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MICROESTRUCTURA, NANOTECNOLOGÍA Y NANOCIENCIA DE ALIMENTOS Director Responsable: Dr. Gustavo Fidel Gutiérrez López INTRODUCCIÓN La nanociencia se encarga del estudio de los fenómenos y manipulación del sistema físico a escala nanométrica para obtener información significativa acerca sus propiedades, las cuales pueden diferir completamente a nivel macroscópico (Knowles, 2006; Uskokovic, 2007). En cambio la nanotecnología se encarga de la caracterización, fabricación y manipulación de estructuras biológicas y no biológicas más pequeñas que 100 nm (Weiss et al., 2006). El desarrollo de la nanotecnología en diversas áreas de investigación, hace probable que sus principios puedan ser aplicados en el desarrollo de nuevos materiales alimenticios, con novedosas propiedades funcionales y nanoestructurados en el orden de 2 a 1000 nm (Sanguansri y Augustin, 2006; Weiss et al., 2006). Parámetros como la actividad de agua (a w ), monocapa (Mo) y la temperatura de transición vítrea (T g ) han sido utilizados conjuntamente para predecir las condiciones más apropiadas para conservar los alimentos (Roos, 1993). No obstante, muchas veces los valores predichos de estos parámetros no coinciden con las condiciones reales de estabilidad, por lo que algunos investigadores han desarrollado metodologías más precisas, basadas en principios termodinámicos, para recomendar condiciones de conservación adecuadas (Beristain y Azuara, 1990). El uso de una tecnología apropiada que permita la modificación de la estructura en el orden de 1 a 100 nm, junto con una metodología confiable que relacione las características nanoestructurales del material alimenticio con sus mejores condiciones de conservación, sin duda, permitirá la construcción de sistemas nanoestructurados con aplicación en estudios sobre estabilidad de alimentos. La encapsulación o microencapsulación es un proceso en el que sustancias bioactivas (sabores, vitaminas, antioxidantes, antimicrobianos o aceites esenciales) de alto o bajo peso molecular son almacenadas en pequeñas cantidades introduciéndolas en una matriz o sistema pared para impedir su desgaste, para protegerlos de reacciones con otros compuestos presentes en el alimento o para impedir que sufran reacciones de oxidación debido a la luz o

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MICROESTRUCTURA, NANOTECNOLOGÍA Y NANOCIENCIA DE

ALIMENTOS

Director Responsable: Dr. Gustavo Fidel Gutiérrez López

INTRODUCCIÓN

La nanociencia se encarga del estudio de los fenómenos y manipulación del sistema físico a escala nanométrica para obtener información significativa acerca sus propiedades, las cuales pueden diferir completamente a nivel macroscópico (Knowles, 2006; Uskokovic, 2007). En cambio la nanotecnología se encarga de la caracterización, fabricación y manipulación de estructuras biológicas y no biológicas más pequeñas que 100 nm (Weiss et al., 2006). El desarrollo de la nanotecnología en diversas áreas de investigación, hace probable que sus principios puedan ser aplicados en el desarrollo de nuevos materiales alimenticios, con novedosas propiedades funcionales y nanoestructurados en el orden de 2 a 1000 nm (Sanguansri y Augustin, 2006; Weiss et al., 2006).

Parámetros como la actividad de agua (aw), monocapa (Mo) y la temperatura de transición vítrea (Tg) han sido utilizados conjuntamente para predecir las condiciones más apropiadas para conservar los alimentos (Roos, 1993). No obstante, muchas veces los valores predichos de estos parámetros no coinciden con las condiciones reales de estabilidad, por lo que algunos investigadores han desarrollado metodologías más precisas, basadas en principios termodinámicos, para recomendar condiciones de conservación adecuadas (Beristain y Azuara, 1990).

El uso de una tecnología apropiada que permita la modificación de la estructura en el orden de 1 a 100 nm, junto con una metodología confiable que relacione las características nanoestructurales del material alimenticio con sus mejores condiciones de conservación, sin duda, permitirá la construcción de sistemas nanoestructurados con aplicación en estudios sobre estabilidad de alimentos.

La encapsulación o microencapsulación es un proceso en el que sustancias bioactivas (sabores, vitaminas, antioxidantes, antimicrobianos o aceites esenciales) de alto o bajo peso molecular son almacenadas en pequeñas cantidades introduciéndolas en una matriz o sistema pared para impedir su desgaste, para protegerlos de reacciones con otros compuestos presentes en el alimento o para impedir que sufran reacciones de oxidación debido a la luz o

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al oxígeno. Otra ventaja que ofrece la encapsulación es que un compuesto encapsulado se liberara gradualmente de la pared o matriz que lo ha englobado o atrapado y se obtienen productos alimenticios con mejores características sensoriales y nutricionales (Gharsallaoui et. al., 2007; Champagne y Fustier 2007).

