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Nanotecnología y lípidos
PorNov 5, 2007, 09:30
El ideal de diversos sectores industriales es encontrar la forma de fabricar productos prácticos, de alta calidad, a bajo costo y que, además, tengan un mejor diseño, sean seguros y duren más. La pregunta es ¿Cómo se puede conseguir esto? La respuesta es mediante la nanotecnología, una nueva revolución tecnológica que impactará a la mayoría de los sectores empresariales, incluida la producción de alimentos. La elaboración de un producto frito más sano, pero que a la vez conserve su sabor; o de un helado de bajo contenido de grasas o de antioxidantes más efectivos, son las innovaciones en la industria de aceites y grasas que están siendo alcanzadas gracias a la nanotecnología.
Introducción
La nanotecnología es la investigación y el desarrollo tecnológico a nivel macromolecular, molecular y atómico que tiene como objetivo crear y utilizar estructuras dispositivos y sistemas que tienen funciones y propiedades nuevas inherentes a su mínimo tamaño. La nanotecnología es un campo estratégico de la investigación científica que tiene un gran potencial para la industria. En los últimos años, se ha convertido en una importante herramienta para la industria alimentaria, al tener aplicaciones que van desde empaques más prácticos hasta alimentos interactivos.
Las empresas fabricantes de alimentos más importantes están utilizando la nanotecnología para mejorar la calidad de sus productos. El futuro pertenece a nuevos productos y procesos de fabricación que puedan adaptarse al gusto del cliente, es decir, diseñar y desarrollar productos específicos que cumplan con funciones específicas, de acuerdo con las necesidades de los consumidores. Datos estadísticos recientes, indican que el mercado mundial de los nanoalimentos se incrementaría de $2,600 millones de dólares actualmente hasta $20,400 millones de dólares en el año 2010.
Existen muchas aplicaciones para la nanotecnología en la industria alimentaria y, desde luego, en la producción de aceites y grasas. Por ejemplo, las emulsiones de nanopartículas hacen que la textura de los alimentos sea más uniforme, cualidad de gran utilidad en la producción de helados; la nanocerámica, agregada al proceso de freído profundo reduce la oxidación del aceite, evitando que sufra polimerización térmica, con el beneficio de que se obtienen alimentos fritos más sanos.
En este artículo, se revisarán las aplicaciones de la nanotecnología y de las nanopartículas lípidas así como los recientes desarrollos para la producción de aceites y grasas.
¿Qué es la nanotecnología?
En primer lugar, es conveniente definir qué es la nanotecnología. La nanotecnología es la manipulación o el autoacomodo de átomos individuales, de moléculas o de grupos de moléculas en estructuras que crean materiales o dispositivos con propiedades nuevas o radicalmente diferentes.
Esta nueva tecnología pretende controlar las propiedades de la materia que mida entre 1 y 100 nanómetros. Un nanómetro es igual a la milmillonésima parte de un metro, y es aproximadamente el tamaño de una molécula pequeña. Por tanto, puede decirse que la nanotecnología se enfoca en la caracterización, fabricación y manipulación de estructuras biológicas y no biológicas que miden menos de 100 nanómetros. Las estructuras de estas dimensiones tienen propiedades
Funcionales únicas, de aquí que la nanotecnología tiene el potencial de influir significativamente en la economía mundial. Los principales ámbitos de influencia de la nanotecnología podrían ser en la ciencia; los sistemas alimentarios, la agricultura, la medicina y el medio ambiente.
La nanotecnología es también una de las prioridades del gobierno estadounidense en el área de investigación científica, ya que le permitirá elaborar productos de alta calidad a bajo costo y de una manera rápida. Es una tecnología que ofrece productos prácticos, más baratos, más duraderos, más seguros y mejor diseñados que tendrán amplias aplicaciones en los hogares así como en las comunicaciones, la medicina, la agricultura y la industria alimentaria.
El mercado de la nanotecnología
La Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos prevé que el mercado global para los bienes y servicios que utilicen nanotecnología crecería hasta alcanzar $1 billón de dólares para el año 2015. Estados Unidos invierte alrededor de $3mil millones de dólares anuales para la investigación y desarrollo de la nanotecnología (nanodispositivos, nanomateriales, nanomanufacturas, etc.) lo que representa aproximadamente una tercera parte de las inversiones realizadas en el mundo por los sectores público y privado.
