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Artículo recibido 18 de agosto de 2023
Publicado 25 de septiembre de 2023
Diseño de sistemas de conservación de biomoléculas para favorecer la
innovación en la industria alimentaria
Vasile, Franco E.
1
; Mazzobre, María F.
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1
Instituto de Investigaciones en Procesos Tecnológicos Avanzados (INIPTA, CONICET -
UNCAUS) Universidad Nacional del Chaco Austral, Comandante Fernández 755, Presidencia
Roque Sáenz Peña 3700, Chaco, Argentina
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Instituto de Tecnología de Alimentos y Procesos Químicos ITAPROQ-CONICET
Departamento de Industrias, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos
Aires, Av. Intendente Güiraldes 2620, CABA 1428, Buenos Aires, Argentina
ORCID María Florencia Mazzobre 0000-0002-8165-4879 fmazzobre@yahoo.com.ar
ORCID Franco Emanuel Vasile 0000-0001-6769-3137 francovasile@uncaus.edu.ar
Resumen
La encapsulación de biomoléculas incluye diversas tecnologías que comenzaron a
estudiarse hace más de 50 años, y desde entonces, han experimentado un continuo
crecimiento en evidencia de su potencialidad, versatilidad y gama de aplicaciones.
Actualmente, la encapsulación desempeña un papel clave en la industria alimentaria,
contribuyendo al diseño y desarrollo de alimentos innovadores, con propiedades
especiales. Los desarrollos recientes en tecnologías de micro y nano encapsulación
resultan herramientas valiosas que permiten estabilizar componentes bioactivos
inestables, aumentar la eficacia y mejorar su entrega. Con este trabajo de revisión se
pretende visibilizar la potencialidad de la nano y microencapsulación como tecnologías
que impulsan la innovación en la industria alimentaria, y a su vez, como una alternativa
interesante para la valorización de subproductos agroindustriales y recursos regionales
escasamente industrializados.
Palabras clave: Encapsulación, nanotecnología, compuestos bioactivos, funcionalidad
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Abstract
Design of biomolecules preservation systems to promote innovation in the food industry
Encapsulation has been around for over 50 years and has experienced continuous
growth ever since, in evidence of its potential, versatility and range of applications.
Currently, it plays a key role the food industry, contributing to the design and
development of innovative food with special properties. Recent developments in micro-
and nano-encapsulation technologies are valuable tools that can be used to preserve
unstable bioactive components, increase efficacy, and improve the delivery. With this
review, we pretend to make visible the potential of nano and microencapsulation as
technologies that drive innovation in the food industry, and as interesting alternatives
for the valorization of agro-industrial co-products and minimally industrialized regional
resources.
Keywords: Encapsulation, nanotechnology, bioactive compounds, functionality
LA ENCAPSULACIÓN COMO HERRAMIENTA DE INNOVACIÓN
La encapsulación se ha descrito como un método por el cual una sustancia es
atrapada temporalmente dentro de un material inerte que forma una cubierta,
posibilitándose su liberación bajo condiciones específicas o controladas [1]. La
sustancia atrapada se denomina comúnmente agente activo, núcleo, relleno o fase
interna, mientras que el material circundante se designa como revestimiento, membrana,
cubierta externa, material de pared, material portador, fase externa o matriz [2].
Los principales objetivos de la encapsulación se pueden resumir de la siguiente
manera [3,4,5]
• Proteger el principio activo de la degradación producida por el medio ambiente
(calor, aire, luz, humedad, etc.)
• Modificar las características físicas del material original y facilitar su
manipulación. Por ejemplo, reducir la higroscopicidad, mejorar la fluidez, evitar
el apelmazamiento, distribuir el material uniformemente en una mezcla, convertir
materiales líquidos en polvo, entre otros.
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• Enmascarar sabores desagradables.
• Separar componentes para que no reaccionen entre sí.
• Liberación controlada de un principio activo en condiciones específicas (pH,
temperatura, etc.).
