Sacarosa: La Plataforma Química del Futuro.

Dra. Martha Roa Luna, Dra. María Teresa Córdova Alonso

Dr. Ramón Enrique Díaz de León Gómez, Dr. Héctor Ricardo

López González.

Departamento de Procesos de Polimerización del CIQA

Debido a los problemas de contaminación en suelos, ríos, océanos y en el aire por partículas de microplástico, resultantes principalmente de la erosión y degradación de plásticos derivados de fuentes fósiles, surge la necesidad de desarrollar materiales plásticos que se caractericen por su capacidad de degradación rápida. Idealmente, estos materiales deberían degradarse en un lapso no mayor a cuatro años bajo condiciones de radiación solar, temperatura, humedad y la presencia de microorganismos, permitiendo que los productos de esta biodegradación se conviertan en sustancias no tóxicas que puedan integrarse al suelo sin perjudicarlo ni interrumpir el crecimiento de plantas. En este contexto, los azúcares, como la sacarosa, han demostrado un gran potencial como materia prima para desarrollar polímeros biodegradables que ofrecen una alternativa sostenible y de menor impacto ambiental.

El uso de la sacarosa se remonta a tiempos antiguos, cuando se extraía de la caña de azúcar en el sudeste asiático, expandiéndose luego hacia Persia e India, y llegando a Europa en la época de las Cruzadas. Con el paso de los siglos, se convirtió en un ingrediente esencial en la dieta y por ende en la industria alimentaria, conocida por su capacidad para endulzar y conservar alimentos. Sin embargo, su uso como una fuente de energía en el organismo también plantea riesgos: el consumo excesivo de azúcar refinada ha sido asociado con problemas de salud como la obesidad, enfermedades cardiovasculares y trastornos metabólicos, además de efectos negativos en la salud mental. Esta dualidad ha impulsado su estudio en aplicaciones no alimentarias, como la producción de polímeros sostenibles, donde la sacarosa podría ofrecer soluciones tanto al problema ambiental como al impacto negativo en la salud. En la Figura 1 se tiene una imagen de un objeto elaborado a partir de biomasa.

Historia del Azúcar

La caña de azúcar fue conocida hace unos diez mil años en Nueva Guinea y se extendió hacia Asia. La palabra "azúcar" proviene del sánscrito, se menciona desde el 350 a.C. Durante siglos, fue un lujo solo para los ricos, hasta que Cristóbal Colón la introdujo en América, donde impulsó la economía basada en la esclavitud. Las haciendas destinaban gran parte de su terreno a la producción de azúcar. En América, el azúcar no se refinaba, sino que se enviaba a Europa. En 1813, el bloqueo británico motivó a Napoleón a promover el uso del betabel para producir azúcar, gracias a estudios previos.¹

La introducción de la caña de azúcar en Brasil fue crucial para la riqueza de la monarquía portuguesa. La corona incentivó a mercaderes y aristócratas a establecerse en Brasil, ofreciéndoles privilegios legales a cambio de construir fortalezas para defender el territorio de incursiones europeas. En la década de 1530, el azúcar tenía un valor elevado en Europa, lo que impulsó su producción en las colonias portuguesas como Madeira y, luego, en Brasil, donde se ofrecieron exenciones fiscales a los cultivadores. Para 1590, Brasil contaba con unas 108 empresas azucareras, convirtiéndose entre 1560 y 1760 en un centro fundamental para el comercio de azúcar en Europa, mientras que Madeira comenzó a enfocarse en la producción de vino.²

La producción de azúcar no solo genera el propio endulzante, sino también subproductos como la melaza y el ron, que han encontrado su lugar como mercancías en el mercado internacional1. Hoy en día, numerosos países cuentan con sólidas industrias para abastecer la demanda mundial de azúcar. Sin embargo, el consumo de azúcar en ciertos países es alarmante; en Estados Unidos, el consumo promedio anual alcanza los 77 kilos por persona, una cifra considerablemente superior a la recomendada por el Departamento de Agricultura de ese país.³

Efectos del Azúcar en la Salud

El azúcar, especialmente la sacarosa o azúcar de mesa, es un ingrediente habitual en nuestra dieta, presente en alimentos procesados, refrescos, postres y salsas. Aunque su consumo es una fuente de energía rápida para el cuerpo, el consumo excesivo de azúcar tiene efectos adversos en la salud, lo que la convierte en un factor clave de riesgo para enfermedades crónicas.