De acuerdo con el reporte sobre el mercado mundial de la nanotecnología publicado en 2006, para el 2008, la demanda global total de materiales, dispositivos y herramientas a nanoescala superará los $28 mil millones de dólares. Tan sólo el mercado estadounidense de la nanotecnología podría alcanzar $3,300 millones de dólares en 2008 y superaría los $19,800 millones de dólares para el año 2013, reflejando un fuerte crecimiento.
Estados Unidos tiene la participación más grande de la inversión mundial en nanotecnología. En 2005, e mercado estadounidense tenía una participación del 27%, seguida del mercado Japonés con más de 24%. El mercado de Europa Occidental representa también una cuarta parte, siendo los principales inversionistas, Alemania, el Reino Unido y Francia. Otras naciones como China, Rusia, Corea del Sur, Canadá y Australia se reparten el resto del mercado.
Ahora bien, para el mercado de los nanoalimentos, la agencia de consultoría Helmut Laiser, calcula que el mercado mundial de alimentos nanotecnológicos está creciendo rápidamente y que podría superar los $20 mil millones de dólares en 2010.
Actualmente, más de 200 empresas fabricantes de alimentos de todo el mundo están realizando investigación y desarrollo en nanotecnología, encabezadas por las empresas estadounidenses, seguidas por las empresas japonesas y chinas. Para el año 2010. Asia tendrá más del 50% de la población del mundo y será el mayor mercado para los nanoalimentos que encabeza China.
Aplicaciones en alimentos
Las aplicaciones de la nanotecnología y de las nanopartículas en los alimentos están creciendo rápidamente. Cinco de las diez empresas fabricantes de alimentos y bebidas más grandes del mundo están llevando a cabo investigaciones en el área de la nanotecnología.
La nanotecnología tiene el potencial de impactar muchas fases de los sistemas agrícolas y alimentarios. La seguridad alimentaria, tratamiento de enfermedades, métodos de entrega, herramientas nuevas para la biología celular y molecular, materiales nuevos para la detección de elementos patógenos y la protección al medio ambiente, son algunos ejemplos del importante vínculo que la nanotecnología tiene con la actividad agrícola y la fabricación de alimentos.
La nanotecnología tiene el potencial para mejorar la calidad y la seguridad de los alimentos de manera significativa. Existen muchas nuevas aplicaciones para una mejor seguridad alimentaria, entre ellas, el empaque, factor clave para garantizar la inocuidad de productos alimenticios. La nanotecnología se enfocaría en el empacado de los alimentos, a fin de mejorar el material con que se fabrica el empaque, así como su funcionalidad y, en consecuencia, la seguridad del alimento y la protección al consumidor.
Los empaques que incluyen nanomateriales pueden ser 'inteligentes', lo que significaría que podrían responder a condiciones ambientales o repararse a sí mismos o incluso alertar al consumidor sobre una probable contaminación del producto y/o de la presencia de agentes patógenos. Los nanomateriales están siendo desarrollados con mejores propiedades mecánicas y térmicas para asegurar una mejor protección de los alimentos ante los efectos externos diversos, mecánicos, térmicos, químicos o microbiológicos.
Algunos usos potenciales de la nanotecnología en el área de empaquetado que, incluyen la modificación de la permeabilidad de los materiales del empaque para aumentar sus propiedades de barrera aislante, con el fin de mejorar la resistencia al calor y a otros efectos mecánicos, al desarrollar una superficie activa contra los hongos, los microbios y sus toxinas.
Una de las aplicaciones más impactantes de la nanotecnología es el desarrollo de nanosensores que pueden ser colocados en las instalaciones de fabricación y de distribución de alimentos y en el propio empaque de los productos para detectar la presencia de todo tipo de bacterias desde Escherichia colí y Listeria hasta Campylobacter y Salmonella.
La nanotecnología también puede detectar químicos y otros contaminantes. La contaminación de alimentos por químicos peligrosos es una preocupación de salud mundial y es uno de los principales factores de controversia en el comercio internacional de productos. La contaminación puede ocurrir a través de la polución del aire, del suelo o del agua, como sería el caso de los metales tóxicos, o mediante el uso de varios productos químicos como pesticidas y otros agroquímicos. En consecuencia, la detección de este tipo de químicos en los alimentos es fundamental y la nanotecnología puede ofrecer una forma rápida de hacerlo, mediante biosensores.
