INTRODUCCIÓN
Algunos autores reportan que la gallina (Gallus gallus) fue domesticada aproximadamente entre el 3200 y 8000 AC en la India, mientras que otros establecen que la domesticación fue en la China o en Egipto, a ciencia cierta no está bien definida su domesticación. En el caso de América, le asignan a Colón la introducción de las gallinas provenientes de Asia. 1,2. En Colombia "una teoría afirma que las gallinas llegaron a América durante los primeros viajes de Colón y que por más de 500 años han adaptado, su productividad a estas condiciones medioambientales..." 3,4.
Con la llegada de los españoles a América, por ejemplo, a México, impusieron a las comunidades indígenas que debían criar doce gallinas de origen español y seis de raza criolla, con el fin de proliferar la especie en el territorio conquistado, Se consideró a la gallina como un animal que les proveía alimentos, 4 siendo la gallina (Gallusgallus domesticus), la especie domesticada para el consumo humano.
Es así como con la domesticación se incrementa la crianza de la gallina y el consumo del huevo, lo que lleva a la generación del residuo "cáscara de huevo". Durante mucho tiempo, esta ha tenido diversos usos a nivel doméstico, siendo la base para ser escalados a nivel industrial. Por ejemplo, en la cultura china las mujeres obtienen el calcio al dejar las cáscaras de huevo en jugo de limón, que luego se añade a otros jugos y antes de su uso son lavadas y desinfectadas, utilizando tratamiento térmico corto, con el fin de eliminar microorganismos patógenos 5.
En Colombia, además se utiliza como nutriente para plantas ornamentales y en los cultivares, también se conocen otros usos como material para la elaboración de filtros artesanales en la purificación del agua o como quitamanchas de ropa blanca.
Este artículo es un estudio de carácter descriptivo, la información necesaria para la investigación se obtendrá directamente de las bases de datos científicas y de patentes existentes en el Sistema de Bibliotecas de la Universidad de Antioquia; clasificando y seleccionando el material de mayor interés, relacionado con "el aprovechamiento de la cáscara de huevo de gallina (Gallus gallus)", en la industria farmacéutica, cosmética y alimentaria entre otras.
Generalidades del huevo
La gallina según la Real Academia Española de la lengua es: "gallina. (Del lat. gallina). 1. f. Hembra del gallo, de menor tamaño que este, cresta pequeña o rudimentaria, cola sin cobijas prolongadas y tarsos sin espolones. También se define que la gallina es aquel individuo del género femenino de la especie "gallináceas"6).
El huevo se forma cinco horas después de la ovulación, llega al útero donde permanece alrededor de 20 horas, donde termina de conformarse. La yema que viaja a través del oviducto recolecta los componentes específicos para su formación. En el caso de la cáscara, pasadas 10 horas de esta estancia se inicia su formación y el proceso se detiene aproximadamente dos a cuatro horas antes de la puesta 7.
Cada huevo se forma individualmente seguido de la expulsión espontánea (ovoposición) a intervalos de tiempo aproximadamente de 24 horas en las gallinas 8,9, de estas, 10 horas son para desarrollar la cáscara, representando aproximadamente de 9 a 12% del peso del huevo.
En la parte más externa se encuentra la cáscara calcificada, la cutícula, y el empalizado, que le sirven como barrera protectora contra el daño físico y la contaminación microbiana, también promueve el intercambio de gases y agua, debido a la gran cantidad de poros que la conforman.
En su interior contiene una yema concéntrica o vitelo, rodeada por la chalaza, cuya función es mantenerla en el centro y que tiene contacto directo con la clara, como se observa en la figura 1.
Función de la cáscara
La cáscara es una compleja estructura biomineral que encierra el contenido interno, funciona como reserva mineral para el embrión aviar. Permite además el intercambio de agua y gas entre el ambiente externo y el embrión, dicha capacidad está dada por la composición proteica de la cutícula 10. Siendo una membrana semipermeable que se endurece al momento de la postura 9,11.
