Microencapsulación en ciencia y biotecnología de los alimentos

Beatriz Riverón, Bioquímica farmacéutica, explica qué es y el uso de la microencapsulación en alimentos, control de biofilms o la liberación de fertilizantes.  

¿Qué es la microencapsulación?

La microencapsulación se define como la tecnología de envasado en un recubrimiento (1–1000 μm) de partículas sólidas, líquidas o gaseosas formando microcápsulas selladas y diminutas donde sus contenidos, como ingredientes funcionales, por ejemplo, vitaminas, antimicrobianos, antioxidantes, colorantes, conservantes y una amplia gama de bioproductos, incluidos productos farmacéuticos, cosméticos y alimentos, se liberan a tasas controladas bajo la influencia de determinados estímulos. Un gran desafío para las industrias ha sido mantener la estabilidad de estos ingredientes bajo las condiciones deseadas mejorando y controlando su liberación. Así, la microencapsulación puede ser una tecnología con gran potencial en este sentido, llevando el ingrediente activo al sitio de acción deseado, controlando su liberación y protegiéndolo de la degradación química o biológica durante su procesamiento, almacenamiento y/o uso. La elección del agente encapsulante depende de una serie de factores, entre ellos la no reactividad con el material a encapsular, el proceso utilizado y el mecanismo de liberación óptima. El tamaño y la forma de las microcápsulas puede variar según el método y el agente de protección utilizado.  En general, la elección del método dependerá de los tamaños de las partículas a ser encapsuladas, sus propiedades fisicoquímicas y su solubilidad. Las sustancias de encapsulación incluyen soluciones simples, coloides de asociaciones con emulsiones y matrices de biopolímeros. Se puede diferenciar entre cápsulas mononucleares, que tienen un núcleo envuelto por una cubierta, y agregados, que tienen muchos núcleos incrustados en una matriz, generalmente de polímeros. El desarrollo de un sistema de encapsulación exitoso para una aplicación objetivo se basa en un buen conocimiento sobre la estabilidad del componente (biomolécula) elegido.  

La microencapsulación en alimentación

La microencapsulación en la industria alimentaria se ha mostrado una alternativa viable para resolver las dificultades sobre la incorporación de algunos ingredientes y aditivos en alimentos para el desarrollo de productos fortificados con propiedades funcionales, inserción de microorganismos probióticos, mejora de características sensoriales del alimento y garantía de la seguridad alimentaria. El desarrollo de nuevos productos alimenticios se ha vuelto cada vez más desafiante, ya que busca satisfacer la demanda de productos atractivos y saludables por parte de los consumidores. Por lo tanto, las personas que aspiran a un estilo de vida saludable encuentran en la comida un acto placentero y al mismo tiempo tiene como objetivo la salud y el bienestar. La microencapsulación tiene amplia aplicación en la industria de alimentos humanos y animales, ya que además de conservar algunos componentes nutricionales, reduce la reactividad con el medio ambiente, reduce la tasa de evaporación o transferencia al medio ambiente, facilita la manipulación y promueve la liberación controlada. Puede representar un excelente ejemplo de microtecnologías aplicadas a la ciencia y biotecnología de los alimentos, pudiéndose aplicar con éxito para atrapar compuestos naturales, como aceites esenciales o extractos vegetales que contienen polifenoles con conocidas propiedades antimicrobianas para la preservación de alimentos envasados. Por ejemplo, la microencapsulación se puede utilizar para atrapar o encerrar microorganismos segregándolos del entorno externo con una capa de hidrocoloides, de modo que las células se liberen en el compartimento intestinal adecuado en el momento preciso, conservando las bacterias probióticas del ácido láctico en los alimentos, así como durante su paso por el tracto gastrointestinal.  