Por otro lado, muchas compañías fabricantes de alimentos realizan investigaciones sobre la aplicación de la nanotecnología para elaborar productos más sanos, más nutritivos, más convenientes y más aromáticos para los consumidores.
De acuerdo con el reporte Nanowerk, dentro del proceso de producción de alimentos la nanotecnología puede emplearse de varias maneras; como nanocápsulas, que mejoran la biodisponibilidad de nutracéuticos en ingredientes comunes como el aceite de cocina; nanocápsulas que realzan el sabor, que refinan el gusto de un alimento; nanopartículas que actúan como agentes que gelatinizan o hacen mas viscoso un alimento; nanocápsulas de infusiones derivadas de esteroles vegetales que pueden reemplazar el colesterol de la carne; y nanoemulsiones y partículas que mejoran la disponibilidad y dispersión de los nutrientes.
Aplicaciones en aceites, grasas y otros productos afines
No hay duda de que la nanotecnología tiene un papel preponderante en la investigación y la producción de la industria de aceites y grasas. Los nuevos desarrollos tecnológicos permiten a las empresas ahorrar costos y elaborar productos más saludables y también con mayor vida de anaquel. Existen ya algunos ejemplos de la aplicación de la nanotecnología en la industria de aceites y grasas y productos afines.
AQUA NOVA, una empresa alemana desarrolló Novasol, un nuevo sistema para la aplicación de antioxidantes mediante el uso de nanotecnología. Novasol ayuda a proteger a los aceites y grasas del proceso de oxidación. Puede ser utilizado en una amplia gama de alimentos con ingredientes de aceite, grasa, aceites esenciales y otros productos que contengan lípidos. El sistema está diseñado para que los fabricantes de alimentos puedan introducir antioxidantes en alimentos y bebidas, de forma fácil, rápida y efectiva.
La innovación que incluye Novasol es que consiste en una solución que está lista para usarse y que es soluble tanto en agua como en aceite, La miscela del producto es una nanopartícula que tiene un diámetro promedio de alrededor de 30 nanómetros y permite la creación de una solución de miscelas estables. Las miscelas pueden transportar cualquier cosa desde vitamina C a vitamina E o bien Q10 hasta vitamina A, y la tecnología también permite obtener sustancias hidrofilicas solubles en grasas y sustancias lipofilicas solubles en agua.
Novasol está específicamente dirigido a los fabricantes de alimentos y bebidas que desean introducir Vitamina C y vitamina E en sus productos. Estos efectivos antioxidantes pueden realizar sus características mutuamente, creando una sinergia en sus funciones antioxidantes, pero ya que el ácido ascórbico (vitamina C) sólo es soluble en agua y el tocoferol (vitamina E) es soluble en grasas y aceites, requieren de Novasol, que se encarga de integrar ambos compuestos dentro de la misma miscela nanoestructurada, donde no tienen contacto directo entre ellos pero si desarrollan la sinergia comentada que permite realzar su función antioxidante.
Otra innovación basada en tecnología de nanopartículas es Oilfresh, un dispositivo que está diseñado para prolongar significativamente la frescura de un aceite que se usa para freído profundo, Normalmente, cuando un aceite de cocina es expuesto al calor en una freidora empieza a deteriorarse. Las moléculas de grasa reaccionan con el oxigeno y se empiezan a polimerizar y a agrupar, lo que le da al aceite una consistencia viscosa. Oilfresh, es una placa metálica, plana y vertical, elaborada con nanocerámica, que se inserta en la freidora para inhibir el proceso de polimerización del aceite de freído, reduciendo su deterioro y evitando que aumente su viscosidad. Los efectos positivos incluyen alimentos fritos con mayor consistencia y menor costo; una tecnología que beneficia la salud humana y es amigable con el medio ambiente.
La empresa OILFRESH utilizó nanopartículas para aumentar la vida de freído de los aceites comestibles. ¿Cómo lo logró? Fundiendo partículas (pellets) de nanocerámica para crear una superficie protectora en el catalizador. Estas partículas son muy pequeñas e impiden que el oxígeno pase a través de ellas, por consiguiente, el oxígeno es bloqueado por el aceite y, dura más tiempo en condiciones estables. Además, permite un freído más rápido a una temperatura ligeramente menor, para obtener una mejor textura en los alimentos sin pérdida de sabor y previniendo el desarrollo de sabores indeseables. El dispositivo puede permanecer en la freidora entre cada uso y se limpia sumergiéndolo en agua hirviendo dos o 3 veces al mes.