Composición de la cáscara. La cáscara de huevo de gallina representa entre el 10 y el 12% de su peso. Está conformada por un 95% de compuestos minerales y entre un 3,0% a 3,5% por componentes orgánicos, proteoglicanos y proteínas como ovocleidina 116, ovotransfenina, ovoalbúmina, ovocalixina 32, ovocleidina 17, osteopontina (OPN) y lisozima que intervienen en la morfología de los cristales de calcita, además en la protección microbiana y regulación de las mineralizaciones de la cáscara 12. En su parte interna posee una delgada capa de queratina y fibras de colágeno 13, conocida como membrana conformada hasta por 62 proteínas de fibras reticulares entrelazadas que ofrecen también protección y controlan la pérdida de agua y de gases del huevo 14,15.
Las primeras investigaciones acerca de la microestructura de la cáscara y la membrana reportaban como única proteína la ovocleidina 17; Sin embargo, los avances tecnológicos posteriores permitieron llegar a identificar un gran número de proteínas que influyen en la estructura cristalina de la misma 16. Estas investigaciones acerca de la microestructura de la cáscara describen detalladamente su composición, el comportamiento de los mismos y su función en la cáscara 17. Por medio de microscopia electrónica de barrido, se ha mostrado cómo la parte proteica se entrelaza con los cristales de calcita en una proporción aproximada 1:50, composición que está estrechamente relacionada con la dureza de la cáscara, conformada por cuatro capas 18.
El contenido de materia seca corresponde a un 2% de agua, un 98% de materia seca, representada en un 5% de proteína cruda y un 93% de cenizas 19. El componente mayoritario, el carbonato de calcio 9 corresponde entre un 94% a un 98% de su peso total 20,21,22,23
Este porcentaje de calcio no tiene variación en las diferentes razas de gallinas y su procedencia, ya que brinda al cascarón la cantidad necesaria de calcio para su correcta formación 24.
La cáscara contiene, además, componentes minoritarios como carbonato de magnesio 1%, fosfato de calcio 1%, materia orgánica entre 3,5% y 4% como glicoproteínas y proteoglicanos, fracciones ricas en arginina y glutamina 25. Este biomaterial además contiene boro (B), estroncio (Sr), cobre (Cu), hierro (Fe), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), azufre (S), silicio (Si) y Zinc (Zn), los dos primeros elementos sumados al alto porcentaje de calcio (Ca), son fundamentales en la prevención de la osteoporosis 26, a pesar de contener elementos pesados como el plomo (Pb), Aluminio (Al), cadmio (Cd) y mercurio (Hg), pero en valores mínimos permitiendo su uso en suplementos dietarios 15.
El calcio de la cáscara de huevo como fuente de este mineral, supera la absorción del calcio proveniente de rocas y corales; esta biodisponibilidad se debe a que el CaCO3 se descompone en bicarbonato de calcio, facilitando la absorción del ión calcio en el organismo 26.
También en la cáscara el calcio se fija por la acción de fosfoproteínas ácidas, aunque existen factores que pueden afectar su composición, por ejemplo, la edad, dieta en calcio para la gallina, dieta en fósforo, consumo de vitamina D3, magnesio, zinc, calor, agua, estrés y el sitio de crianza 9,22,27,28,23. Una sola cáscara de huevo contiene alrededor de 2,0 g de Ca, así entonces la mitad de la cáscara suministraría la cantidad requerida por día para una persona 5.
Aprovechamiento industrial de la cáscara de huevo. La cáscara de huevo como residuo agroindustrial es una alternativa para el desarrollo de nuevo productos y como reemplazo de ingredientes en formulaciones ya existentes. Su aprovechamiento contribuye a disminuir el impacto ambiental que genera este residuo. Ofrece ventajas comparativas su bajo costo, su disponibilidad y su uso entre otros. En la Unión Europea se ha incorporado a la "economía circular", por ser un material antropogénico. A pesar de las restricciones de su uso debido a su origen animal, algunos países lo están implementando como materia prima de múltiple usos o complemento para el diseño y desarrollo de nuevos productos que reemplacen ingredientes de otras fuentes, debido a su contenido en carbonato de calcio que lo convierte en un residuo con alto potencial 15.