El azúcar, especialmente la sacarosa, es común en nuestra dieta, pero su consumo excesivo puede tener efectos negativos en la salud física y mental. A nivel físico, contribuye al síndrome metabólico, diabetes tipo 2 y enfermedades cardiovasculares. En la salud mental, puede causar fluctuaciones de energía que afectan el estado de ánimo, provocando ansiedad y depresión debido a sus efectos en la glucosa y el sistema de recompensa del cerebro.^4-7 (Ver Figura 2).

El consumo de azúcar afecta la salud a lo largo de las diferentes etapas de la vida. Durante el embarazo, aumenta el riesgo de complicaciones como hipertensión y diabetes gestacional. En la lactancia, puede alterar la calidad de la leche y predisponer al bebé a preferir alimentos dulces.⁸ En la infancia, fomenta la obesidad, caries y problemas de comportamiento, mientras que en la adolescencia afecta el peso, la autoestima y el rendimiento académico.⁹ En la etapa adulta, incrementa el riesgo de enfermedades crónicas y reduce la salud mental y ósea. En la vejez, contribuye al deterioro cognitivo y debilita el sistema inmune. Mantener una ingesta moderada de azúcar es clave para una buena salud a largo plazo.⁶

La sacarosa no sólo ofrece beneficios al reducir su consumo en la dieta, sino que también tiene aplicaciones sostenibles en otras industrias. Su abundancia y perfil químico permiten utilizarla en la producción de materiales poliméricos, lo que ofrece una alternativa más sostenible para el ambiente en comparación con los derivados petroquímicos. Además, al utilizar recursos renovables en la industria de polímeros, se reduce la dependencia de recursos fósiles y se mitiga el impacto ambiental. Este enfoque abre la puerta a explorar nuevas posibilidades para la azúcar más allá de su uso alimentario, y utilizarla como una plataforma química de alto valor agregado.

Azúcar como Plataforma Química de Polímeros y Sustancias Químicas de Alto Valor Agregado

El consumo excesivo de azúcar impacta negativamente la salud a lo largo de la vida, aumentando el riesgo de enfermedades metabólicas, cardiovasculares y cognitivas. Por ello, es fundamental reducir su ingesta y explorar alternativas para su aprovechamiento en otros sectores. En este sentido, la sacarosa ofrece una oportunidad sostenible en la producción de polímeros bio-basados, disminuyendo la dependencia de recursos fósiles y mitigando el impacto ambiental.

Además, la sacarosa ha adquirido relevancia como plataforma química en la producción de plásticos, biocombustibles y otros productos de alto valor agregado. Aunque la biomasa lignocelulósica es la principal materia prima para estos fines, el azúcar de mesa, al no ser un alimento esencial, representa una alternativa viable sin comprometer la seguridad alimentaria. Su aprovechamiento en biorefinerías, junto con la infraestructura de la industria azucarera mundial, permite impulsar una química bio-basada más sustentable y alineada con una economía circular. Lo mencionado anteriormente, convierte al azúcar en una plataforma química ideal para una química bio-basada, que puede ser generada por la industria azucarera mundial ya existente, aunado al desarrollo de tecnología de biorefinerías basadas en biomasa lignocelulósica.

Diversos estudios demuestran la viabilidad de obtener bioetanol a partir de azúcar de mesa con excelentes rendimientos.^10-13 Asimismo, es posible obtener 5-hidroximetilfurfural (5-HMF), ácido láctico (LA), ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA) y ácido acrílico (AA), los cuales se emplean como monómeros en la síntesis de diversos polímeros bio-basados y biodegradables, como poliésteres, poliamidas, poliuretanos, resinas termoestables, entre otros.^14,15

Entre estos monómeros, los derivados del furano, en particular el FDCA, destacan por su potencial como materia prima en la producción de polímeros. A partir de este compuesto se puede obtener el poli(etileno-2,5-furanoato) (PEF), el cual se considera una alternativa bio-basada al polietilentereftalato (PET) debido a sus propiedades mecánicas y de barrera mejoradas, además de su menor impacto ambiental.^16,17 Asimismo, el ácido láctico puede ser utilizado en la síntesis de poli(lactida) (PLA), un polímero ampliamente empleado en aplicaciones biomédicas, envases biodegradables y textiles.^18,19

