Nanotecnología en bodega: retos y oportunidades

La Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI) de los EEUU definió la nanotecnología como “la investigación y el desarrollo tecnológico a escala atómica, molecular o macromolecular que conduce a la creación y el uso controlados de estructuras, dispositivos y sistemas con una escala de longitud, normalmente inferior a 100 nanómetros (nM)”. Si pensamos que 1 nm es la longitud de la cadena de 5-10 átomos, un virus tiene un diámetro de entre 25 y 400 nm, y un cabello humano tiene un diámetro de 80.000 nm, podemos darnos cuenta de lo que esta escala de trabajo significa.  Precisamente, el pequeñísimo tamaño de estas partículas hace que tengan propiedades físicas y químicas diferentes en comparación con las mismas sustancias a escala normal, como el aumento de la reactividad química debido a una mayor superficie, mayor capacidad de penetración, etc.

En todos los sectores

Estas diferentes propiedades hacen que la nanotecnología represente un territorio de convergencia, con claro carácter multidisciplinar y prácticamente no hay sectores productivos que se queden fuera de su envite, con el consiguiente impacto económico (Serena, 2010). La primera aplicación obvia con la que ya convivimos desde lejos es la de la informática y las comunicaciones. En la industria textil y en la del deporte, las nanopartículas de diverso tipo se usan desde hace tiempo, tanto como bactericidas en marca de ropa deportiva, y también se consigue impermeabilizar tejidos usando nanopartículas hidrofóbicas mediante spray o el refuerzo de material para raquetas y la suela de zapatillas deportivas. En el sector de la construcción se emplean nanopartículas de óxido de titanio que, por su efecto catalítico, permiten que los exteriores de los edificios se mantengan limpios. En lo que se refiere a productos para personas, la nanotecnología lleva años en el campo de la cosmética: en 1998 se lanzó al mercado un producto que contenía nanosomas que liberaban pro-retinol A, hoy la tenemos en cremas de protección solar y otros productos de belleza. En medicina, las aplicaciones son múltiples: apósitos, material quirúrgico con propiedades bactericidas y de absorción mejoradas, nanobiosensores y nanoarrays para el diagnóstico, y aplicaciones en la liberación de fármacos y principios activos, que permiten resolver algunos problemas que los fármacos convencionales no consiguen solucionar. Además, otra revolución ha llegado en los últimos años la aplicación de nanopartículas funcionalizadas que reconocen de forma específica las células tumorales.

Pero, sin duda, uno de los campos donde esta tecnología está teniendo más impacto es el de la alimentación. La aplicación de la nanotecnología en la agricultura y en la industria alimentaria, se trató por primera vez en el Departamento de Agricultura de EEUU (USDA) en septiembre de 2003. En la actualidad, se considera que ya hay más de 1.000 productos alimentarios comerciales que cuentan con componentes nanoestructurados de algún tipo. Esta tecnología permite la gestión de los ingredientes de los alimentos a nivel molecular, y en el futuro tendrá un impacto sustancial en el tratamiento de las propiedades mecánicas y sensoriales de los alimentos y/o los piensos -por ejemplo, para lograr un cambio de sabor o textura- y la modificación del valor nutritivo, lo que puede ofrecer beneficios tanto para la industria como para el consumidor. La nanotecnología también puede utilizarse en el envasado de alimentos, por ejemplo, para garantizar una mejor protección o para detectar el grado de frescura de un alimento.

Aplicación en enología

Las ventajas que presentan los nanomateriales les ha convertido en una herramienta de interés para su utilización en los procesos de la industria del vino con diferentes propósitos, desde la preparación de la materia prima, fermentación del mosto, elaboración de caldos y el seguimiento de la conservación, incluyendo el control de calidad del producto y del proceso, y pasando por asegurar la seguridad del producto final. Las nanopartículas (NPs)  se clasifican generalmente en orgánicas e inorgánicas. Las primeras incorporan carbono, mientras que las segundas incluyen componentes metálicos (Ag, Au, Cu), magnéticos (Co, Fe, Ni), y/o semiconductores (ZnO, ZnS, CdS).  En los últimos años, con el desarrollo de la nanotecnología y la biotecnología, se han testado y validado diferentes materiales nanoestructurados de acuerdo con sus propiedades particulares para facilitar y mejorar el análisis químico del vino. Una de las aplicaciones más exploradas de las nanopartículas en enología es como componentes de sensores y biosensores para el análisis de polifenoles y otros metabolitos de interés, como ácido láctico, glicerol o la detección más sensible y selectiva de componentes indeseables, como ocratoxina A y aminas biógenas, en concreto histamina (Monge y Moreno-Arribas, 2016; Morata et al., 2016). 

Otra de las aplicaciones sobre las que más se ha trabajado son los sensores basados en una “nariz electrónica” que se han aplicado a la monitorización in situ, en tiempo real, de la vinificación y/o a la diferenciación de vinos varietales elaborados en diferentes condiciones tecnológicas y de mezclas de caldos con dos variedades en proporciones diferentes. Además, los biosensores amperométricos se desarrollan para monitorear en tiempo real la fermentación alcohólica y la fermentación maloláctica en los vinos. Con nuevos enfoques, ya están marcha proyectos que consideran la detección de múltiples analitos mediante la integración de varios nanomateriales en ‘micro-nano sistemas’ o chips, que permitirán la detección simultánea y precisa de varios componentes del vino y/o la inmovilización de enzimas (como tirosinasa, lacasa, …), tanto para el desarrollo analítico como a nivel sensorial, o para la monitorización y mejora de los procesos fermentativos. Otra inter

esante aplicación de los nanomateriales en enología deriva de sus ventajas para el tratamiento de aguas residuales de bodega, así como su uso como agentes de encapsulación con múltiples utilidades, especialmente para la nanoencapsulación de aromas. Como propuesta experimental, la compañía NextNature ha desarrollado un caldo programable, llamado “vino nano”, por medio de interacciones electrostáticas establecidas entre las nanopartículas y células de levadura. Este producto es de la variedad Merlot que se mezcla con millones de sabores que contienen nanocápsulas. Cuando se exponen a microondas estas cápsulas liberan su sabor de una manera diferente dependiendo de la potencia y la duración de la exposición. Por lo tanto, parece posible crear un tipo de vino con notas de vainilla, trufa, madera o pimienta (NanoWine, 2015).

