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emcampsulamiento de nutrientes
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Aplicaciones Biotecnológicas
de la Microencapsulación
debido a la luz o al oxígeno. Una venta-ja adicional es que un compuestoencapsulado se liberará gradualmentedel compuesto que lo ha englobado oatrapado y se obtienen productos ali-menticios con mejores característicassensoriales y nutricionales.
Se uti l iza también el términomicroencapsulación en la industriaalimentaria o farmacéutica cuando seencapsulan sustancias de bajo pesomolecular o en pequeñas cantidades.Los dos términos, encapsulación ymicroencapsulación, se usan indistinta-mente (tabla 1).
Métodos Generales
Diversos métodos han sido propues-tos para la producción de microcápsulas.En general, estos métodos pueden serdivididos en tres grupos:
(1) Procesos físicos: secado por asper-sión, extrusión y recubrimiento poraspersión.
Los procesos de encapsulaciónfueron desarrollados entre losaños 1930 y 1940 por la
National Cash Register para la aplica-ción comercial de un tinte a partir degelatina como agente encapsulantemediante un proceso de coacervación.La utilización de microcápsulas abarcauna amplia gama de campos: la libera-ción controlada de sabores, colores,aromas, perfumes, drogas, fertilizantesy precursores en impresiones.
Las enzimas y las células animales ovegetales también pueden serencapsuladas, permitiendo que lossustratos y productos entren y salgande la cápsula. Este concepto fueinstrumentado con el desarrollo de unhígado artificial con enzimas hepáticascolocadas en membranas semiper-meables para mejorar su función. Lasmembranas de nylon han sido emplea-das para encapsular y atrapar enzimascomo la pepsina, la pectinesterasa paraclarificación de jugos, la invertasa parala inversión de sacarosa y la renina paracoagulación de leche.
Una bacter ia ác ido láct ica,Lactobacillus lactis, fue encapsuladaen alginato y se sugiere que las bac-terias inmovilizadas pueden ser usa-das para producir yogurt de maneracontinua. La encapsulación es un pro-ceso mediante el cual ciertas sustan-cias bioactivas (sabores, vitaminas o acei-tes esenciales) son introducidas en unamatriz o sistema pared con el objetivode impedir su pérdida, para protegerlosde la reacción con otros compuestospresentes en el alimento o para impe-dir que sufran reacciones de oxidación
(2) Procesos fisicoquímicos: coacerva-ción simple o compleja y atrapa-miento en liposomas.
(3) Procesos químicos: polimerizacióninterfacial e inclusión molecular.
La selección del proceso deencapsulación para una aplicación con-sidera el tamaño medio de la partícularequerida y las propiedadesfisicoquímicas del agente encapsulantey la sustancia a encapsular, las aplicacio-nes para el material microencapsulado,el mecanismo de liberación deseado yel costo. En el caso de sabores y aro-mas, varios métodos han sido desarro-llados para encapsularlos y utilizarlos enla industria de alimentos; el secado poraspersión es el que más se utiliza.
Secado por Aspersión
El secado por aspersión es ampliamen-te usado en la industria de los alimentosdebido a que es un método económicoy efectivo en la protección de materia-les, en particular empleado en la deshi-
J. Yáñez Fernández, J.A. Salazar Montoya, L. Chaires Martínez, J. Jiménez Hernández, M. Márquez Robles y E. G. Ramos Ramírez*
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dratación de leche. Los almidones mo-dificados, las maltodextrinas y las gomasson empleados como acarreadores o ma-teriales pared. El material a encapsulares homogenizado con el acarreador; lamezcla es alimentada al secador por as-persión y se atomiza por medio de unaboquilla o disco; las cápsulas son colecta-das posteriormente.
Desarrollos recientes se han hechocon nuevos acarreadores, incluyendocoloides y gomas naturales, para la ob-tención de mezclas que permitan incre-mentar la retención de compuestos vo-látiles y la vida de anaquel de lasmicrocápsulas. Se ha conseguido la re-tención de aceites esenciales de naranjay disminuido su oxidación al usar gomaarábiga.
