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Microencapsulación de compuestos activos funcionales

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Para fabricar ingredientes funcionales es preciso el desarrollo de tecnologías de producción, extracción y purificación compatibles con la aplicación del producto en la industria alimentaria, y escalables tanto desde el punto de vista técnico como económico. Sin embargo, para que la industria pueda transferir sus productos al mercado, es fundamental que se logre la conservación y estabilización de estas moléculas para mantener intactas sus funcionalidades a largo del tiempo y durante los procesos de transformación que puedan sufrir los alimentos. Una de las tecnologías más prometedoras en este campo es la encapsulación

Las tendencias del consumo alimentario están centradas en una demanda creciente de productos naturales, frescos, de conveniencia y saludables. La salud se ha erigido como uno de los principales drivers de consumo, por lo que a pesar de la situación de crisis económica internacional se ha producido un aumento de la demanda de alimentos funcionales. Esto ha favorecido de forma considerable el avance en los desarrollos basados en la encapsulación.
La microencapsulación puede definirse como el proceso de recubrimiento de un compuesto de interés o sustancia activa, mediante uno o varios materiales, obteniendo  sistemas particulados que pueden liberar gradualmente su contendido.  Las partículas resultantes, en base a su morfología y estructura interna, pueden denominarse micropartículas, microesferas o microcápsulas. Si las partículas tienen un tamaño inferior a los 100 nanómetros, éstas se denominan nanopartículas, nanocápsulas o nanoesfereas.  Aunque la microencapsulación es una técnica ampliamente utilizada por la industria farmacéutica para la obtención de sistemas de liberación de fármacos, su aplicación no se limita únicamente al campo de los medicamentos sino que se extiende a campos tan diversos como la agricultura, la cosmética y la alimentación.  Así, a día de hoy, en el ámbito alimentario la encapsulación se aplica para estabilizar y/o proteger numerosos ingredientes o sustancias activas (colorantes, aromas, microorganismos, antioxidantes, antimicrobianos o nutrientes) frente a la oxidación, fotosensibilidad, volatilidad o la reacción con otros compuestos presentes en el alimento; para mejorar su dosificación; enmascarar sabores y olores desagradables de algunos compuestos; controlar la liberación de sustancias activas a una velocidad o localización determinada, y para mejorar la biodisponibilidad de determinados nutrientes. Por lo tanto, esta tecnología es una herramienta muy interesante y competitiva para la industria alimentaria, y más en concreto para los fabricantes de productos alimenticios intermedios, ya que permite dar valor añadido a sus productos aportando mejores características sensoriales, funcionales y nutricionales.

Diseño de micropartículas en el ámbito alimentario

Existen diferentes elementos que hay que tener en cuenta en el diseño de microparticulas. Lo primero que nos deberíamos preguntar es: ¿qué ventajas aporta?, ¿existen otras vías menos complejas y economicamente más rentables?, ¿nuestro producto va a poder soportar el aumento de los costes de producción? Por ejemplo, si la finalidad es mejorar la incorporación del compuesto en una matriz acuosa, puede que existan alternativas menos costosas para mejorar la solubilización del compuesto que no requieran la encapsulación del mismo. Una vez evaluados todos los factores anteriores, y si se estima necesario encapsular, hay que seleccionar el proceso más adecuado que permita la consecución de nuestros objetivos y se adecúe a los requerimientos específicos de nuestro compuesto o ingrediente a encapsular. Si bien es cierto que gran parte de la tecnología desarrollada en la industria farmacéutica sería aplicable en el campo de la alimentación, no puede realizarse una transferencia directa de los procesos desarrollados en el ámbito farmacéutico.  Esto se debe a que son industrias muy diferentes en aspectos fundamentales como los costes y volúmenes de producción (lo que afecta a la selección de la tecnología), la reglamentación a aplicar (que limita el uso de ciertos materiales de recubrimiento y otros posibles compuestos necesarios durante el proceso), la matriz donde se vayan a incorporar las partículas (en este caso alimenticia, en la que habría que tener en cuenta la acidez del alimento, las interacciones con otros ingredientes, oxigeno, temperatura, humedad), los procesos tecnológicos que va a sufrir durante su procesado (temperatura, presión) y las diferentes condiciones de almacenamiento (vida útil, temperatura).  Todos estos factores influirán directamente en las propiedades y estabilidad de las encapsulaciones. Además de estos aspectos generales, existen otros factores más especificos que hay que definir para el correcto diseño del proceso de encapsulación: -Condiciones del proceso de encapsulación adaptadas para cada compuesto activo o ingrediente. Así, cada compuesto o microorganismo (probioticos, por ejemplo) tiene unos requisitos especificos de temperatura, pH, etc. que deben cumplirse. -Estado físico final (líquido o sólido) del compuesto activo o ingrediente encapsulado: el estado sólido ofrece mejor manejabilidad y almacenamiento, por ejemplo. -El tamaño de partícula pequeño y homogéneo presenta mejor estabilidad y un menor efecto en propiedades sensoriales, especialmente en textura, ya que particulas con un tamaño superior a las 30 micras son detectables en boca. – Solubilidad del compuesto activo o ingrediente en el medio de liberación (alimento y/o zona del organismo). – Métodos de liberación:  procesos físicos (fuerza mecánica, temperatura) o químicos (pH, enzimas). El desafío consiste en la selección de la tecnología y materiales más adecuados para responder a los factores anteriormente descritos que se consideren críticos en cada caso. A continuación se presenta una breve descripción de las tecnologías y materiales más relevantes para su aplicación en la encapsulación de ingredientes.