Los materiales encapsulantes más utilizados para proteger compuestos e
ingredientes bioactivos en la industria alimentaria y farmacéutica son las biomoléculas
(como proteínas, polisacáridos, gomas, azúcares simples, lípidos, celulosa, entre otros)
porque son abundantes en la naturaleza, no tóxicos y tienen baja alergenicidad. Estas
moléculas también se pueden combinar entre sí o con otros materiales o componentes
para mejorar sus capacidades individuales [6].
Distintos sistemas de encapsulación pueden obtenerse dependiendo del
procedimiento de encapsulación utilizado. Las tecnologías de encapsulación pueden
clasificarse en nano/micro encapsulación según la escala de tamaño de las partículas
resultantes. En cualquiera de los casos, se han descrito dos enfoques principales para la
obtención de las partículas; 1) el enfoque bottom up (que involucra mecanismos
específicos de autoensamblaje de moléculas en la nanoescala y están controlados por
fuerza iónica, pH y/o temperatura, entre otros parámetros), y 2) el enfoque top down
(que implica la aplicación de energía para disminuir el tamaño de las partículas, son en
general métodos mecánicos como la molienda, ultrasonido o la ultrahomogeneización).
La selección del proceso de encapsulación apropiado dependerá de múltiples
factores, como el tamaño de partícula requerido, las propiedades fisicoquímicas del
material de encapsulación y el compuesto activo, el propósito/aplicación del ingrediente
encapsulado, la liberación deseada y el costo [3, 7, 8]. Las estructuras resultantes han
demostrado gran potencial de aplicación en diversos sectores industriales, incluidas las
industrias alimentaria, farmacéutica, cosmética, química y electrónica [9]. En particular,
para la industria de los alimentos, la encapsulación constituye una herramienta útil en la
modulación de atributos sensoriales (por ejemplo, impartir o enmasacarar aromas,
colores y sabores), en la transformación de ingredientes (ej. de líquido a sólido para
facilitar su manejo), en el aumento de la vida útil, y en la protección y transporte de
nutrientes sensibles, con entrega efectiva en el organismo, entre otros, convirtiéndose de
este modo en una poderosa herramienta de innovación y diferenciación [10].
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ESTABILIDAD Y FUNCIONALIDAD DE COMPUESTOS BIOACTIVOS
Una sustancia bioactiva es un compuesto capaz de interactuar con uno o más
componentes de tejidos u órganos vivos responsables de importantes procesos
bioquímicos, lo que resulta en efectos fisiológicos beneficiosos sobre la salud y en
funciones corporales específicas. Compuestos como antioxidantes naturales, péptidos
bioactivos, ácidos grasos poliinsaturados (p. ej., omega-3), vitaminas y probióticos,
constituyen ejemplos frecuentes. La presencia de sustancias bioactivas, ya sea de forma
natural, o bien debido a una intervención tecnológica, hace que un alimento sea
funcional. El interés de los consumidores por productos alimenticios que promuevan
beneficios para la salud ha aumentado en forma conjunta con la necesidad de las
industrias alimentarias de mejorar su competitividad y desarrollar nuevos productos más
complejos, con mayor grado de elaboración y/o valor agregado. Todo esto ha motivado
la producción de alimentos especialmente diseñados para apoyar a la salud humana y la
prevención de enfermedades [11].
Sin embargo, la incorporación directa de estas sustancias presenta numerosos
desafíos. En la mayoría de los casos, tienen una baja estabilidad frente a varios factores
como oxígeno, luz, metales y otros componentes alimentarios, son insolubles o bien,
imparten atributos sensoriales indeseables afectando negativamente la apariencia, la
textura y/o el aroma del producto alimenticio [12]. Además, pueden interactuar con
otras sustancias en el tracto digestivo, pudiendo conducir a la degradación, mala
absorción, reducida bioaccesibilidad y biodisponibilidad de estos agentes activos [13].