Aspersión por Enfriamiento o
Congelamiento
Una variante del secado por asper-sión consiste en enfriamiento ocongelamiento, donde el material aencapsular es mezclado con el acarreadory es atomizado por medio de aire frío.Las microcápsulas son producidas pornebulización de la emulsión o suspensiónque contiene el material pared y la sus-tancia activa sólida o líquida.
Las coberturas empleadas usualmen-te son aceites vegetales en el caso deaspersión por enfriamiento o aceite ve-getal hidrogenado para la aspersión porcongelamiento; así pueden encapsularselíquidos sensibles al calor y materiales queno son solubles en disolventes conven-cionales. La reducción de la temperatu-ra produce una solidificación del lípido pa-
red y el atrapamiento de la sustancia ac-tiva en el centro de la cápsula. La asper-sión por enfriamiento es usualmente em-pleada para encapsular sulfato ferroso,vitaminas, minerales o acidulantes.
Las aplicaciones más comunes de laaspersión por congelamiento incluye elsecado de sopas y los alimentos conaltos contenidos de grasa. Lasmicrocápsulas producidas por enfria-miento o congelamiento son insolublesen agua debido a su cobertura delípidos por lo que se encapsulan mate-riales solubles como enzimas, vitaminassolubles en agua y acidulantes.
Extrusión
La microencapsulación por extrusióninvolucra el paso de una emulsión delmaterial activo y el material pared a tra-vés de un dado a alta presión. La extrusiónconstituye el segundo proceso más usa-do, después del secado por aspersión,para la encapsulación de sabores. Un pro-ceso típico involucra la mezcla de sabo-res con jarabe de maíz o almidón modifi-cado caliente, extrudiendo la mezcla enforma de esferitas (pellets) dentro de unbaño con un disolvente frío como elisopropanol. El disolvente frío solidifica eljarabe en un sólido amorfo, bañando lossabores. Los sabores extrudidos propor-cionan una mayor vida de almacenamien-to comparados con los que no sonencapsulados.
La vitamina C y los colorantes pue-den tener una vida de almacenamientosuperior a dos años. Además, la formasólida de los sabores es más convenien-te para su uso. La aplicación de este
método en el procesamiento de alimen-tos incluye bebidas, pasteles, gelatinas,postres, así como numerosos sabores.
Cobertura por Lecho Fluidizado
Esta técnica consiste en suspenderpartículas sólidas en aire a alta veloci-dad dentro de una cámara con tem-peratura y humedad controlada, don-de el material pared es atomizado. Lacantidad de partículas cubiertas depen-de de la longitud de la cámara y deltiempo de residencia dentro de ésta.La técnica es aplicable a coberturas quefunden fácilmente (como aceites ve-getales hidrogenados, estearinas, áci-dos grasos, emulsificantes, ceras) ocoberturas solubles (como almidones,gomas y maltodextrinas).
Para coberturas fundibles se usa airefrío para endurecer el acarreador, mien-tras que para las coberturas solubles seusa aire caliente para evaporar el disol-vente. Los ingredientes con facilidad defundir son liberados al incrementar la tem-peratura o por ruptura física, mientrasque las coberturas solubles liberan su con-tenido al adicionar agua.
Alimentos fortificados y mezclasnutricionales contienen ingredientesencapsulados por lecho fluidizado; algu-nos ejemplos son: ácidos cítrico, lácticoy sórbico; bicarbonato de sodio utilizadoen productos de panificación.
Atrapamiento en Liposomas
Un tipo de cápsula con más propie-dades versátiles y menos fragilidad queaquellas hechas de grasa es el de losliposomas. Estos han sido empleadospara la liberación de vacunas, enzimasy vitaminas en el cuerpo y consistende una o más capas de lípidos no tóxi-cos y aceptables en alimentos; la per-meabilidad, estabilidad, actividad super-ficial y afinidad pueden variar con eltamaño y la composición del lípido.
Los liposomas son vesículas que seforman cuando películas de fosfolípidosson dispersadas en un medio acuoso;
Tabla 1.Tipos de Coberturas Utilizadas en Microencapsulación.