Tecnologías de  encapsulación

La selección de la tecnología de encapsulación se realizará en función de las propiedades del material a encapsular, del tamaño deseado de las micropartículas, de su aplicación y de los mecanismos de liberación, de sus costes y de su capacidad de producción a escala industrial. En lo relativo a la obtención de macropartículas existen varios métodos que pueden clasificarse atendiendo a la naturaleza del proceso: 1.- Procesos físicos: métodos de goteo (dropping), extrusión, pulverizado y atomización (spray drying), atomización en frío (spray chilling-cooling), lecho fluidizado, etc. 2.- Procesos físico-químicos: coacervación simple o compleja, atrapamiento por liposomas. 3.- Procesos químicos: polimerización interfacial e inclusión molecular con ciclodextrinas. Si bien existen multitud de desarrollos de micropartículas mediante los diferentes procesos mencionados, la adaptación de éstos a escala de industrial es un factor crítico en la selección de la tecnología de encapsulación, ya que no todos pueden soportar las producciones industriales necesarias para la industria alimentaria.  El método de atomización en caliente o secado por aspersión es el más utilizado en la industria de alimentos, debido a que es un proceso económico, flexible y produce partículas de buena calidad. La atomización es una tecnología de deshidratación que se utiliza para conseguir un producto en forma de polvo partiendo de una disolución. Durante el proceso, la disolución se pulveriza a una cámara donde en contacto con aire caliente se evapora el agua, y el sólido que contienen las gotas cae en forma de polvo.  Esta tecnología también es utilizada en procesos de encapsulación, como proceso de deshidratación de una solución que contiene el producto a encapsular.  Así, el proceso de secado por aspersión se utiliza como auxiliar para la recuperación de micropartículas producidas por otros procesos previos como los de coacervación o de emulsificación.  La selección de los materiales de encapsulación y su contenido en relación al compuesto activo, son factores críticos para la obtención, por atomización, de microparticulas con adecuadas propiedades de estabilidad y textura. Los almidones modificados, las maltodextrinas y las gomas son los polímeros más utilizados como material de recubrimiento.  La temperatura del proceso también es un punto crítico. Por un lado, porque determinará la humedad del producto final y, por lo tanto, su estabilidad a lo largo de la vida comercial del producto. Por el otro, porque algunos compuestos termosensibles o microorganismos, podrían verse afectados por la misma. Aunque los tiempos de exposición a altas temperaturas son muy cortos, dependiendo de la termosensibilidad del compuesto, éste puede llegar a degradarse o perder parte de su actividad. Para limitar el efecto de la temperatura, se necesitaría aumentar el contenido de material de recubrimiento, lo que resultaría en un aumento de los costes de producción.  La distribución del tamaño de las partículas obtenidas por este método es en general menor a 100 m, aunque depende de las condiciones del proceso.