Así, por ejemplo, Vasile y col. [14] propusieron la encapsulación de aceite de pescado
en cápsulas de polielectrolitos como estrategia para el enriquecimiento de productos
cárnicos (hamburguesas) con ácidos grasos poliinsaturados omega-3. Los encapsulados
contribuyeron a una mayor retención de la fracción lipídica de alto valor nutricional,
evidenciando una menor oxidación durante la cocción y la conservación a -18 °C. La
encapsulación de la enzimas (invertasa) empleando cápsulas de alginato de calcio se
estudió incorporando trehalosa y/o quitosano como material de pared. Las cápsulas
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liofilizadas conteniendo trehalosa y quitosano resultaron la mejor opción para estabilizar
la enzima tanto durante la deshidratación como durante el tratamiento térmico [15, 16].
Ante las dificultades que plantea la incorporación directa de sustancias
bioactivas, asegurar la protección de dichos compuestos hasta su correcta disposición
constituye un requisito clave en el diseño de alimentos funcionales. En este sentido, si
bien la encapsulación permite proteger a los compuestos bioactivos y/o ingredientes de
las condiciones ambientales y optimizar las propiedades fisicoquímicas (solubilidad,
emulsificación y estabilidad termofísicas) [17], debe garantizarse la entrega y liberación
de los compuestos transportados en condiciones controladas [18].
En este contexto, la evaluación de la digestión en condiciones simuladas,
constituye una valiosa herramienta para la estimación de los eventos pre-absortivos
(digestibilidad y bioaccesibilidad) de los ácidos grasos. Ortega y col. [19] demostraron
que el uso de encapsulados con matrices compuestas (alginato/goma) y recubrimiento
con quitosano, modula la liberación de ácidos grasos permitiendo un ajuste de la
velocidad de hidrólisis, lo cual podría tener implicancia directa sobre funciones
fisiológicas (ej. control de saciedad) útiles en el diseño de alimentos con propiedades
especiales. Lencina y col., [20] estudiaron la fortificación con hierro de calabazas listas
para consumir por impregnación al vacío en soluciones de beta-ciclodextrina (BCD).
Los resultados obtenidos mostraron que la encapsulación en ciclodextrinas mejoró la
estabilidad del Fe
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durante el procesamiento o almacenamiento, favoreciendo su
liberación durante la digestión “in vitro” de las calabazas. También se evidenció una
mejor percepción sensorial del producto fortificado con gluconato ferroso-BCD.
SUBPRODUCTOS AGROINDUSTIALES Y RECURSOS VEGETALES
AUTÓCTONOS COMO FUENTE DE COMPUESTOS BIOACTIVOS O
MATERIALES ENCAPSULANTES
La industria alimentaria es un importante consumidor de productos químicos
de diferente funcionalidad ya sea como ingredientes específicos o aditivos. Teniendo en
cuenta la preocupación actual en relación a la sostenibilidad en la producción de
alimentos y los problemas medioambientales, existe un interés creciente en el desarrollo
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de nuevos métodos de producción y en favorecer el aprovechamiento de subproductos o
fuentes vegetales locales como fuentes de compuesto bioactivos o aditivos [21, 22, 23].
A nivel global, los residuos vegetales agroindustriales constituyen un tercio de
los desechos alimentarios, comprendiendo a las pérdidas poscosecha y a los resultantes
de la actividad del procesamiento agrícola en general [24]. Pulpas, cáscaras, cortezas,
pieles, hojas, tallos y semillas contienen una enorme diversidad de metabolitos
secundarios entre los que se incluyen polifenoles, flavonoides, taninos, pigmentos,
ácidos orgánicos, vitaminas, fibras, pectinas y aceites esenciales, entre otros [25].
Muchas de estas sustancias son ampliamente reconocidas por su actividad antioxidante,
capacidad antimicrobiana o incluso antiinflamatoria, lo cual exige considerar su
potencial efecto benéfico en la salud (previenen el estrés oxidativo y diversas
enfermedades crónicas relacionadas), o bien, en sistemas alimentarios donde podrían
cumplir diversas funciones como aditivos conservantes/estabilizantes [26].