El carbonato de calcio siendo el componente mayoritario de la cáscara de huevo de gallina; requiere, para su obtención, un tratamiento previo a la molienda y al secado, como es el proceso de limpieza y desinfección, para garantizar su calidad microbiológica 29,30, en algunos casos se pasteriza 31 para eliminar la Salmonella enteritidis, en otros casos se somete a tratamiento térmico de cocción por un tiempo de 10 a 15 minutos, o tratamientos escalonados a altas temperaturas que llevan a la obtención de componentes de interés para diferentes industrias 32,33. Durante el proceso de molturación de la cáscara, su color se compara con el blanco del carbonato de calcio comercial 34,35.
En este sentido, existen también algunos estudios que han demostrado la utilidad de la cáscara de huevo de gallina aplicada en la industria de alimentos, farmacéutica, cosmética, medicina, química, textil y agropecuaria, entre otras; como suplemento cálcico, alimentos fortificados, nutrición humana, desarrollo de alimentos funcionales, como catalizador en la obtención de lactulosa a partir de la lactosa, tratamiento de osteoporosis, ortopedia, partes dentales, alternativas en desarrollo de medicamentos y cosméticos, aditivo en concentrados para animales, como fuente de aminoácidos libres esenciales y no esenciales, proteasa alcalina, pigmentos para impresión, absorbentes naturales de metales pesados, plastificantes, reticulantes, agentes de refuerzo, biopolímeros, fertilizantes y en el desarrollo de pinturas 21,28,36,37,38.
Así mismo, estudios recientes muestran la aplicación del CaCO3 proveniente de la cáscara de huevo como electrodo en condensadores de iones de litio (Li) y de esta manera se almacena energía 39. Además como biopelículas para la elaboración de envases en la industria farmacéutica y alimentaria, al ser combinada con proteína de trigo 40.
Industria Farmacéutica. En esta industria, el carbonato de calcio proveniente de la cáscara de huevo, es empleado como excipiente farmacéutico, principalmente diluyente en formas de dosificación sólidas, también como remplazo de bicarbonato de sodio en tabletas efervescentes, presentando mejor capacidad de flujo en el granulado, disminuyendo el ángulo de reposo y mejorando el índice de compresibilidad respecto a la formulación estándar 41, además es considerado la base para preparaciones medicinales, dentales y como ayudante para el taponamiento en soluciones acuosas; empleado a su vez en la biosíntesis de fosfato de calcio y por tanto, es una fuente eficiente de este mineral, siendo aprovechado en procesos de bioingeniería 23,27,42.
Dicho de otra manera, la cáscara de huevo en polvo, es fuente natural de calcio, y se mezcla con vitamina D3, magnesio (Mg), vitaminas K1, K2, estroncio (Sr), boro (B), en suplemento nutricional para pacientes con osteoporosis, reportando un aumento en la densidad ósea en tratamientos superiores a un año, al ser comparado con la absorción de calcio obtenido de otras fuentes 26,28.
Así mismo, se han desarrollado otras patentes como coadyuvante en comprimidos y productos antiácidos 43.
Industria cosmética. En esta industria se aprovecha principalmente, la membrana interna, que hace parte de la estructura de la cáscara, siendo el colágeno su componente mayoritario. El colágeno es una proteína fibrilar y por su insolubilidad se clasifica como una escleroproteína. Los aminoácidos mayoritarios en su composición son la prolina y la hidroxiprolina, la forma estructural es una triple hélice que le aporta resistencia, por lo tanto, conforma estructuras de soporte en el cuerpo como piel, huesos, tendones, músculos, cartílagos y órganos internos; aportando también integralidad a la estructura de la piel.
Esta composición en colágeno y otras proteínas ha llevado al desarrollo de patentes para su separación; esta alta insolubilidad y su composición fibrosa, en mayor parte aportada por el colágeno entrecruzado con elastina y queratina, además de múltiples enlaces disulfuros (S-S), que forman parte del entramado, hacen necesario someterla a hidrólisis ácida, alcalina o enzimática; encontrándose este último método como el más eficiente, ya que en los dos primeros se destruyen algunos compuestos de interés 42,44,45.
