comparación de goma guar con goma espina corona.

HIDROGELES DE GALACTOMANANOS CON GLUTARALDHEÍDO:
COMPARACIÓN DE GOMA GUAR CON GOMA ESPINA CORONA.
Modini, Lauraa,b,*, Perduca, Martinab,c,d; Santiago, Lilianab; Carrara, Carlosb
a
Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas, UNL, Santa Fe (3000), Argentina.
Grupo de Biocoloides, Instituto de Tecnología de Alimentos, FIQ, UNL, Santa Fe (3000), Argentina.
c
Facultad de Ingeniería, Universidad de la Cuenca del Plata, Corrientes (3400), Argentina.
d
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
*[email protected]
b
Resumen
Los hidrogeles (HG) son estructuras poliméricas tridimensionales capaces de absorber una gran cantidad de agua.
Sus aplicaciones son múltiples; destacándose aquellas relacionadas con el campo de la medicina, con la
liberación de fármacos. Se estudiaron distintas condiciones de generación de HG a partir de goma Guar (GG) y
Glutaraldehído (Ga), y se comparó con HG de goma Espina Corona (GEC) con el mismo agente entrecruzante.
En una primera serie de ensayos, se utilizaron concentraciones de GG 1%p/p y Ga 1%p/p, comprobando la
formación de estructura de gel con una prensa INSTRON 3344 y un ensayo de penetración (sonda de 0,8 cm de
diámetro, distancia de penetración 1 cm, velocidad 0,2 cm/s y fuerza de contacto 0,05 N). Las variables
estudiadas fueron pH (2,0-6,8), temperatura (40-60°C) y tiempo de reacción (3-45 días). Se determinó la
resistencia inicial a la punción, dureza y cohesividad. Luego de determinadas las condiciones mínimas de
gelificación, se analizó la variación de concentración de los galactomananos (1,0%-1,5%) y del Ga (1,0%-2,0%).
Los resultados muestran que la formación del gel requiere que se lleve a cabo a la reacción a pH 2, 40°C y en un
tiempo entre 25 y 30 días, momento en que se alcanza la mayor dureza del gel. En comparación con la GEC, los
HG de GG son mas duros y frágiles. El gel con 1,5% GG y 2,0% Ga resultó el más duro, pero el mismo exhibió
contracción y pérdida de agua. Los HG de GEC resultaron más cohesivos y no presentaron sinéresis.
Palabras claves: Hidrogeles, goma Guar, goma Espina Corona; textura
Introducción
Los hidrogeles son estructuras poliméricas hidrófilicas capaces de absorber una gran cantidad
de agua o fluidos biológicos; mientras que la integridad de la red se debe a la presencia de
entrecruzamientos de naturaleza química y/o física entre las cadenas macromoleculares (1; 2). Según
el caso, también se consideran como sistemas poliméricos inteligentes o polímeros sensibles a
diferentes estímulos, vale decir, como estructuras poliméricas que en respuesta a ligeros cambios en
su entorno (temperatura, pH, luz, campo eléctrico o magnético, concentración iónica, moléculas
biológicas, etc.) sufren cambios en su estructura y propiedades de las cuales se derivan sus
aplicaciones (3). Una característica interesante de muchos hidrogeles sensibles a estos estímulos es
que el mecanismo que causa el cambio estructural es completamente reversible.
Estos materiales son considerados como de gran interés, ya que pueden diseñarse para
aplicaciones específicas como aditivos alimenticios, transporte y liberación de sustancias bioactivas,
películas para la protección y recubrimiento de alimentos (material de envasado), geles superabsorbentes de agua, trampas químicas, vehículos de drogas, construcción de tejidos sintéticos,
agentes para inmovilizar enzimas, etc. (4; 5). En el caso de utilizarse estas estructuras como
reservorios y transporte de drogas farmacológicas, los hidrogeles pueden ser usados como agentes de
liberación de drogas en sitios específicos.
