Alginat

Alginat

Substància química	mescla
Rol	material biocompatible, antihemorràgic i radiation protection agent (en)

Els alginats són polisacàrids obtinguts a partir algues marines brunes, de naturalesa polielectrolítica i amb comportament col·loidal que els fa aptes per a poder:

• Espesseir
• Gelificar
• Emulsionar
• Estabilitzar
• Formar pel·lícules protectores (films).

Aquestes sals corresponen a polímers orgànics derivats de l'àcid algínic.

És un copolímer lineal homopolimèric bloqueja de (1-4)-β-D-manuronat (M) i el seu epímer de C-5 α-L-guluronat (G) units covalentment diverses seqüències. Els monòmers poden aparèixer en blocs homopolimèrics de residus G consecutius (blocs G) amb enllaços α-L(1-4), residus M consecutius (blocs M) amb enllaços β-D(1-4) o bé alternant residus M i G (blocs MG) o bé en blocs aleatoris.

Els alginats són polisacàrids d'unitats monomèriques de tipus urònic, és a dir, sucres on el grup CH2OH del C6 ha estat oxidat a un grup COOH. Aquests dos tipus de monosacàrids són l'àcid β-D-manurònic i α-L-gulurònic (que és l'epímer en C5). Encara que només difereixin en la configuració del C5, hi ha una enorme diferència entre ells, ja que les conformacions espacials són diferents, la qual cosa provoca una gran diferència estructural entre els blocs polièdrics. Encara que els àcids algínics són copolímers lineals d'ambdós àcids per formació d'enllaços α(1→4), no tots són iguals. Els blocs G presenten unaconfiguració en ziga-zaga, i són més abundants en algues del gènere Laminaria. Els blocs M són més lineals, i es troben en un percentatge més elevat en les algues dels gèneres Macrocystis y Ascophyllum. Aquestes ajuden a la conformació tridimensional.

Les algues sintetitzen l'alginat inicialment com un polímer d'àcid manurònic, que posteriorment modifiquen transformant unitats de manurònic en gulurònic mitjançant una epimerització enzimàtica. La conformació estructural és una de les característiques més importants dels alginats i de l'àcid algínic. Hi ha blocs d'homopolímers tant d'àcid gulurònic com de manurònic i també hi ha heteropolímers seqüencials alternats.

La composició química d'un alginat varia d'acord amb l'espècie d'alga marina i fins i tot entre diferents parts de la mateixa alga. Igual que tots els productes produïts a partir de recursos naturals, les propietats de l'alginat també estan subjectes a les variacions estacionals.

La biotecnologia permet, amb enzims bacterians (epimerases), modificar la configuració de les molècules,fent que els blocs M passin a ser blocs G. També s'ha aconseguit el mateix resultat mitjançant l'acció de diòxid de carboni en condicions súper crítiques (150-500 bar).

Les varietats comercials d'alginat s'extreuen d'alga, incloent-hi l'alga gegant Macrocystis pyrifera, Ascophyllum nodosum i diversos tipus de Laminaria. També és produït per dos gèneres bacterians Pseudomonas i Azotobacter, que tenen un paper essencial en el desentrellar la seva ruta biosintètica. Els alginats bacterians són útils per a la producció de microordinadors o nanoestructures per aplicacions mèdiques.^[1]

La coloració de l'alginat s'estén des de blanc fins a marró groguenc, i es pot presentar en formulacions filamentoses, granulars i polvoritzades.

Industrialment s'obtenen d'algues brunes, de la Classe Phaeophyceae, a partir dels polisacàrids que es troben a la paret cel·lular.

La tècnica d'obtenció d'alginats basada en el mètode desenvolupat per Green (1936), el qual ha estat modificat successivament d'acord amb la naturalesa de la matèria primera, ens pot ajudar a entendre el principi químic de la esferificació. El procés representat esquemàticament es pot dividir en 3 etapes:

Etapa 1: eixugat i tamisat Etapa 2: lixiviació, maceració, i separació per centrifugació Etapa 3: purificació

La primera etapa és bàsicament el tractament primari de la matèria, capolar les algues fins a 1cm de diàmetre aparent, i el tamisat per retirar tota la sorra que hi pugui haver. Tot això per aconseguir el sòlid sec i disgregat en petites partícules. La segona etapa consisteix en una (extracció) lixiviació amb HCl, que permet l'intercanvi dels cations presents, generalment Ca2+, Mg2+, K+, i Na+ per H+, transformant els alginats de la matriu sòlida en àcid algínic (insoluble) que permet una recuperació més eficient d'aquests. La reacció d'alliberació de l'àcid algínic és:

MAlg + HCl → HAlg + MCl

A continuació, el residu sòlid se separa i es sotmet a una maceració, on l'àcid algínic obtingut es tracta amb una base per solubilitzar l'extracte com alginat de sodi. L'obtenció de l'alginat de sodi cru permet la seva separació de la matriu sòlida mitjançant processos físics (filtració, centrifugació, decantació, etc.) atès que d'alginat de sodi és soluble.