Otra aplicación de la nanotecnología es fabricar un helado más saludable. UNNILEVER está desarrollando helado con bajo contenido en grasa mediante la disminución del tamaño de las partículas de emulsión, que son las que dan al helado su textura. La empresa considera que al reducir a la mitad el tamaño de las partículas responsables de la emulsión, necesaria para hacer helado, podría utilizar 90% menos emulsión. El resultado sería un helado-que tradicionalmente contiene entre 8% y 16% de grasa- con menos de 1% de grasa.
La inclusión de nanopartículas en los materiales para empaque es otro ejemplo. Las partículas a microescala de TiO2 son pigmentos brillantes porque dispersan las ondas de luz. Mientras que las partículas a nonoescala de TiO2 ya no dispersan la luz, pero siguen bloqueando los rayos ultravioleta (UV). Así, las envolturas de plástico transparente que tengan las nanopartículas de TiO2 proporcionan una excelente protección UV. Otras nanopartículas inorgánicas forman una capa protectora transparente contra el oxígeno en materiales para el empacado de alimentos, lo que ayuda a prevenir la oxidación de aceites y grasas.
En el tema de fortificación, las marcas más populares de pan blanco en Australia llamadas "Pan Tip Top" han utilizado nanocápsulas de aceite de pescado para adicionarle ácidos grasos Omega 3. El encapsulado evita que el pan tenga sabor a pescado.
Nanopartículas lípidas
Las nanopartículas lípidas tienen una estructura similar a la de las nanoemulsiones, factor que la industria cosmética puede emplear para su beneficio. El tamaño típico de las nanopartículas oscila entre 50 y mil nanómetros. En las nanoemulsiones, el núcleo graso el líquido, mientras que en las nanopartículas lípidas, el núcleo graso está en estado sólido. Para estabilizar la partícula de lípidos sólidos contra la aglomeración, se pueden agregar polímeros o surfactantes; como en el caso de las nanoemulsiones, entre las cuales, las lecitinas naturales son las preferidas.
Si las nanopartículas de lípidos se emplean como transportadoras, los ingredientes activos, finalmente se dispersan en la matriz grasa. Los beneficios de emplear nanopartículas de lípidos, ya que, debido a su buena estabilidad física y su compatibilidad con otros ingredientes, es posible agregarlas a las formulaciones existentes sin ningún problema.
Las nanopartículas lípidas pueden emplearse para encapsular otras sustancias para ser transportadas dentro del cuerpo humano. La empresa Israelí NUTRALEASE utiliza una tecnología llamada "estructuras líquidas auto ensambladas a nanoescala (NSSL, por sus siglas en inglés), con el fin de llevar nutrientes en nanopartículas hacia las células. Los nutracéuticos que han sido incorporados en estas nanopartículas transportadoras, incluyen licopeno, betacaroteno, luteína, fitoesteroles y DHA/EPA. Mediante la tecnología NSSL, estos compuestos llegan al flujo sanguíneo desde el intrínseco con mayor facilidad, lo que permite un mayor aprovechamiento. Esta tecnología ha sido ya adoptada y comercializada por SHEME INDUSTRIES para "transportar" aceite de canola y químicos en nanocápsulas que, afirman, reducen la absorción de colesterol del cuerpo humano en 14%, en comparación con una solución biliar. Desde luego, esta tecnología tiene un gran potencial en la industria farmacéutica.
De acuerdo con un nuevo reporte de Simon Pitman, publicado en el sitio de Internet diseño cosmético, la empresa ZYMES utiliza la nanotecnología para desarrollar una preparación de ácidos grasos Omega 3 que se disuelve en agua y que esta diseñada para aplicaciones en cosméticos, cosmeticéuticos y nutracéuticos. Dado que los ácidos grasos Omega 3 proporcionan ácidos grasos especiales para la piel y para el cabello, este desarrollo tecnológico es una mejor plataforma para ácidos grasos Omega 3 solubles y otros compuestos lipóficos no solubles en agua para una variedad de aplicaciones en productos para el cuidado personal, así como en alimentos, bebidas y aplicaciones farmacéuticas.