Tipo de Cobertura Cobertura específica
Gomas Gomas arábiga, agar, alginato de sodio, carrageninaCarbohidratos Almidón, dextranos, sacarosa, jarabes de maízCelulosas Carboximetl-celulosa, metilcelulosa, etilcelulosa,
metilcelulosa, acetilcelulosaLípidos Ceras, parafinas, tristearina, ácido esteárico,
monoglicéridos, diglicéridos, aceites, grasasMateriales inorgánicos Sulfato de calcio, silicatos
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al igual que las membranas naturales,los liposomas son selectivamentepermeables a iones. Los liposomas seforman cuando una solución acuosa desustancia activa es mezclada con la pe-lícula del lípido. Estructuralmente exis-ten tres tipos de liposomas: multilamelar,vesículas de un compartimiento ymacrovesículas.
La sonicación permite la formaciónde un solo compartimiento de vesícu-las, mientras que las macrovesículas sonformadas por inyección de solucionesde lípido en un buffer de fosfatos.
Los liposomas pueden ser obteni-dos con cargas positivas por la adiciónde aminas o con cargas negativas porla adición de fosfatidil serina o diacetilfosfato. Materiales hidrofí l icos ehidrofóbicos pueden ser atrapados enliposomas. Los compuestos hidrofílicosson disueltos en agua y mezclados conuna película l ípidica para formarliposomas, mientras que los materialeshidrofóbicos son embebidos en unadelgada película de lípido.
La liberación del principio activo serealiza por difusión a través de la bicapa,por destrucción de la vesícula, por me-dio de una concentración crítica deiones calcio o por un cambio de pH.
El colesterol y los tocoferoles pue-den ser incorporados para reducir la per-meabilidad de la membrana e incremen-tar la estabilidad de los lípidos en la
bicapa. Las sustancias activas solublesen agua presentan una mejor eficien-cia de encapsulamiento que lashidrófobas. Los liposomas son usadoscon éxito en la encapsulación de sis-temas enzimáticos. Sin embargo, el usode disolventes orgánicos limita su usoen aplicaciones en alimentos (tabla 2).
Inclusión de complejos
La inclusión de complejos, tambiénconocida como encapsulación molecular,utiliza beta-ciclodextrinas para elatrapamiento de moléculas. Estasciclodextrinas (CD) tienen un centrohidrofóbico mientras que la superficieexterior es hidrofílica. Las CD formancomplejos por inclusión o por huésped-anfitrión.
El principal mecanismo de las CDinvolucra la formación de complejospor inclusión de analitos: permiten unequilibrio dinámico en el cual agua uotro compuesto, son reemplazados enla cavidad de la molécula de CD. Laestabilidad de estos complejos depen-de de la estructura, hidrofobicidad dela molécula, pH, disolvente orgánico,temperatura y concentración de la CD.
La preparación de complejos serealiza por dos métodos: en el pri-mero la molécula huésped y la CD soncristalizadas, un disolvente menoshidrofóbico que la molécula huéspedse mezcla con los componentes dan-do una acomplejación de la moléculahuésped hacia e l centro de la
ciclodextrina, la ciclodextrina y la mo-lécula huésped son mezcladas en aguadurante un tiempo hasta conseguirel equilibrio.
El segundo método involucra la for-ma gaseosa de la molécula huésped enuna solución de CD. Los complejos deinclusión obtenidos son sólidos cristali-nos y pueden adicionarse a alimentossecos con un mínimo de degradacióno pérdida del compuesto huésped du-rante el almacenamiento.
Las CD protegen sabores y otrosingredientes sensibles al calor que sonadicionados en alimentos extrudidos.Aceite de ajo, cebolla y vitaminas A, Ey K son acomplejados por CD.
Coacervación
En una solución coloidal las cargaspueden orientarse formando puentesque dan origen a una disminución enla solubilidad del coloide. Como conse-cuencia una parte del coloide puedeser separado en una nueva fase, con-virtiendo al sistema en bifásico. La faserica en coloide es un estado dispersoque aparece como gotas de líquidoamorfo, a las que se les denomina go-tas de coacervado.
La coacervación puede ser iniciadapor diferentes formas: cambios de pH,temperatura o adición de una segun-da sustancia como una sal iónica, estemétodo es eficiente pero caro. Para elproceso de microencapsulación algunosbiopolímeros han sido utilizados para suuso como coberturas (goma arábiga ygrenetina).
La microen-capsulación porcoacervación requiere que el material aencapsular y el material pared sean mez-clados, la cobertura es depositada sobreel material activo.