El uso de materiales biocompatibles, como quitosano y el tripéptido glutatión, como método de inmovilización y/o para la estabilización/recubrimiento en los nanomateriales, está siendo considerado en diferentes estudios (Monge y Moreno-Arribas, 2016). Además, se han desarrollado sensores para imitar las sensaciones de astringencia producidas en la boca (Siem, 2014). El sensor utiliza proteínas salivales para medir la interacción entre ellas y ciertas moléculas como los polifenoles. La evaluación tradicional de la astringencia y la sequedad depende de la evaluación de un panel sensorial y es sensible a la inexactitud humana. El sensor es una pequeña placa cubierta con nanopartículas de oro. Estas nanopartículas (AuNPs) trabajan como zooms nanoópticos enfocando un rayo de luz, midiendo interacciones en la nanoescala (20 nm) entre los fenoles y las proteínas.

Con el rápido desarrollo de la nanotecnología, las nanopartículas han mostrado usos interesantes en el campo de la biotecnología, incluyendo los microorganismos del vino, entre las que destaca el desarrollo de nanomateriales relacionados con la inmovilización o vectorización de levaduras y, más recientemente, su potencial uso como antimicrobianos. La eficacia de los nanopartículas de plata biocompatibles estabilizadas con polietilenglicol y glutatión se ha estudiado en el vino frente a diferentes especies de bacterias lácticas y acéticas (García-Ruiz et al., 2015), comprobándose su utilidad para monitorizar el desarrollo de la fermentación maloláctica y el control de Brettanomyces (Gil-Sánchez et al., 2019), lo que permite reducir la dosis de dióxido de azufre en la vinificación de caldos. Estos autores indican que las nanopartículas de plata (AgNPs) pueden ejercer un nivel similar de control sobre las poblaciones microbianas en el mosto y el vino que el dióxido de azufre, aunque sin mostrar la actividad antioxidante.

También se ha propuesto como una alternativa a los sulfitos el empleo de un complejo caolín-plata como antimicrobiano en vinos (Izquierdo-Cañas et al., 2012; Garde-Cerdán et al., 2014), mostrando una baja toxicidad frente a la  levadura Saccharomyces cerevisiae.

Con el imparable aumento de la nanotecnología y su enorme potencial para mejorar nuestro bienestar, han surgido nuevas perspectivas ligadas a los riesgos y el impacto de los nanomateriales sobre el ser humano y el medioambiente, avivando el debate social sobre sus usos (Serena y Bermejo, 2017). La FDA ha publicado una guía para el uso de esta tecnología en alimentos o materiales en contacto con ellos. En noviembre de 2015 se aprobó el Reglamento (UE) 2015/2283 del Parlamento Europeo y del Consejo Europeo sobre nuevos alimentos (EFSA, 2016, 2018). En este reglamento aparece la definición de “nanomaterial artificial” para incluir dentro de esta nueva categoría (“alimentos nuevos”) todos aquellos productos que consistan o contengan nanomateriales artificiales. En España, la Red Nacional de Nanotecnología Alimentaria (Food)E^-9, de la que forma parte AESAN (Agencia Española de Seguridad Alimentaria y Nutrición), reúne a diferentes expertos con el objetivo de fortalecer las capacidades y los recursos disponibles desde un punto de vista integral que incluye tanto las aplicaciones de la nanotecnología en los alimentos como los aspectos legales, analíticos, ambientales y toxicológicos derivados de su uso.  Teniendo en cuenta que todavía existe una barrera normativa en relación a la definición de los productos de la nanotecnología y especialmente en lo referido al etiquetado del alimento/bebida, otro de los desafíos en la actualidad pasa por estudios que garanticen la inocuidad y seguridad alimentaria de estos nanomateriales y su adecuación a las exigencias del mercado.

Agradecimientos:

Proyectos AGL2015-64522-C2-R-01 y PID2019-108851RB-C21  (Ministerio de Ciencia e Innovación) y ALIBIRD-CM 2020 P2018/BAA-4343 (Comunidad de Madrid).

Bibliografía:

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Garde-Cerdán, T., Lopez, R., Garijo Jimenez, M.P., Gonzalez Arenzana, L., Gutierrez Viguera, A.R., Lopez Alfaro, I., Santamaria Aquilue, M.P.  Application of colloidal silver versus sulfur dioxide during vinification and storage of Tempranillo red wines. Austr. J. Grape Wine Res. 2014, 20, 51–61.

Gil-Sánchez, I.; Monge, M.; Miralles, B.; Armentia, G.; Cueva, C.; Crespo, J.; López de Luzuriaga, J.M.M.; Olmos, E.; Bartolomé, B.; González de Llano, D.; Moreno-Arribas, M.V. Some new findings on the potential use of biocompatible silver nanoparticles in winemaking. Innov Food Sci Emerg Technol 2019, 51, 64-72

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Serena, P. La nanotecnología. Colección ¿Qué sabemos de?. Catarata y CSIC Eds. ISBN: 9788483195345, 2010, 134 pp

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