Los sólidos poliméricos son especialmente aptos para formar geles gracias a su estructura de
largas cadenas. La flexibilidad de estas cadenas hace posible que se deformen para permitir la entrada
de moléculas de disolvente dentro de su estructura tridimensional (6). En particular, los polisacáridos
en general son no tóxicos, altamente biocompatibles y con características fisicoquímicas que los
hacen adecuados para diferentes aplicaciones biomédicas y farmacéuticas, incluyendo sistemas de
liberación de drogas (1; 4). Además, son abundantes y están disponibles de fuentes renovables tales
como algas, plantas y cultivos de cepas microbianas seleccionadas. Tienen, por lo tanto, una gran
variedad de composición y propiedades que no pueden ser fácilmente imitadas en el laboratorio con
polímeros sintéticos, siendo su producción más económica (5).
Existe una relación directa entre las propiedades de un hidrogel y su estructura. Ambas
características no pueden considerarse de forma aislada, ya que el método de síntesis influye de
manera decisiva sobre ellas. Por lo tanto, cuando se exponen las propiedades de los hidrogeles ha de
hacerse referencia a los parámetros estructurales que las condicionan (6).
La GG se extrae de las semillas de la planta leguminosa Cyamopsis tetragonoloba y
psolaroides. Es un polisacárido, perteneciente a la familia de los galactomananos; formado por una
cadena de manosas unidas entre sí por enlaces -(1→4) con ramificaciones formadas por unidades de
galactosa unidas a las manosas por un enlace α-(1-6) (8). Presenta, en promedio, 1,5 a 2 manosas por
cada galactosa; pero la distribución no siempre es homogénea, sino que existen bloques con casi todos
los residuos de manosas sustituidos y otros sin ramificaciones, siendo soluble en agua fría (8, 9).
Debido a su bajo costo, disponibilidad y ausencia de toxicidad, es ampliamente utilizada en industrias
de aceites, textil, papel, alimentos, minería tabaco y en tratamiento de aguas. Gracias a su propiedad
de producir soluciones acuosas viscosas, es comúnmente usada como agente espesante en cosméticos
y alimentos (10). La GG purificada es un polvo blanco e insípido que forma un gel viscoso cuando se
mezcla con agua. La viscosidad de la solución depende de la longitud de la cadena del galactomanano.
En condiciones muy ácidas se produce su hidrólisis, perdiendo viscosidad sus soluciones. No
obstante, experimentos in vitro e in vivo sugieren que aunque la viscosidad puede ser reducida en
parte por su paso a través del estómago, en el intestino delgado se conserva mejor que en otros tipos
de gomas. La GG entrecruzada con Ga ha sido usada en la liberación de drogas en el colon, ya que
puede ser degradada por microorganismos o enzimas presentes en este tramo del intestino (1; 11; 12).
El entrecruzamiento químico también ha sido realizado con agentes de fosfatación o en combinación
con ácido poliacrílico (10). Se utiliza para formar profármacos, ya sea como material de revestimiento
o como hidrogel que atrapa drogas en su red (7). Como hidrogel, la GG no ha resultado ser eficaz con
drogas solubles en agua debido a que la liberación resulta muy rápida. Por otra parte, es
potencialmente útil con drogas poco solubles en agua para ser liberadas en el colon (7).
La Goma Espina Corona (GEC) es extraída de las semillas de la leguminosa Espina Corona
(Gleditsia amorphoides). Tuvo un amplio desarrollo en el país en las décadas del 50 y 60 del siglo
pasado, discontinuándose su producción a posteriori, aunque nunca cesó totalmente. Este aditivo se
incluye en el CAA Argentino, Art.1368, Inc. No.73, como Espesante y Estabilizante. Los campos de
aplicación de GEC son muy diversos, entre los cuales se destacan: industrias de dulces y jaleas,
helados, fiambres y productos cárnicos, farmacia y cosmética, lácteos y quesos, pastas y emulsiones
alimenticias. La composición química fue esclarecida por Cerezo (13); postulando una estructura de
galactomanano con un 28,6% D-galactosa y 71,4% D-manosa formando una cadena lineal de
unidades (1,4)-β-manopiranósicas con unión en posición 6 de una molécula de D-galactopiranosa,
cada tres unidades de manosa; relación 2,5 M/G (manosa/galactosa) siendo esta relación similar a la
de GG (relación 2,0 M/G).