Generalmente un cambio de pH,temperatura o fuerza iónica provoca unafase de separación o coacervación de lacobertura y atrapamiento del material
Tabla 2.Ingredientes encapsulados utilizados en alimentos
Tipo de Ingrediente
Saborizantes de tipo: especias, aceites, sazonadores y edulcorantesAcidulantes, alcalis, buffers (Ac. ascórbico, cítrico, fumárico, bicarbonato)Lípidos: Ac. linoléicoAgentes redox (blanqueadores, maduradores)Enzimas o microorganismosAntioxidantes (Ac. ascórbico, cítrico)ColorantesAceites esenciales, aminoácidos, vitaminas y minerales
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activo disperso. Finalmente la coberturaes solidificada por medios térmicos o en-trecruzamiento. La fase de separaciónacuosa involucra el uso de materialescomo grenetina o mezclas de grenetinay goma arábiga. Una coacervación sim-ple se presenta cuando sólo la grenetinaes inducida a formar microcápsulas. Lacoacervación compleja utiliza grenetinay un polímero de carga opuesta comogoma arábiga.
Polimerización interfacial
Este método involucra la disoluciónde un monómero hidrofóbicopolimerizable en un material activohidrofóbico. La mezcla es dispersada enuna fase polar y un catalizador provocala polimerización del monómero. Elpolímero es insoluble en la sustancia acti-va hidrofóbica y depositado como paredalrededor de la sustancia activa. Lospolímeros que forman coberturas ade-cuadas son poliéster, poliamidas,poliuretanos y poliureas.
La polimerización interfacial ocurreentre monómeros disueltos en sus res-pectivas fases inmiscibles. Losmonómeros solubles son dispersados enla fase acuosa por medio de agitación, lamembrana de la cápsula es formada porla adición de un monómero orgánico so-luble en la fase continua u orgánica.
Las membranas poliméricas depoliaminas, nylon, poliéster o polifenilésterson producidas por la reacción entre elmonómero soluble en agua, comopoliamina, L-lisina, 1,6-hexame-tilendiamina, piperidina, o polifenol y unmonómero soluble en medio orgánicocomo sebacoil cloro, 2,2-dicloroéter. Estatécnica recientemente ha sido emplea-da para encapsular una bacteria ácidoláctica para obtener una mayor produc-tividad en las fermentaciones lácticas conbastante éxito.
Materiales de encapsulación
Existe una amplia variedad de ma-teriales para cobertura que pueden ser
usados para encapsular ingredientesalimentarios, donde se incluyen acei-tes hidrogenados, ceras,maltodextrinas, almidones y gomas.Algunos de los más efectivos son losaceites hidrogenados como el aceitede palma, algodón y soya, que son ex-celentes formadores de películas capa-ces de cubrir las partículas individuales,proporcionando una encapsulación uni-forme. El uso de goma arábiga comomatriz encapsulante es común debidoa sus características de viscosidad,solubilidad y emulsificación. Otros ma-teriales estudiados son los almidonesde papa, maíz, trigo y arroz principal-mente. Las dextrinas son formadas porel calentamiento de almidón, en pre-sencia de ácido o base, formandopolímeros con alto grado de ramifica-ción, comparadas con almidones no mo-dificados, se mejoran sus característi-cas de solubilidad y viscosidad.
Las maltodextrinas son obtenidas apartir de una hidrólisis parcial del almi-
dón de maíz por vía ácida o enzimática.Los polímeros de glucosa producidospueden variar en longitud y en pesomolecular. Sus viscosidades son inferio-res a las de la goma arábiga y no pre-sentan grupos lipofílicos, por lo que suspropiedades emulsificantes son pobres.
Sus ventajas incluyen sabor tenue,es posible su uso a altas concentracio-nes de sólidos y mejoran la vida de al-macenamiento de aceites esenciales decítricos. Mezclas de sólidos de maíz,maltodextrinas y almidones modificadospermiten un encapsulamiento óptimo.Los alginatos son hidrocoloides extraí-dos de algas, los cuales reaccionan coniones calcio para la formación de gelesestables. Éstos son utilizados paraatrapamiento de sabores a tempera-tura ambiente.