2 HAlg + Na₂CO₃ → 2 NaAlg + H₂CO₃

Una vegada transformat el compost d'interès en alginat de sodi és necessari hidratar les algues per facilitar la seva migració a la fase aquosa. Com el procés és difusiu és necessari afavorir-lo en tres direccions: grans quantitats d'aigua, augmentant la temperatura i agitació de la massa. Tot seguit es procedeix a separar la matriu sòlida centrifugant, i s'obté l'alginat de sodi cru. La tercera etapa consisteix a canviar de fase el compost d'interès per eliminar l'altra fase dels contaminants, és la purificació del producte. Es comença fent precipitar l'alginat de sodi cru amb clorur de calci al 10% en excés:

2 NaAlg + CaCl₂ → CaAlg₂ + 2 NaCl

Les característiques del precipitat són fortament dependents de les velocitats d'agitació del medi i de l'agregat reactiu. El sòlid obtingut, alginat de calci, és el primer producte d'interès comercial obtingut en forma purificada. A partir d'ell es poden obtenir els restants. Per acidificació amb HCl 5% s'obté l'àcid algínic.

CaAlg₂ + 2 HCl → HAlg + CaCl₂

A partir de l'àcid algínic obtingut i per alcalinització amb NaOH 5N, s'obté el producte cercat, l'alginat de sodi, que s'ha d'eixugar perquè com ja s'ha dit, és soluble en aigua.

HAlg + NaOH → NaAlg + H₂O

2 Na-Alginat(aq) + Ca²⁺(aq) → Ca-(Alginat)₂(s) + 2 Na⁺(aq)

Per apoder portar a terme la gelificació, l'alginat ha de tenir contacte amb un catió polivalent, per poder lligar-se entre les diferents molècules i crear així una xarxa tridimensional d'alginat. Aquest procés funciona amb la majoria del cations polivalents, excepte amb el magnesi,però el més utilitzat és el calci, ja que és el de més fàcil excés i el que forma uns gels més resistents i durs.

Quan dues cadenes de blocs G s'agrupen paral·lelament resulta un forat en forma de diamant que té la dimensió ideal per acomodar en el seu interior l'ió Ca²⁺, formant una estructura dimèrica, amb pots G-Ca-G. Aquest model d'estructura va ser proposat per Grant en 1973 per explicar les propietats gelificants dels alginats al reaccionar amb sals càlciques i es coneix com a “caixa d'ous”. I d'aquesta manera es permet la unió de dues cadenes de polímers per les regions del monòmer de gulurònic de l'alginat. La proporció, distribució i longitud d'aquests blocs determina les propietats químiques i físiques de l'alginat obtingut.

Segons els tipus d'alga i coneixent la relació M/G, es pot tenir una idea del tipus de gel que formarà l'alginat quan entri en contacte amb el calci:

Amb un alt M/G, el gel serà més flexible i amb menor sinèresi (pèrdua d'aigua per un procés d'exsudació del gel, que produeix la seva contracció). Mentre que un baix M/G, genera un gel més dur i consistent, però més trencadís. Això és degut al fet que, com s'ha vist anteriorment, els blocs G són els que uneixen les diferents molècules d'alginat en suspensió, fent un gel més compacte i dur, mentre que els blocs M, en ser més lineals i estar lliures (no s'uneixen directament amb altres molècules d'alginat) poden capturar més aigua, disminuint així la sinèresi. L'alginat extret dels bacteris Macrocystis pyrifera o Ascophyllum nodosum, forma gels elàstics, amb baixa tendència a la sinèresis i alta capacitat de deformació.

Segons augmenti el grau de polimerització o longitud de la cadena d'alginat, aquesta és capaç de formar una xarxa tridimensional més extensa, captant més aigua i augmentant la viscositat. Un augment de la viscositat dona lloc a gels amb més força i amb menys sinèresi (pèrdua d'aigua), ja que l'augment de viscositat permetrà retenir més aigua. A més, en augmentar la viscositat, disminueix la velocitat de formació del gel, ja que dificulta la difusió del calci per a poder formar-lo

La concentració d'alginat està directament relacionat amb la viscositat d'aquesta. En augmentar la quantitat d'alginat es forma un gel més ferm, però poden aparèixer textures massa gomoses. En general, duplicar la quantitat d'alginat en una solució, augmenta 10 vegades la seva viscositat.

Com en quasi totes les solucions d'aquests tipus, la viscositat és inversament proporcional a l'increment de la temperatura. Un augment de la temperatura de llarga duració del producte en pols o en solució, pot fer disminuir la viscositat permanentment, ja que es produeixen despolimeritzacions, sobretot a pH extrems. Aquests canvis són més aguts en el producte ja diluït. En canvi, al disminuir la temperatura, en processos de congelació, al descongelar la solució d'alginat no es produeixen canvis en la viscositat, sempre que no hi hagi calci en el medi. En aquest cas, en haver-hi calci, es formen punts de gelificació al concentrar-se els ions en zones d'aigua no congelada. Wn quant al procés de gelificació, a temperatures altes, l'alginat no gelifica, ja que les cadenes tenen un excés d'energia i no s'uneixen.