En este trabajo se estudiaron distintas condiciones de generación de HG a partir de goma
Guar (GG) y Glutaraldehído (Ga) y se comparó con HG de goma Espina Corona (GEC) con el mismo
agente entrecruzante.
Materiales y Métodos
Materiales
Se utilizó goma guar (GG) Procol®U de Polypro International, Inc. Se preparó una solución de
GG en agua ultrapura al 2%p/p y se la mantuvo a temperatura ambiente durante un mínimo de 24 hs,
para su completa hidratación. La GEC se obtuvo como una muestra comercial de la empresa Idea
Supply Argentina S.A. (Chaco, Argentina). La GEC obtenida se presenta como gránulos finos de
ligero color crema con pequeñas partículas oscuras provenientes del tegumento y que se comercializa
como tal, por lo que para eliminar restos de cáscara e insolubles, se realizó una suspensión al
2,0%(p/p) en agua ultrapura, luego de 24 h se centrifugó a 2000g por 20 min. El sobrenadante se filtró
por un tamiz de malla de 420 m. El glutaraldehído (Ga) fue de Sigma-Aldrich Co.
Preparación de hidrogeles
En una primera serie de ensayos, se utilizaron concentraciones de GG 1%p/p y Ga 1%p/p, y
se comprobó la formación de estructura de gel realizando ensayos secuenciales, variando el pH (2,06,8), la temperatura (40-50-60°C) y el tiempo de reacción (3 a 45 días) a través de pruebas texturales.
Luego de determinadas las condiciones mínimas de gelificación, se analizó la variación de
concentración del galactomanano (GG vs GEC) (1,0%-1,5%) y del Ga (1,0%-2,0%) en dos niveles
cada uno.
Los hidrogeles se prepararon diluyendo la solución de GG (2%p/p), regulando el pH con
ácido sulfúrico y mezclando luego con Ga (25%p/p) en proporción adecuada para lograr la
concentración final deseada de galactomanano y agente entrecruzante. Esta mezcla se agitó para
homogenizar la solución, se volcó en tubos cilíndricos de 30 ml de capacidad (2,5 cm de diámetro) y
se centrifugó para eliminar el aire atrapado.
Pruebas texturales
Se utilizó una prensa INSTRON® 3344. Los geles contenidos en los tubos se sometieron a dos
ciclos de punción con una sonda de 0,8 cm de diam. y una distancia de penetración de 1 cm desde la
superficie del gel, a una velocidad de 0,2 cm/s y un tiempo de espera entre los ciclos de 5 s. La fuerza
de contacto con la muestra fue de 0,05 N. Se calculó resistencia inicial a la punción (como la
pendiente inicial de la curva de punción durante el primer ciclo), dureza (fuerza pico lograda durante
el primer ciclo de compresión) y cohesividad (razón entre el área positiva lograda durante la segunda
compresión y del área positiva de la primera compresión).
Resultados y Discusión
En la Figura 1, se muestra el ensayo de variación de pH para formar los HG con GG 1% y Ga
1%, luego de 30 días de reacción a 40ºC. Puede observarse que solo a pH 2 se forma el hidrogel,
mientras en las otras condiciones hay colapso de la estructura. A este pH, los grupos aldehídos del Ga
se encontrarían protonados y pueden reaccionar con los grupos hidroxilos del polisacárido,
conduciendo a la formación de uniones covalentes (12). En los pH de 3,5 a 6,8, no se observó
resistencia a la penetración.
Figura 1. Dependencia del pH sobre la formación de HG de GG al 1%p/p con Ga al 1%p/p, a 40ºC, luego de 25
días de reacción.