CONTROL DE LA ESTABILIDAD DE LOS ALIMENTOS A TRAVÉS DE PARÁMETROS TERMODINÁMICOS

Los cambios que se presentan en ciertas propiedades termodinámicas explican los mecanismos de adsorción de ciertos alimentos y a su vez permiten determinar puntos de transición en estos. Los cambios entálpicos son una medida de los cambios energéticos que se dan en la interacción del agua con el adsorbente en un proceso de sorción. Por otro lado, los cambios entrópicos se relacionan con las fuerzas de atracción y repulsión en el sistema y a su vez dan una idea de los arreglos espaciales durante el proceso de adsorción en la interfase del agua en un estado definido. El signo de la Energía libre de Gibbs, puede ser un indicativo de la afinidad de los sorbentes por el agua y de la espontaneidad del proceso (Beristain y Azuara, 1990).

OBJETIVO

Estudiar la micro y nanoencapsulación del alfa-tocoferol con el fin de evaluar su estabilidad, distribución en la cápsula y rendimiento en capsulas nano y microestructuradas.

Nanoestructurar materiales de interés alimentario y estudiar los mecanismos energéticos y estéricos que intervienen en la interacción entre las moléculas de agua y la matriz del producto.

Estudio de las características micro estructurales y la deformación de placas de manzana durante su deshidratación convectiva y su correlación con la cantidad de B-caroteno impregnada en las placas de manzana.

MÉTODOS Y MATERIALES

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La energía libre de adsorción de agua (ΔG) será calculada por medio de la ecuación de Gibbs:

ΔG = R T ln aw

donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura de la isoterma y aw es la actividad de agua.

El cambio de entalpía integral Tint )H(Δ durante el proceso de adsorción será calculado por el método de Othmer (1940):

)T(H)T(H

PlndPlnd

0v

vov

v =

donde vP = presión de vapor del agua en el alimento, 0

vP = presión de vapor del agua pura a la misma temperatura, ( )THv = calor integral de adsorción de

agua, ( )THov = calor de condensación del agua pura. Estos términos son

dependientes de la temperatura por lo que integrando se tiene:

α- TOCOFEROL

EMULSIÓN

EVALUACIÓN DE

ISOTERMAS

• PARÁMETROS TERMODINÁMICO

• VOLUMEN DE MICROPORO

CARACTERIZACIÓN EVALUACIÓN DE ENCAPSULACIÓN

• POTENCIAL Z • HPLC • COLORÍMETRIA •

SECADO POR ASPERSIÓN PARA OBTENCIÓN DE POLVO

HOMOGENIZACIÓN

• ADI • ADF • NANOSIZER

MATERIAL PARED

RMN (EXTR.)

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( )( )

APlnTHTHPln 0

vov

vv +

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡=

φ

donde A = constante de adsorción y φ = es el potencial de superficie.

Análisis Fractal

La dimensión fractal (FD) de la superficie de los polvos será determinada a partir de datos de adsorción de vapor de agua por medio del método de condensación capilar de acuerdo a Wang y Li (1997):

( )D

c

3/1max3/D

LD

02c

maxN

)X(N

)X(r)X(NN

RTVk

)X(r

)X(dN)Xln(

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡ −σ=

− ∫

Donde:

( ) ( )( )

2c

maxN

XN

r

XdNXln

)X(A∫−

= y ( ) ( )[ ]( )Xr

xNNxBc

3/1max −

=

donde X = presión relativa, Nmax = moles adsorbidos cuando X tiende a la unidad, rc = radio de la curvatura del menisco (radio de Kelvin), σ = tensión superficial entre la fase líquida y gas, VL = volumen molar del adsorbato líquido, ko = factor que relaciona el área superficial con el volumen y D = dimensión fractal de la superficie porosa del sustrato.

La Ecuación 14 puede ser modificada en su forma logarítmica:

ln A(X) = constante + DlnB(X)

donde la dimensión fractal de superficie puede ser fácilmente calculada.

También se realizará un análisis fractal de textura de imágenes tomadas con microscopio electrónico a diferentes niveles de magnificación utilizando el método de conteo en caja y análisis de imágenes propuesto por Quevedo et al. (2002).

Secado convectivo - impregnación

Para el secado convectivo y posterior impregnación de la muestra, éstas se deshidrataron hasta su humedad de equilibrio a 60 y 70°C y velocidad del aire

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de secado de 2 y 3 m/s, de acuerdo a la metodología reportada por Chanona y col. (10).

