda de astaxantina es esencial desarrollar técnicas
efectivas y eficientes para producirla (A. D. González-Delgado et al., 2022). Más
del 90 % de la astaxantina en el mercado mundial se produce químicamente, lo
que es costoso debido a los complicados pasos de síntesis y puede suponer un
impacto ambiental (Zhang, Li, et
al., 2023), por
lo que recientemente se han desarrollado tecnologías ecológicas que incluyen la
fermentación mediante bacterias probióticas, recuperando no solo la astaxantina
sino también enriqueciendo el contenido de proteínas y quitina en los desechos
fermentados y, la extracción con aceites comestibles (El-Bialy & Abd El-Khalek, 2020).
Para Gao et al., (2020) las técnicas de extracción
convencionales para recuperar astaxantina de los desechos de camarón
generalmente se basan en la extracción sólido-líquido utilizando aceites comestibles
como aceite de girasol, aceite de salvado de arroz y aceite de palma o
compuestos orgánicos volátiles como acetona, hexano, metanol y etanol (Gao et al.,
2020).
Realidad
en Cuba
La
biorrefinería a partir de desechos de la industria pesquera, es un enfoque
innovador que busca aprovechar al máximo todos sus componentes, incluidos los
subproductos y desechos generados, esta estrategia está muy relacionada con los
principios de economía circular y promueve la sostenibilidad de la industria.
La
aplicación de este concepto puede tener un impacto significativo en la realidad
de Cuba, tanto en términos económicos como ambientales, ya que la bioconversión
de desechos no solo es una forma efectiva y ecológica de gestión, sino que
también esos productos son valiosos desde una perspectiva de mercado. Este
procesamiento también puede incluir su conversión en harina o pienso de camarón
para animales, particularmente para acuicultura, y ofrecer varias ventajas
como, un alto valor proteico para el crecimiento y desarrollo saludable de los
animales o incluso potenciar la mejora del color en especies como peces y
crustáceos, debido a la presencia de pigmentos como la astaxantina.
Promover
esta industria puede contribuir al aprovechamiento integral de los recursos, reduciendo
el desperdicio de materiales valiosos y maximizando la utilización de los
mismos. La propuesta constituye además un impulso para el desarrollo de la
industria pesquera en Cuba, ya que esto puede incentivar la modernización y
mejora de las técnicas de pesca, así como el crecimiento de la flota pesquera;
ayudaría a promover la diversificación económica al crear nuevas oportunidades
de negocio en sectores emergentes; generar empleos en diferentes etapas de la
cadena de valor y contribuir al desarrollo económico local. Otro aspecto no
menos importante sería reducir la dependencia de las importaciones, ya que Cuba
importa una gran cantidad de productos químicos y combustibles y la
biorrefinería a partir de desechos marinos puede producir bioproductos que los
sustituyan, reduciendo la dependencia del país en el mercado internacional y
promoviendo la autosuficiencia, también permitiría exportarlos y generar
divisas; contribuir a la reducción de la contaminación ambiental e impacto
negativo en los ecosistemas marinos y terrestres, evitando que estos desechos
sean arrojados al mar o en vertederos; y, fomentar la colaboración entre
instituciones académicas y empresas, promoviendo la innovación y el avance
científico en el país.
El
desarrollo de esta propuesta es aún un reto no solo para Cuba si no para los
investigadores a nivel mundial ya que el diseño de un complejo productivo
integrado bajo el concepto de biorrefinería, requiere de la solución de un
problema de optimización de la síntesis de procesos integrados no lineales, lo
cual conlleva a la elaboración de modelos matemáticos representativos de cada
planta involucrada. No obstante, en la literatura se mencionan algunos estudios
con un acercamiento similar. Antelo y col. (2015) proponen un enfoque de cribado
-optimizado adaptado a las particularidades de la biomasa marina de descarte en
flotas pesqueras en España. Mientras que González-Delgado
et al, (2022) realizan una propuesta de simulación de una biorrefinería a
partir de desechos de camarón para la obtención de quitina, quitosano y
astaxantina (Á. D. González-Delgado et al., 2022). Sin
embargo, no se encontró en la literatura estudios que aborden la modelación
matemática de biorrefinerías marinas e integre las herramientas de simulación y
optimización.
CONCLUSIONES
La biorrefinería a partir de desechos de la industria
acuícola es un enfoque sostenible que tiene el potencial de generar beneficios económicos,
al tiempo que reduce el desperdicio y la contaminación ambiental. Productos
derivados como la quitina, el quitosano, la astaxantina, las proteínas de
pescado, el aceite, y el carbonanto de calcio tienen aplicaciones en diversas
industrias, como la alimentaria, farmacéutica, cosmética y de bioplásticos, lo
que ayuda a reducir la dependencia de un solo mercado, amplía las oportunidades
comerciales y aumenta la resiliencia económica de las empresas acuícolas. En
Cuba, la adopción de un sistema de biorrefinería marina, tiene un impacto
positivo en la economía del país, al proporcionar una fuente adicional de
productos derivados, que pueden ser utilizados tanto a nivel nacional como para
la exportación.
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Contribución de los
autores
Concepción y diseño de la investigación: LMGL, MRP,
LBRS; redacción del artículo LMGL, MRP, LBRS.
Conflicto de intereses
Los autores
declaran que no existen conflicto de intereses.
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, Mariela Rizo Porro *