El sistema fue estudiado a las temperaturas de: 40, 50 y 60ºC en orden a evaluar el efecto de
este parámetro sobre la formación de gel al cabo de 30 días de reacción y se muestra en la Figura 2.
Cuando se aumentó la temperatura por encima de 40ºC, la estructura se desestabilizó. Este proceso
ocurre mas rápidamente cuando mas alta es la temperatura y la solución adquiere un color amarillo
intenso. A 50 y 60ºC, posiblemente cobre más importancia la hidrólisis del polisacárido debido a la
acidez del medio, lo que conduce al colapso de la estructura.
Figura 2. Dependencia de la temperatura sobre la formación de HG de GG al 1%p/p con Ga al 1%p/p a pH 2,
luego de 25 días de reacción.
Con respecto al tiempo de reacción, también ocurre una desestabilización de la estructura a
medida que aumenta el tiempo de reacción (Figura 3). A 40ºC, la mayor dureza del gel se alcanza
entre 25 y 30 días. Luego ocurre una pérdida de dureza posiblemente resultado de la hidrólisis del
polisacárido en medio ácido.
Figura 3. Parámetros texturales de los hidrogeles de GG al 1%p/p con Ga al 1%p/p, a pH 2 y 40ºC en función de
los días de reacción.
Determinadas las condiciones mínimas de gelificación (pH 2, tiempo de reacción: 25-30 días
y temperatura de 40ºC), se analizó la variación del tipo y concentración del galactomanano y de la
concentración del Ga. En las Figuras 4A, B y C, se observa la variación en los parámetros, dureza,
resistencia inicial y cohesividad a la punción respectivamente, en función del tipo de galactomanano
(GG o GEC) empleado, concentraciones de polisacárido y de Ga. Puede observarse que hay un
aumento de la dureza con el aumento de concentración tanto del galactomanano como del
entrecruzante, siendo en todos los casos, mayor en los hidrogeles de GG (Figura 4A).
En cuanto a la resistencia inicial, esta tendencia sólo se mantuvo para la GEC, observándose
una caída de la misma en el gel de GG con 1,5% y Ga 2% (Figura 4B). Esto concuerda con el hecho
que este gel presentara fractura (dato no mostrado), resultando un HG de mayor dureza pero más
frágil. Además, el mismo exhibió visualmente una pequeña contracción y pérdida de agua (sinéresis).
Figura 4. Comparación de parámetros texturales de los hidrogeles de GG/Ga y GEC/Ga (pH 2 y 40ºC) a
distintos niveles de concentración del galactomanano y del agente entrecruzante: A) Dureza, B) Resistencia
inicial a la punción y C) Cohesividad. Las letras distintas indican diferencias estadísticamente significativas
(p<0,05).
La cohesividad es un indicador de viscoelasticidad de las estructuras. Un valor próximo a 1
indicaría total elasticidad, y un valor próximo a cero indicaría que la muestra se fractura y no se
recupera del primer ciclo de penetración. Los geles de GEC se mostraron mas cohesivos que los de
GG (Figura 4C) y mas elásticos. En los sistema de geles de GEC estudiados, no se halló diferencias
significativos entre la cohesividad de los mismos y ninguno presentó sinéresis. En el caso del gel de
GG, se observa una tendencia negativa en este parámetro con el aumento de la concentración de Ga,
manteniendo la concentración del polisacárido constante (Figura 4C), pero estos se mostraron con
mayor resistencia a la penetración que los de GEC. En el rango estudiado de concentración del Ga, el
aumento en la concentración del entrecruzante, producirá un hidrogel más “denso”, dado que aumenta
la densidad de entrecruzamiento cuando un alto número de moléculas de Ga esta presente (12); como
contrapartida la contracción de la estructura, provocaría que la misma retendría menos agua.