Por otra parte, vemos como en la membrana también se encuentra el ácido hialurónico (HA), perteneciente a la familia de los glicosaminoglicanos, el HA es un polisacárido lineal con disacáridos, ácido D-glucurónico y N-acetil-d-glucosamina, ubicado en la matriz extracelular. Presenta una alta polaridad, siendo un reservorio importante de agua en la dermis; lo que aporta elasticidad al tejido intracelular y participa en la fibrogénisis 28, es decir, que ambos componentes le confieren integralidad a la estructura de la piel 46.
Un claro ejemplo de lo anterior es lo reportado por los inventores de la patente "Therapeutic, nutraceutical and cosmetic applications foreggshell membrane and processed eggshell membrane preparations", como Long, Adams, DeVore y Franklin en el 2004, donde se compara el contenido de HA con otros tejidos, ver Tabla 1. 47.
En otra patente se obtuvo amiloglicanos a partir de la cáscara de huevo para ser utilizados en la preparación de una base de emulsión antiarrugas, humectante y suavizante, mostrando que al aprovechar dicho residuo genera productos a bajo costo, de fácil obtención y estabilización, además la proteína de esta fuente natural no es antigénica 30.
Al mismo tiempo, se han patentado otras formulaciones cosméticas, entre ellas, cremas y soluciones para el cuidado personal, productos exfoliantes, donde mezclan el polvo obtenido de la cáscara de huevo, a una concentración de al menos 50%, en solución acuosa, con adición de surfactantes aniónicos, no iónicos y emolientes 43 y cremas dentales que presentan mayor seguridad, frente a otros ingredientes empleados en las formulaciones típica 43,28.
Conviene subrayar que, la abrasividad que aporta el carbonato de calcio en forma cristalina, proveniente de la cáscara de huevo, ha sido aprovechado porque además de que no contiene sustancias tóxicas, tiene una alta capacidad de limpieza, otorgada por su estructura porosa y dura, aprovechable en productos para la aplicación sobre la piel, dando como resultado una eficaz respuesta en la remoción de células muertas, y esta aumenta con el uso del producto, proporcionando beneficios únicos que difícilmente se obtendrían con el empleo de otros productos similares 28.
Industria química. Con respecto a esta industria un ejemplo de aprovechamiento es el reemplazo del polipropileno, derivado de la petroquímica, que es utilizado como material abrasivo presentando alta toxicidad para los cuerpos acuáticos, por cáscara triturada de huevo de gallina, como alternativa a esta materia prima. También el polvo de cáscara se puede utilizar en la industria del papel como revestimiento de pigmentos para papel de impresión de inyección de tinta. En la aplicación de productos de desechos naturales para resolver este problema ambiental es una estrategia especialmente prometedora, donde varios estudios han demostrado que las membranas de la cáscara del huevo se unen a iones metálicos y otras moléculas cargadas positivamente (quizás debido al contenido de ovotransferrina inmovilizada). Por tanto, el desecho de cáscara de huevo molido se puede utilizar como un adsorbente de bajo costo para la eliminación de tintes aniónicos o metales pesados de la solución acuosa 28.
Otras investigaciones muestran como la cáscara de huevo ha sido utilizada como material de relleno en la producción de plásticos biodegradables, específicamente el poliláctico (PLA), mostrando buena resistencia 48.
Industria alimentaria. En cuanto a esta industria la cáscara de huevo es empleada como aditivo, suplementación de calcio en forma de sales, aumentando su absorción y digestibilidad, contribuyendo al desarrollo de alimentos funcionales 22,49,50,51. La presentación más común es en polvo, cuyas siglas en ingles es CESP- Chicken Eggshell Powder, y dependiendo del color de la cáscara varía su composición, ver Tabla 2.
El polvo es utilizado como suplemento dietario de calcio para el ser humano. Algunos estudios demuestran que la cáscara de huevo completa contiene 2,07 ± 0,18 gramos de calcio, por tanto, la mitad supliría el requerimiento diario de este mineral en la dieta de un adulto 5. Siendo considerado de excelente calidad, fácil obtención y con un bajo costo; estos atributos han llevado al desarrollo de nuevos productos, incorporándolas en sus formulaciones como fuente de calcio, por ejemplo, galletas de chocolate con adición de CESP al 3%, 6% y 9%. En dicho estudio los mejores resultados de las formulaciones fue la correspondiente a la del 6%, que presentó mejores características fisicoquímicos, sensoriales y de textura 6.