Materiales para la  encapsulación

Independientemente de la tecnología de encapsulación seleccionada,  el primer paso para encapsular un ingrediente o compuesto activo es la selección de una matriz de encapsulación adecuada. La selección del material es un paso crítico en el desarrollo de los ingredientes microencapsulados, porque determina los criterios de estabilidad y liberación deseada.  Como se ha comentado anteriormente, el primer obstáculo que nos encontramos es la necesidad de utilizar materiales aptos para uso alimentario. Por esta razón, muchos de los sistemas de encapsulación desarrollados para su aplicación en alimentos están basados en compuestos naturales presentes en los propios alimentos. Entre los materiales de recubrimiento más utilizados están los polisacáridos, lípidos  y proteínas. Dentro de la amplia variedad de materiales de encapsulación es importante considerar las características de éstos en cuanto a flexibilidad, resistencia, permeabilidad, facilidad de aplicación y naturaleza hidrofóbica o hidrofílica, ya que todas ellas influirán en las características del producto final  y en la liberación del compuesto encapsulado.  Así, los polisacáridos y proteínas son materiales higroscópicos que aunque muestran buenas propiedades barrera frente a gases y lípidos, está característica se ve negativamente influenciada por la humedad relativa o por la actividad de agua del entorno.  Por otro lado, los materiales lipídicos, presentan excelentes propiedades barrera frente al vapor de agua, retardan la migración de gases y son relativamente estables frente a tratamientos térmicos moderados (compuestos con alto punto de fusión). Sin embargo, al no tener  propiedades formadoras de film pueden formar estructuras frágiles.  Considerando el número de factores de deterioro que ocurren durante el procesado, almacenamiento y aplicación final de las microcápsulas, el desarrollo de partículas con varios materiales de recubrimiento que posean diferentes propiedades barrera parece ser el camino más prometedor para la obtención de microcapsulas más estables y resistentes.

Una visión de futuro: los ingredientes  nanoencapsulados


Durante los últimos años se ha suscitado un gran interés por el desarrollo de nanoparticulas con el objetivo de mejorar las funcionalidades de las microparticulas. Esta expectación por las nanopartículas viene dada porque, debido a su tamaño nanométrico, se les atribuyen mejores propiedades como una mayor biodisponibilidad debido a su capacidad de penetración en tejidos y capilares, aumento de los tiempos de residencia en el tracto gastrointestinal, o un menor efecto en la viscosidad del producto final, lo que facilita su incorporación y la utilización de menor contenido de material para la consecución del mismo efecto o mayor. Sin embargo, existe una gran controversia en torno a la posible toxicidad de las nanopartículas. Todas sus potenciales ventajas anteriormente citadas entran en conflicto con la posibilidad de que generen cierto grado de toxicidad en el organismo. El grado y los lugares de penetración de las nanopartículas en el organismo, y la posible acumulación y traslocación de las mismas en el organismo, podrían constituir un riesgo potencial para la salud. Por ello se hace necesario una evaluación exhaustiva de los riesgos antes de su aplicación comercial, en particular, en aquellas que puedan contener compuestos inorgánicos. A día de hoy no existe una normativa común en lo referente a alimentos que incorporan nanocapsulas. En mayo de 2011, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria ha publicado la primera guía práctica para la evaluación de la aplicación de la nanotecnología en la alimentación humana y animal.  En Europa, los ingredientes nanoencapsulados y productos funcionales que incorporan nanocapsulas deben cumplir la reglamentación de “Novel Food”. Según esta reglamentación, un nuevo alimento es cualquier alimento o ingrediente alimentario que no haya sido utilizado de manera importante para el consumo humano en la Comunidad hasta el 15 de mayo de 1997. El Reglamento 285/97 del Parlamento Europeo y del Consejo, del 27 de enero de 1997, establece los procedimientos de autorización para los nuevos alimentos e ingredientes alimentarios.  De este modo, antes de que nuevos alimentos y nuevos ingredientes alimentarios se introduzcan en el mercado, debe quedar demostrada su inocuidad en los controles que efectúa la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria. Así, antes de su comercialización, el nuevo alimento (en este caso un ingrediente nanoencapsulado), debe someterse a un procedimiento de evaluación comunitario que puede dilatarse en el tiempo. A corto-medio plazo, las aplicaciones de la nanotecnología más prometedoras en el ámbito alimentario están relacionadas con el desarrollo de nuevos sistemas de envasado. Actualmente se está trabajando en la mejora de ciertas propiedades de los materiales como las propiedades barrera, o incluso en la incorporación de sensores en envases inteligentes que detecten el final de la vida útil de los alimentos envasados. En el caso de la nanoencapsulación de ingredientes, se requiere un marco temporal mayor para resolver las limitaciones actuales, aunque su potencial es enorme y puede tener un futuro prometedor.

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