Por otro lado, la diversidad de especies vegetales disponibles en el país ofrece
la posibilidad de encontrar compuestos naturales con propiedades específicas,
beneficiosas para la salud y capaces de reemplazar ingredientes sintéticos actualmente
cuestionados por el consumidor o importados. El aprovechamiento sostenible de
recursos vegetales autóctonos/locales actualmente subutilizados, como fuentes de
ingredientes, nutrientes y compuestos fisiológicamente activos contribuye a la
generación de productos diferenciados con alto valor agregado [22, 27].
En términos generales, los tejidos vegetales constituyen materias primas
interesantes para la extracción, separación y estabilización por encapsulación de
compuestos fisiológicamente activos y/o tecnofuncionales. El aprovechamiento de
nuevas fuentes vegetales y/o subproductos reporta una oportunidad de agregado de
valor, posibilitando un uso sostenible de recursos biológicos renovables [28].
Tradicionalmente, el recupero de compuestos útiles a partir de materias
vegetales se ha llevado a cabo mediante separaciones sólido-líquido (ej. lixiviación,
maceración o percolación), con disolventes orgánicos no-polares (benceno, hexano y
éter de petróleo), o de polaridad intermedia (metanol, etanol, acetona) a temperaturas
y/o presiones elevadas [28]. En todos los casos, la obtención de compuestos puros
mediante técnicas convencionales es limitada debido a la persistencia de subproductos
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peligrosos y/o restos de solventes, lo cual hace que sean inadecuados para la industria
alimentaria o farmacéutica. Así mismo, la generación de efluentes tóxicos, volátiles e
inflamables, el significativo consumo de energía y el mayor tiempo de procesos
contribuyen a un inevitable impacto negativo en el entorno y en la salud de las personas
[29]. Por otro lado, estos métodos convencionales de extracción presentan en general
bajos rendimientos y tiempos de procesamiento prolongados [30].
Ante ello, se ha incorporado recientemente el concepto de extracción "verde o
no contaminante", en referencia a aquellos procesos viables, seguros y sostenibles con
menor demanda de energía que los convencionales [28], que satisfacen los requisitos de
seguridad, economía, productividad y calidad [31]. Entre estos se encuentran las
extracciones con fluidos supercríticos, campo eléctrico pulsado, microondas,
ultrasonido, enzimas y soluciones acuosas de ciclodextrina [32, 33]. En este contexto,
una nueva generación de solventes conocidos como solventes eutécticos profundos
(DES), incluidos los solventes eutécticos profundos naturales (NADES), se han
delineado como solventes sostenibles y seguros para reemplazar los solventes orgánicos
convencionales en la extracción de compuestos bioactivos debido a su excelente
biocompatibilidad y baja toxicidad que los hace adecuados para aplicaciones
farmacéuticas, cosméticas, agroquímicas y alimentarias. Se trata de mezclas formadas a
partir de compuestos aceptores y dadores de enlaces de hidrógeno, cuyas principales
características son poseer un punto de fusión inferior al de los componentes puros, una
muy baja volatilidad, ser biocompatibles, fáciles de preparar y no tóxicos entre otras
[34]. Entre las mezclas más ampliamente estudiadas para esta aplicación, se encuentran
las combinaciones de ácidos orgánicos y azúcares o cloruro de colina [35]. Los
denominados métodos verdes han ganado notable atención, en tanto la extracción de
compuestos bioactivos y/o tecnofuncionales a partir de residuos vegetales en cantidad y
calidad adecuadas, correcta biodisponibilidad y/o funcionalidad resulta actualmente de
gran interés para la industria alimentaria moderna.