Ejemplos de compuestos bioactivos tratados por microencapsulación

Microcápsulas Las microcápsulas pueden estar constituidas de polímeros sintéticos o biopolímeros naturales, como proteínas y polisacáridos, y han encontrado aplicaciones en alimentos, administración de medicamentos y cosméticos. Estudios mostraron la efectividad de la síntesis ultrasónica de microcápsulas utilizando nanopartículas de glucógeno no modificadas (naturales) y biodegradables derivadas de diversas fuentes, como hígado de conejo y bovino, ostra y maíz dulce, para la encapsulación de aceite de soja y vitamina. Los glucógenos nativos formaron microcápsulas con un diámetro entre 0,3 μm y 8 μm. Se encontró que el tamaño del glucógeno, así como el componente proteico, juegan un papel importante en la estabilización de la cubierta de las microcápsulas. Estos estudios destacaron que las nanopartículas de glucógeno nativas pueden utilizarse con éxito para la encapsulación de nutrientes sin ningún otro paso tedioso de modificación química. Antocianinas Las antocianinas, una clase de flavonoides de pigmentos solubles en agua, poseen varias actividades biológicas, que incluyen antioxidantes, antiinflamatorias y anticancerígenas. Sin embargo, son altamente susceptibles a la degradación en condiciones de alto pH, luz, calor y oxígeno durante el procesamiento y las técnicas de microencapsulación convencionales no logran proporcionar estabilidad a las antocianinas en ambientes fisiológicos principalmente debido a su gran tamaño de partícula. La nanotecnología proporciona estrategias novedosas para preparar nanoformulaciones para mejorar la estabilidad fisicoquímica de las antocianinas. La nanoemulsión y el nanoliposoma son los dos nanosistemas más utilizados en los campos farmacéutico y alimentario mejorando la estabilidad, la biodisponibilidad y la bioactividad de estos biocompuestos. Probióticos Es posible que los beneficios potenciales para la salud de los probióticos no tengan lugar debido a la reducción sustancial de su viabilidad durante el almacenamiento de alimentos y el tránsito. La microencapsulación se puede utilizar para mejorar la resistencia de los probióticos a condiciones desfavorables. Se ha desarrollado una variedad de sistemas de administración oral para aumentar el nivel de probióticos que llegan al colon, incluidos los sistemas de inclusión y recubrimiento. Se requieren tecnologías de encapsulación para mantener la viabilidad de los probióticos durante el almacenamiento y dentro del intestino humano para aumentar su capacidad de colonizar el colon. Estas tecnologías funcionan protegiendo a los probióticos de las duras condiciones ambientales, además de aumentar sus propiedades mucoadhesivas. Por lo general, los probióticos están integrados en el interior o recubiertos con materiales aptos para uso alimentario, como biopolímeros o lípidos. En algunos casos, se pueden coencapsular componentes adicionales para mejorar su viabilidad, como nutrientes o agentes protectores. Productos lácteos fermentados La popularidad y el consumo de productos lácteos fermentados están en auge. Por otro lado, los consumidores están interesados en alimentos funcionales y que promuevan la salud. Los productos lácteos fermentados son una excelente matriz para la incorporación de ingredientes bioactivos, convirtiéndolos en alimentos funcionales. Para superar la inestabilidad o la baja solubilidad de muchos ingredientes bioactivos en diversas condiciones ambientales, se desarrolló el enfoque de encapsulación llevando a la fortificación de productos lácteos fermentados, es decir, yogur, queso y kéfir con ingredientes bioactivos. Los materiales encapsulantes que se utilizan en estos casos pueden ser carotenoides, compuestos fenólicos, omega-3, probióticos y otros micronutrientes, mejorando las propiedades de los ingredientes bioactivos y las propiedades sensoriales y de textura de los productos lácteos fermentados. Compuestos bioactivos Los problemas de salud son una preocupación emergente para la población mundial y, por lo tanto, la industria alimentaria está buscando nuevos productos alimenticios que contengan compuestos bioactivos que promuevan la salud, con pocos o ningún ingrediente sintético. Sin embargo, existen algunos desafíos en el desarrollo de alimentos funcionales, particularmente en los que está involucrado el uso directo de algunos Pueden presentar problemas de inestabilidad, reaccionar con otros ingredientes de la matriz alimentaria o presentar olores y/o sabores fuertes. En este contexto, la microencapsulación surge como un enfoque potencial para superar estos problemas y, además, para proporcionar una entrega o liberación controlada o dirigida. Hace mucho tiempo que las tendencias de consumo de alimentos han pasado de exigir bajo tenor de calorías y nutrientes esenciales para apoyar las funciones básicas del organismo humano, y a exigir un suministro de nutrición equilibrado para lograr una salud óptima. Las vitaminas juegan un papel vital en la salud humana, pero a menudo se pierden o destruyen durante el procesamiento de los alimentos antes de que lleguen a los consumidores, ya que son muy propensas a la degradación por factores ambientales. La tecnología de microencapsulación es una tecnología que tiene como objetivo proteger los compuestos sensibles de las influencias ambientales. Es ampliamente utilizado en las industrias farmacéutica y cosmética, pero su aplicación en la producción de alimentos es escasa. Para desarrollar microcápsulas de vitaminas adecuadas que sean estables en el procesamiento, digeribles y seguras para el consumo, se recomiendan más estudios que se centren en la búsqueda y el desarrollo de materiales de pared, a base de carbohidratos o proteínas porosos y termoestables, derivados de ingredientes alimentarios naturales. El desarrollo de alimentos funcionales mediante la adición de compuestos bioactivos presenta muchos desafíos tecnológicos. La microencapsulación es una herramienta útil para mejorar la entrega de compuestos