Además, otras formulaciones enriquecidas con la cáscara de huevo en polvo, ha sido en la elaboración de pastas alimenticias, incorporado en un porcentaje del 5% a una pasta al huevo, obteniéndose como resultado un aumento del calcio de 0,035% a 9,06%; porcentaje reportado por INCAP (2007-Tabla de composición de alimentos de Centroamérica. Guatemala) (38). Otro estudio lo incorporó en una formulación para panes, al mezclarlo con la harina de trigo y al revisar el contenido del calcio en la formulación respecto a un blanco, su aumento fue de 33,74 mg/100, a 1250,83 mg/100 50,56.
En un estudio de una masa panaria, fue reemplazada la harina de trigo en un 5% por cáscara de huevo en polvo, con el fin de aumentar el calcio en el pan, obteniéndose resultados favorables en aportes nutricionales y sensoriales 52,53,56. Se compararon dos formulaciones de panes para celíacos, respecto a la acción leudante de la levadura deshidratada, empleando como sal precursora el carbonato de calcio proveniente de la cáscara de huevo, con el fin de generar anhídrido carbónico en la masa y el ácido cítrico como acidulante, añadido en proporciones estequiométricas respecto de la sal; los procesos de amasado y fermentación fueron similares entre las formulaciones donde se utilizó levadura y leudante 54,56.
Por otro lado, en productos lácteos se enriqueció la leche con calcio proveniente de la adición de cáscara de huevo molida, previamente lavada y desinfectada garantizando así su asepsia, lo que incrementó el contenido de calcio en leche entera sin desnatar al grado que un adulto requiera consumir solo de 500 a 700 mL de leche en vez de 1 a 1,25 L, aproximadamente por día, con el fin de lograr el consumo de calcio requerido, además se reportó que esta adición mejora la absorción de calcio y la retención de la fracción del mismo mineral total 55. Otros productos lácteos como el yogurt han sido enriquecidos con 0.3% de cáscara de huevo en nanoesferas, incrementando de esta manera la biodisponibilidad del Ca a nivel intestinal, debido a la acidificación que se presenta durante el proceso de fermentación del producto 25.
Una investigación muestra cómo se obtuvo el calcio de manera casera, al tratar las cáscaras de huevo de gallina con diferentes vinagres. Incorporándolos luego en alimentos tales como pizza, empanadas de carne, pan y espaguetis. Dichas preparaciones fueron sometidas a panel sensorial dando como resultado cambios en la textura de acuerdo al tamaño de partícula del polvo de la cáscara más no en el sabor, además el aporte en calcio fue analizado y estudiado para determinar sí la absorción fue positiva con respecto al carbonato de calcio; estos análisis permitieron concluir que el calcio proveniente de la cáscara de huevo tiene la misma capacidad de absorción que el de otras fuentes. Permitiendo así la fortificación de alimentos con Ca de fuentes naturales mucho más económicas 5.
En conclusión, la cáscara de huevo de gallina (Gallus gallus domesticus); según la revisión realizada se evidencia el interés mostrado por diferentes industrias y la academia para desarrollar investigaciones tendientes a diversificar y reconocer el potencial que como materia prima representa dicho bioresiduo.
A pesar de los numerosos estudios realizados para su aprovechamiento, estos son insuficientes frente a la gran cantidad del residuo generado por año a nivel mundial, sumado al alto costo para su manejo y eliminación.
Comprobándose que a pesar de ser de origen animal y de las restricciones de su uso en diferentes países, se tiene que es una fuente de baja toxicidad química y ausente de microorganismo patógenos, al ser sometida a tratamiento apropiados que garanticen su inocuidad.
Su uso como materia prima multifacética permitirá el desarrollo de nuevos emprendimientos o el mejoramiento de los existentes, obteniendo productos de alto valor agregado y a bajo costo; solucionando un problema de contaminación ambiental existente; proponiendo el desarrollo, diseño e innovación de ingredientes funcionales en la industria cosmética, farmacéutica y alimentaria, reemplazantes de ingredientes químicos o naturales que representan riesgos para la salud, como también la propuesta del desarrollo de empaques biodegradables.