Conclusiones
En este trabajo se estudiaron diferentes aspectos de la formación y textura de hidrogeles de
GG y GEC entrecruzados con Ga. Cuando se entrecruza GG con Ga, se produce un cambio en la
estructura del polímero, que es dependiente de la temperatura, pH y tiempo de reacción. Las
condiciones de reacción más apropiadas fueron: pH 2, temperatura 40ºC y tiempo de reacción entre 25
y 30 días.
Luego, se compararon algunos parámetros texturales de geles formados con GEC o GG con
Ga, hallándose variaciones en tales parámetros en función del tipo de galactomanano empleado y las
concentraciones de polisacárido y agente entrecruzante. Los geles de GEC resultaron más elásticos y
menos resistentes a la punción, mientras que los hidrogeles de GG se mostraron más duros y frágiles,
y con baja cohesividad.
En síntesis, el cambio en las condiciones de reacción y/o del sistema reaccionante, produce
modificaciones en las propiedades texturales de los geles que son fundamentales para el desarrollo de
productos en la búsqueda de estructura o características específicas.
Agradecimientos
PICT-2011-1118 - Aprovechamiento de productos forestales no madereros: purificación,
caracterización y aplicaciones de goma Brea y goma Espina Corona
Referencias
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
COVIELLO T, MATRICARDI P., MARIANECCI C., ALHAIQUE F. 2007. Polysaccharide hydrogels for modified
release formulations. J. of Controlled Release 119: 5-24,
COVIELLO T., ALHAIQUE F., DORIGO A., MATRICARDI P., GRASSI M. 2007. Two galactomannans and
scleroglucan as matrices for drug delivery: preparation and release studies. Eur. J. Pharm. Biopharm. 66, 200-209.
CANO SERRANO E.,
FRAILE M. 2009. Polímeros inteligentes y sus aplicaciones. Disponible en:
www.madrimasd.org/cimtan/Informes.
RODRÍGUEZ J. 2003. Cationic cellulose hydrogels: kinetics of the cross-linking process and characterization as pH/ion-sensitive drug delivery systems. J. Controlled Release. 86: 253-265
AGUILAR MÉNDEZ M., 2005. Propiedades físicas y mecánicas de películas biodegradables su empleo en el
recubrimiento de frutos de aguacate. Tesis.
SAÉZ V., HERNÁNDEZ E., SANZ ANGULO L. 2003. Liberación controlada de fármacos. Hidrogeles. Rev
Iberoamericana de Polímeros. 4 (1): 21-91.
COVIELLO T., MATRICARDI P., MARIANECCI C., ALHAIQUE F., 2007. Review: Polysaccharide hydrogels for
modified release formulations. J. Control. Release 119, 5-24
SANDOLO C., MATRICARDI P., ALHAIQUE F., COVIELLO T. 2007. Dynamo-mechanical and rheological
characterization of guar gum hydrogels. Eur. Polym. J. 43, 3355-3367.
WIENTJES, R., DUITS, M. 2000. Linear Rheology of Guar Gum Solutions. Macromolecules 2000, 9594-9605.
BARBUCCI R., PASQUI D., FAVALORO R., PANARIELLO G. 2008. A thixotropic hydrogel from chemically crosslinked guar gum: synthesis, characterization and rheological behaviour. Carbohydrate Research 343:3058–3065
PABLYANA L. CUNHA A., RONDINELLE R., CASTRO B., FRANCISCO A., ROCHA C., REGINA C.M. DE
PAULA P. 2005. Low viscosity hydrogel of guar gum: Preparation and physicochemical characterization International
J. of Biological Macromolecules 37: 99–104
12 SANDOLO C., MATRICARDI P., ALHAIQUE F., COVIELLO T., 2009. Effect of temperature and cross-linking
density on rheology of chemical cross-linked guar gum at the gel point. Food Hydrocolloid. 23: 210-220.
CEREZO A., 1965. The Constitution of a Galactomannan from the Seed of Gleditsia amorphoides, J. of Organic
Chemistry, 30, 924.