Para obtener las camas, el alginatoes emulsificado con el sabor y despuésadicionado por goteo a una soluciónde cloruro de calcio. Los materiales que
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tienen como base proteínas como lasproteínas de soya, caseinatos y deriva-dos de grenetina forman emulsiones es-tables con saborizantes volátiles. Susolubilidad en agua fría, el potencial parareaccionar con grupos carbonilos y sualto costo limitan su uso potencial.
Métodos de Liberación
Los mecanismos de liberación de lascápsulas se pueden llevar a cabo poruna disolución normal en agua, por es-fuerzos de cizalla, por temperatura, porreacciones químicas y enzimáticas o porcambios en la presión osmótica. La li-beración de componentes de una cáp-sula puede ser controlada por difusiónde la pared de la cápsula o por unamembrana que cubre la pared. La per-meabilidad a través de la matriz y lasolubilidad del componente de la pa-red de la cápsula influyen en la veloci-dad de difusión.
El compuesto que va a difundirdebe ser soluble en la matriz. Aunquela presión de vapor de sustancias volá-tiles en cada lado de la matriz puedeser la fuerza que determine la difusión.La selección de una matriz o membra-na es importante. La naturaleza quími-ca, morfología y temperatura de tran-sición, el grado de hinchamiento y deentrecruzamiento también influyen enla difusión de la membrana aunque pue-den disminuir la velocidad de liberación.
Aplicaciones
Las aplicaciones de esta técnica hanido incrementándose en la industria delos alimentos debido a la protección delos materiales encapsulados de factorescomo calor y humedad, permitiendo man-tener su estabilidad y viabilidad. Lamicroencapsulación puede mejorar elsabor y la estabilidad de medicamentos.Las microcápsulas han sido también ba-rreras contra malos olores y sabores. Lasmicrocápsulas ayudan a que los materia-les frágiles resistan las condiciones de pro-cesamiento y empacado mejorando sa-bor, aroma, estabilidad, valor nutritivo yapariencia de sus productos.
En la encapsulación de sabores, sereduce su volatilidad o previene reac-ciones indeseables con otros compo-nentes del alimento aun cuando se al-macene por un periodo prolongado.
Cuando se encapsula un sabor, paraque sea liberado rápida y efectivamen-te en la boca, se recomienda utilizarmateriales solubles en agua como almi-dones y dextrinas. En el caso deencapsulación de vitaminas, mineralesy otros nutrientes, éstos son liberadosdespués de haberse consumido. Comola liberación se lleva a cabo en el estó-mago o el intestino, permite una máxi-ma absorción de los compuestos conun mínimo de reacciones adversas. Losencapsulantes usados para esta aplica-ción son de naturaleza hidrofóbicacomo grasas y ceras, pero también seusan derivados de celulosa.
El transporte selectivo de un agen-te terapéutico al sitio de acción puedeoptimizar la respuesta biológica o la li-beración de una molécula activa den-tro del medio ambiente seleccionado.
Conclusiones
No obstante el desarrollo en las téc-nicas de encapsulación, existe muchademanda para el control y liberación deingredientes en alimentos, fármacos ymicroorganismos. Por ello deben desa-rrollarse nuevas aplicaciones y es con-veniente que los avances en el estu-dio de la encapsulación continúen.
En particular, la coacervación se vis-lumbra como una promesa debido a quesus costos de proceso pueden ser redu-cidos y a que sustancias como los sabo-res son más estables después de proce-sos que involucran calentamiento, trata-miento en microondas y freido. Una delas limitaciones en las técnicas deencapsulación son los altos costos deproducción y la falta de disponibilidad demateriales que puedan utilizarse.
Las mezclas de almidones ymaltodextrinas como materiales
encapsulantes pueden proporcionargrandes beneficios. Finalmente, el em-pleo de nutracéuticos y el desarrollode nuevas combinaciones de saboresy aromas incrementan la necesidad demejorar los mecanismos de proteccióny liberación para aumentar su vida útil,permitiendo nuevos desarrollos en elcampo de la encapsulación.
Referencias
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*Los autores son miembros del Departamen-
to de Biotecnología y Bioingeniería del
Cinvestav.
Fuente:
Avance y Perspectiva Vol. 21
Septiembre-Octubre 2002, México.