Maraulo y col., [33], encontraron que el empleo de soluciones acuosas de BCD
en combinación con ultrasonido y agitación, resultó ser un método eficiente y no
contaminante para extraer y estabilizar mediante encapsulación/complejación,
compuestos bioactivos (antioxidantes) a partir de alperujo de oliva. La extracción de
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compuestos bioactivos constituye un aspecto decisivo para su posterior incorporación a
alimentos funcionales. En este contexto, la sostenibilidad de las tecnologías de
extracción surge como un aspecto fundamental ya que impacta en distintas dimensiones
como salud, ambiente y economía.
Por otro lado, como materiales de pared, revestimiento, cubierta o soporte se
emplean comúnmente biomoléculas de calidad alimentaria como proteínas y
polisacáridos (p. ej., gomas). En forma individual o en combinación, las biomoléculas
son materiales atractivos para formular sistemas complejos de encapsulación y
administración (por ejemplo, emulsiones, cápsulas y micelas). Los factores económicos,
tales como la disponibilidad y el costo, son primordiales en la selección del material
encapsulante. En este sentido, resulta interesante el aprovechamiento de vegetales
disponibles localmente para obtener nuevos hidrocoloides como alternativas a insumos
importados. Con este objetivo, Vasile y col. [36], propusieron el uso de la goma
exudada del algarrobo blanco (Neltuma alba) de la región NEA como material
encapsulante de compuestos hidrofóbicos. Se encontró además que este exudado
presenta propiedades funcionales comparables e incluso superiores a la goma arábiga,
de alto costo por ser un insumo importado [14, 36].
Muchas características de los encapsulados, como la eficiencia de atrapamiento
y estabilidad, son afectadas por el tipo de material de cubierta elegido. En este sentido,
los aspectos estructurales, fisicoquímicos y funcionales (propiedades interfaciales,
capacidad de gelificación y solubilidad), de los materiales encapsulantes, así como su
compatibilidad con los compuestos activos, son factores clave en su eficacia e idoneidad
general [37]. Así, por ejemplo, para la estabilización de aceite de pescado se encontró
que la goma de N. alba presentó buenas propiedades interfaciales y emulsionantes [38],
así como interesantes propiedades antioxidantes [39], lo cual constituye un beneficio
adicional en el transporte y protección de los sustratos hidrofóbicos susceptibles a la
oxidación. Los resultados obtenidos a partir del estudio y caracterización de este
exudado para su uso como excipiente/matriz de encapsulación resultan particularmente
interesantes. Los resultados podrían promover su explotación y su aplicación
tecnológica, afianzándose la goma en el mercado local en reemplazo de productos
importados similares.
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OBSERVACIONES FINALES Y TENDENCIAS FUTURAS
La encapsulación de compuestos bioactivos constituye una estrategia factible y
prometedora para el diseño de nuevos alimentos funcionales. La obtención sostenible de
sustancias biológicamente activas y/o materiales encapsulantes a partir de subproductos
agroalimentarios, mediante métodos seguros y compatibles con el ambiente, contribuye
al desarrollo de una economía alimentaria circular. El mejoramiento de las propiedades
físicas y de estabilidad mediante encapsulación, pueden resultar en ingredientes
multifuncionales cuya potencialidad se expande rápidamente debido a los avances
tecnológicos, la disminución de los costos de producción y la alta demanda de alimentos
que promueven la salud. El diseño de micro y nanocápsulas de calidad alimentaria
atraen permanentemente la atención de investigadores. Dada la gran variedad de
materiales encapsulantes, en términos de origen, estructura química y conformación, de
condiciones del proceso y de las sustancias biológicas encapsuladas, hay numerosas
posibilidades de diseño y formulación, por lo que se requieren aún más estudios
sistemáticos sobre los mecanismos responsables de la estabilización y las variables
químicas y físicas que la afectan. También se hace necesario profundizar sobre los
efectos fisiológicos y moleculares de los nutracéuticos encapsulados en base a estudios
clínicos e in situ, que sustenten la efectividad de los bioactivos alimentarios
encapsulados en la prevención y tratamiento de enfermedades crónicas.
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