La utilización de la nanotecnología quiere decir que Zymes ha logrado desarrollar un ácido graso Omega 3, con un tamaño promedio por partícula de 34 nanómetros, lo que significa que estas partículas más pequeñas pueden ser fácilmente absorbidas. Y además de una mejor solubilidad, la tecnología permite una mejor biodisponibilidad y la reducción del tamaño de la partícula a nanoescala, lo que representa nuevas oportunidades para empresas que quieren ofrecer productos con ingredientes funcionales naturales.
Por otro lado, la empresa BIODELIVERY SCIENCES INTERNATIONAL ha desarrollado partículas enrolladas de 50 nanómetros que pueden ser empleadas para transportar más eficientemente a las células nutrientes como vitaminas, licopeno y ácidos grasos Omega 3, sin afectar el color o el sabor de un alimento.
Solgar Nutri Nano es una nanotecnología protegida por patente que trasforma nutrientes solubles en grasas en sustancias antifilicas, es decir, que son solubles tanto en agua como en grasas. Esto es posible al rodear al nutriente soluble en grasa con una cubierta soluble en agua reducida a noanoescala, conocida como miscela. Cada miscela Nutri Nano Q10 mide sólo 30 nanómetros de diámetro y cada miscela contiene aproximadamente 400 moléculas de CoQ10. El resultado neto alcanzado por esta innovación tecnológica es que el transporte de nutrientes importantes a las células es más eficiente.
Las empresas fabricantes de medicamentos están llevando a cabo muchas investigaciones respecto de las propiedades alteradas en nanolípidos. Las nanopartículas lípidas y los medicamentos nanolípidos conjugados tienen mejor solubilidad y han mejorado en la tasa de absorción, gracias a su mayor habilidad para cruzar membranas o pasar a través de espacios intersticiales, lo que incrementa su biodisponibilidad.
Un ejemplo más de la utilización de nanopartículas lípidas son las nanopartículas de polímeros cubiertos con grasa, que son vehículos de trasporte y que consisten en: (a) un polímero hidrofóbico biodegradable que forma un núcleo y (b) una cubierta anfílica que rodea el núcleo de polímero y contiene un lípido estabilizante.
Flourouracil (5-FU) pertenece a la categoría de medicamentos que tienen una efectividad razonable en la eliminación de tumores pero cuyo es limitado por los efectos adversos que ocurren aún con una dosis moderada del medicamento. Actualmente, una serie de estudios publicados en el Journal Pharmaceutical Sciences ha demostrado que las nanopartículas con polímero con cubierta de lípido podrían modificar significativamente el balance entre toxicidad y efectividad del medicamento mencionado. Como un beneficio adicional, estas nanopartículas pueden ser inhaladas y, por lo tanto, pueden ser útiles en transportar dosis constantes de 5-FU para el tratamiento de cáncer pulmonar.
Los estudios muestran que una nanopartícula con núcleo de polímero con cubierta de lípido tiene las propiedades óptimas de trasporte del medicamento hacia los pulmones, a la vez que libera el medicamento en periodos de tiempo de más de 24 horas
Conclusiones
La nanotecnología es una de las innovaciones tecnológicas más importantes en varias décadas. Las aplicaciones posibles de esta tecnología son prácticamente infinitas. Las principales áreas de la industria de alimentos que podrían ser mejoradas sustancialmente por la nanotecnología son el desarrollo de nuevos materiales funcionales; el procesamiento a micro y nanoescala; desarrollo de productos y de materiales para empaque.
La nanotecnología representa una serie de nuevas técnicas que impactarán cada aspecto de la ciencia y de la tecnología, que es identificada como una de las tecnologías menos caras o más efectivas.
La capacidad de manipular las moléculas y los átomos de los alimentos con mayor potencial: mejor desempeño y funcionalidad, productos más seguros y más saludables y a menor costo. Lo que hará que los alimentos sean más baratos y la producción más eficiente.
En el largo plazo, los consumidores podrían beneficiarse de los avances de la nanotecnología que desarrollarían nuevos métodos para mejorar la calidad y la inocuidad de los productos alimenticios.
Actualmente, gran parte de la investigación en aplicaciones de nanotecnología para la industria de alimentos tiene que ver con cómo mejorar la calidad de los productos. Sin embargo, muchas ideas nuevas se necesitarán para tener éxito en este mercado creciente y aún mucho más tiene que realizarse en lo que se refiere a la industria de aceites y grasas.
*Coordinador de Aseguramiento de Calidad en Ontario, Canadá. Email: [email protected]
Publicado en Lipio Technology de Junio 2007