La conversión de la sacarosa en biopolímeros no solo contribuye a reducir la dependencia de los plásticos derivados del petróleo, sino que también fomenta el uso de recursos renovables en la industria de materiales. Esto abre nuevas oportunidades para el desarrollo de una economía circular y sostenible, donde los residuos de la industria azucarera puedan ser aprovechados para la producción de materiales avanzados, promoviendo así un enfoque más ecológico en la fabricación de plásticos y otros productos químicos.

Referencias

1. Eggleston, G., History of Sugar and Sweeteners, Chemistry’s Role in Food Production and Sustainability: Past and Present, American Chemical Society, pp 63-74, (2019).
2. Nastari, P. M., The role of sugar cane in Brazil̕ s history and economy Retrospective Theses and Dissertations Iowa State University, (1983).
3. Muhammad K. G., The sugar that saturates the American diet has a barbaric history as the ‘white gold’ that fueled slavery, The New York Times, (2019).
4. Carvallo, P. et al. Efectos Metabólicos del Consumo Excesivo de Fructosa Añadida, International Journal of Morphology, 37(3) 1058-1066, (2019).
5. Esquivel-Solís, V. Gómez-Salas, V. Implicaciones metabólicas del consumo excesivo de fructosa, Acta Médica Costarricense, 49(4) 198-202, (2007).
6. Martínez Carrillo, B.E., et al. Efectos sistémicos del consumo de sacarosa y su asociación con la respuesta inmunitaria, LATAM Revista Latinoamericana de Ciencias Sociales y Humanidades, 5(5) 1-15, (2024).
7. Jacques, A., Chaaya, N., Beecher, K., Ali, S.A., Belmer, A. y Bartlett,S., The impact of sugar consumption on stress driven, emotional and addictive behaviors, Neurosci Biobehav Rev, 103 Aug 178–199, (2019).
8. Goran,M.I., Plows, J.F., Ventura, E.E., Effects of consuming sugars and alternative sweeteners during pregnancy on maternal and child health: evidence for a secondhand sugar effect, Proceedings of the Nutrition Society, 78(3) 262–271, (2019).
9. Delgado Floody P., et al. Insatisfacción con la imagen corporal y su relación con el estado nutricional, Nutr Hosp, 34(5) 1044-1049, (2017).
10. Patelski, A. M., et, The Ethanol Production from Sugar Beet Pulp, Energies, 17(4) 809, (2024)
11. Cardona, C.A., Quintero, J.A., y Paz, I.C., Production of bioethanol from sugarcane bagasse: Status and perspectives, Bioresour Technol, 101(13) 4754–4766, (2010).
12. Hinková, A., Bubník, Z., Sugar beetas a raw material for bioethanol production, Czech J. Food Sci., 2001, 19(6), 224–234, (2001).
13. Tabah, B., et al., Study on fermentation kinetics for accelerated production of bioethanol from glucose, J Bioprocess Biotech,5(6) (2015).
14. Steinbach, D. Kruse, A., J. Sauer y Vetter, P., Sucrose is a promising feedstock for the synthesis of the platform chemical hydroximethylfurfural, Energies,11(3), 645 (2018).
15. Tomaszewska,J., et al., Products of sugar beet processing as raw materials for chemicals and biodegradable polymers, RSC Adv., 8(6) 3161–3177, (2018).
16. Gong,W.H., Biobased Terephthalic Acid en Industrial Arene Chemestry, John Wiley, pp 2037-2058, (2023).
17. Gandini, A, et al., The Furan Counterpart of Poly(ethylene terephthalate), J Polym Sci A Polym Chem, 47(1), 295-298 (2009).
18. De Luca, S., et al., Poly(lactic acid) and its blends for packaging application: a review., Clean Technol, 5(4), 1304-1343, (2023).
19. SinghviM.S., Zinjarde, S.S., Gokhale D.V., Polylactic acid: synthesis and biomedical applications, J Appl Microbiol, 127(6), 1612-1626 (2019).