bioactivos en los alimentos, particularmente probióticos, minerales, vitaminas, fitoesteroles, luteína, ácidos grasos, licopeno y antioxidantes. Se han desarrollado varias tecnologías de microencapsulación para su uso en la industria alimentaria y son prometedoras para la producción de alimentos funcionales. Además, estas tecnologías podrían promover la entrega exitosa de ingredientes bioactivos al tracto gastrointestinal. Es probable que la investigación futura se centre en los aspectos de la administración y el uso potencial de metodologías de microencapsulación, donde se pueden combinar dos o más ingredientes bioactivos para tener un efecto sinérgico. Agricultura sostenible Desarrollar diferentes caminos para lograr una agricultura sostenible ya no es una opción; es una necesidad Los materiales EEF (fertilizantes de eficiencia mejorada) son alternativas para mejorar la eficacia de los agroquímicos en el suelo y la planta, reduciendo el desperdicio y la contaminación ambiental. El uso de biofertilizantes, incluidos los agentes de biocontrol como Pseudomonas y Bacillus en la agricultura, puede aumentar las características favorables del suelo y la adquisición de nutrientes por parte de las plantas y mejorar la eficiencia del estiércol y los fertilizantes minerales. A pesar de los problemas que tienen las formulaciones líquidas y sólidas para mantener la viabilidad de los agentes microbianos, la encapsulación puede mejorar su aplicación con una vida útil prolongada y una liberación controlada de las formulaciones. La investigación de nuevos métodos de formulación, especialmente las técnicas de encapsulación, ha aumentado en los últimos años debido a la creciente demanda de control biológico microbiano. La aplicación de materiales poliméricos en la agricultura se ha desarrollado recientemente como reemplazo de los materiales tradicionales y se considera una mejora en los procesos tecnológicos en el desarrollo de cultivos. Los fertilizantes de eficiencia mejorada (EEF) son un tema importante para los materiales sostenibles. Es fundamental que el nutriente liberado y la biodegradación en el suelo tengan sinergia para asegurar la inocuidad del material. El quitosano, la montmorillonita y el KNO₃ se consideraron para desarrollar el EEF debido al alto potencial de biodegradación del producto final. Fue correlacionada la biodegradabilidad y liberación del material en agua y suelo con su formulación. Se observó que los materiales son biodegradables ya que la eficiencia de biodegradación alcanzó más del 30 %. Como la difusión de nutrientes y la degradación de la matriz ocurren concomitantemente, también se verificó que la arcilla retrasa la degradación y el KNO₃ la mejora. Asimismo, el período de almacenamiento puede cambiar las propiedades de biodegradabilidad una vez que el material comenzó a degradarse. En ese momento, la cantidad de nutrientes entregados coincidirá con la cantidad consumida por la planta, la matriz se degradará y no quedará ningún residuo en el suelo. También fue evaluada la liberación de nutrientes en medio acuoso de dispersiones de micronutrientes como hierro, cobre y manganeso. Biofilm microbiano El desarrollo de estrategias potentes para contrarrestar el biofilm microbiano es una prioridad urgente. La mayoría de las infecciones bacterianas en humanos están relacionadas con biopelículas, sin embargo, aún faltan tratamientos efectivos, especialmente para combatir las cepas multirresistentes. Científicos propusieron una plataforma antibiopelícula eficaz basada en el uso de polímeros antimicrobianos sintéticos en combinación con aceites esenciales, donde los polímeros antimicrobianos desempeñan un papel secundario como vehículo de entrega de aceites esenciales. Se sintetizaron dos polímeros antimicrobianos ternarios que consisten en aminas primarias catiónicas, oligo(etilenglicol) de bajo ensuciamiento y grupos etilhexilo hidrofóbicos en forma de copolímeros aleatorios y de bloque, y se mezclaron con carvacrol o eugenol. La coadministración de estos compuestos mejoró la eficacia contra las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa en comparación con los compuestos individuales. Esta actividad bactericida sinérgica se atribuye a la entrega dirigida de aceites esenciales a la biopelícula, impulsada por la interacción electrostática entre vehículos de entrega con carga positiva, en forma de micelas poliméricas, y bacterias con carga negativa. Por lo tanto, se destacó la ventaja de combinar aceites esenciales y polímeros antimicrobianos como una vía eficaz para las aplicaciones antibacterianas. Salud Las células de mamíferos se han microencapsulado en polímeros naturales y sintéticos durante más de medio siglo. Específicamente, en los últimos 36 años, las células microencapsuladas se han utilizado terapéuticamente para administrar una amplia gama de fármacos, citocinas, factores de crecimiento y hormonas mientras disfrutan del inmunoaislamiento proporcionado por el material encapsulante. Además. de prevenir el ataque inmunológico, la microencapsulación previene la migración de células atrapadas. Las células se pueden microencapsular en una variedad de geometrías, siendo las más comunes las microesferas sólidas y las microcápsulas huecas. La escala micrométrica permite la administración por inyección y se encuentra dentro de los límites de difusión que permiten que las células proporcionen los factores necesarios que faltan en un sitio objetivo, al mismo tiempo que permite el intercambio de nutrientes y productos. La mayor parte de la microencapsulación celular se realiza con microesferas de alginato/poli-L-lisina. Dado que el alginato en sí mismo puede ser inmunogénico, para las aplicaciones de terapia basada en células, varios grupos están investigando polímeros sintéticos para microencapsular células como el diacrilato de poli(etilenglicol) (PEGDA).   Fuentes de Souza Sobrinho, E. C.; Faria, M. C. (2012). A microencapsulação na indústria alimentícia. 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