Quant al pH, les solucions d'àcid algínic són estables en un rang de pH de 5 a 11. Si es manté la solució a un pH major de 10, les molècules pateixen una despolimerització (es trenquen els enllaços beta) i es perd viscositat. Les solucions són insolubles a un pH menor de 3,5, ja que es forma àcid algínic (precipita, però no és la forma que es necessita per a gelificar). A pH àcid, augmenta la viscositat de la solució, ja que els grups COO- es protonen a COOH, disminuint la repulsió electroestàtica i afavorint la formació de pont d'hidrogen.

Altres factors que influeixen en la solució d'alginat són:

- La utilització de solvents de tipus alcohol, glicerol o acetona poden facilitat la dispersió de l'alginat en l'aigua i augmentar la viscositat, però un excés d'alcohol (> 20%) o de glicerol (>70%) pot produir una precipitació de l'alginat.

- Els quelants de calci endarrereix la formació del gel o fa gels més dèbils. I si la concentració de calci és molt baixa, els quelants disminueixen la viscositat.

- Degut al seu origen marí, els alginats presenten el seu estat òptim de dissolució amb una concentració de salina similar a l'aigua de mar.

L'alginat absorbeix ràpidament l'aigua, la qual cosa el fa útil com a additiu en productes deshidratats com ajudes en dietes d'aprimament i en la fabricació de paper i teixits. També s'utilitza per impermeabilitzar i estructures de tallafoc, com a agent gelificant, per a espessidor de begudes, gelats i cosmètica, i com un detoxificant, ja que pot absorbir metalls verinosos de la sang. També s'usa al món del maquillatge d'efectes especials per fer "buidats".

L'alginat s'utilitza en diverses preparacions farmacèutiques com Gaviscon™, Bisodol™, Asilone™. L'alginat s'utilitza extensament com a material de fabricació de motlles en odontologia, pròtesis, lifecasting i teixits. També s'utilitza en el sector alimentari, per a espessidors de sopes i gelees. L'alginat de calci s'utilitza en diferents tipus de productes mèdics, incloent-hi embenats per a cremades que promouen la curació i que treuen el dolor millor que els embenats convencionals.

També, a causa de la biocompatibilitat de l'alginat i la gelificació simple amb cations divalents com Ca²⁺, s'utilitza àmpliament per a immobilització de cèl·lules i encapsulació.

L'àcid algínic (alginat) també s'utilitza en les arts culinàries, més notablement a l'"esferificació" tècnica desenvolupada per Ferran Adrià copropietari del restaurant el Bulli a cala Montjoi prop de Roses, en el qual els sucs naturals de fruites i hortalissa estan recollits en bombolles que "esclaten" a la llengua quan és consumit. Un dels exemples més famosos d'aquest ús de l'àcid algínic és on utilitzava Ferran Adria àcid algínic per fer la poma caviar.^[2]

A causa de la seva habilitat per absorbir aigua de pressa, l'alginat es pot canviar durant un procés de liofilització a una estructura nova que té l'habilitat per expandir-se. S'utilitza en la indústria de pèrdua de pes com a supressor de la gana. Un tipus nou de règim que utilitza alginat és el règim d'alginat-CM3.

L'alginat és un material àmpliament utilitzat en odontologia per obtenir impressions dentals i els teixits tous adjacents. Són compostos de sals de calci i algues marines, en contacte amb la ferida, absorbeixen el sodi d'aquesta i alliberen ions de calci.

La seva presentació comercial és una pols, que en ser barrejat amb aigua en les proporcions correctes, i mitjançant una reacció química, produeix una massa que és capaç de reproduir en negatiu una arcada dentària completa del pacient.

El component principal de l'alginat és la sal sòdica de l'àcid algínic (alginat monosòdic). A més, la pols conté sulfat de calci, fosfat trisòdic, material de farcit i un indicador de reacció. El fosfat trisòdic permet un maneig més prolongat de la preparació, per tant es diu que retarda l'enduriment.

Producte de la reacció química, de caràcter irreversible, i mitjançant una tècnica adequada de barreja, s'obté una pasta que en pocs segons (60 a 90 s) gelifica, és a dir, endureix, però el temps de treball i el temps de gelidificació no haurà de ser menor a 3 minuts ni major a 6 minuts. Això permet carregar una cubeta amb el material encara viscós per portar-lo a la boca del pacient, impressionar l'arc dentari i esperar que gelifiqui allí. Així s'obté una impressió d'alginat que posteriorment és buidada en guix, per aconseguir un model de la dentadura del pacient.

• Cybercolloids.net informació sobre els alginats. (anglès)