Proceso de incorporación de B-caroteno en las placas de manzana secas

La impregnación de las placas de manzana deshidratadas, se realizó a temperatura ambiente por inmersión de las muestras en una solución conteniendo 10 mg B-caroteno /ml de solución. Se utilizó una relación fruta: solución acuosa de B-caroteno de 1:20 (p/p).

RESULTADOS

Efecto del proceso sobre la microestructura

La dimensión fractal (FD, Fractal Dimension) de la superficie de los polvos fue calculada con las ecuaciones 14 y 15 a partir de las isotermas de adsorción de agua.

La dimensión fractal de E-40 indica que las partículas no poseen una superficie lisa y plana, sino que tienen una superficie muy irregular con una gran aspereza debido al proceso criogénico al que fueron sometidos. Los resultados en la Cuadro 7 muestran que FD de E-40 es mayor que SA. Esto fue comprobado por medio de micrografías electrónicas de barrido donde SA revela menor heterogeneidad en la superficie y por lo tanto menor FD.

Parámetros estimados de Dubinin-Radushkevich, Wang y Li y aw correspondiente.

Proceso de producción

Parámetro SA E-40

no (g agua/ 100 g s.s.) 3.95 6.32

aw correspondiente 0.221 0.408

B 0.737 0.475

Dimensión fractal 2.36 2.50

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CARACTERIZACIÓN DE LAS EMULSIONES

El Cuadro 5 presenta un ejemplo de la imagen original y procesada de EM y EHF y el polvo producto de EM (PEM) y EHF (PEHF), así como las EAD para la evaluación de diferentes partes del proceso.

Diferentes Emulsiones y polvos

Emulsión de Mixer (EM)

Polvo de EM (PEM)

Emulsión Homogenizada (EHF)

Polvo de EAD (PEAD)

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Emulsión Asperjada (EAD)

Tal y como se explicó en la metodología, todas las imágenes fueron procesadas y posteriormente analizadas con los respectivos programas para poder determinar los parámetros que caracterizan a todos los productos obtenidos de los experimentos ya realizados.

Caracterización de las emulsiones

La mejor disolución para que la lectura del nanosizer sea correcta es la del 5% puesto que se evita la superposición entre las partículas en el momento de la lectura del láser. Como se observa el tamaño medio de partícula es de 813.9 nm, lo que comprueba el que se tiene una nanoemulsión (Windhab et.al, 2005).

Los gráficos muestran la Distribución de tamaño de partícula de cada emulsión con su respectiva Distribución de frecuencias. En el Cuadro 6, se presentan los valores medios de los diferentes parámetros morfométricos que se obtuvieron del análisis de imágenes.

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Distribución de Frecuencias 2:1:1

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 2 4 6 8 10 12

Clase

Frec

uenc

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

EM

EHF

Distribución de Frecuencias 2:1:1

050

100150200250300350400450500

Clase

Frec

uenc

-100

0

100

200

300

400

500

600

EMEAD

Distribución de Frecuencias de Emulsiones 2:1:1

Tal y como lo muestran las gráficas, la distribución de tamaño de partícula presenta un desplazamiento a la derecha en el caso de las emulsiones homogenizadas por boquilla fuera del secador (EHF); mientras que las emulsiones asperjadas (por boquilla) al secador (EAD) a las temperatura de proceso Tentrada = 150°C), presentan el mismo tamaño de partícula que la emulsión original (EM). Lo que sugieren estos resultados es que posiblemente el desplazamiento a la derecha se deba a efectos de la temperatura. Como se mencionó en la sección de metodología, la única variable que cambió de un proceso a otro fue la temperatura a la cual se llevó a cabo el experimento. Es probable que la emulsión comience a perder agua desde que entra a la boquilla y la formación del sellamiento de la cápsula se genere tan rápido que las gotas de la emulsión no alcancen a coalecer (Chanona et al., 2005).

Análisis de la deformación del contorno de las placas de manzana durante la deshidratación Con el objeto de describir la deformación de los contornos de las placas de manzana a lo largo del secado, se analizaron las imágenes de las placas de manzana obtenidas durante la cinética de secado de las 4 condiciones en estudio.

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Las siluetas de las placas de manzana muestran que al inicio del secado, los contornos de las placas fueron lisos y con una forma más cercana a la circular, sin embargo con el avance de la deshidratación, se produjeron deformaciones del material, lo que generó contornos irregulares en las placas de manzana deshidratadas

CONCLUSIONES

Se obtuvo un material nanoestructurado queon control entrópico del atrapamiento de agua, mismo que ha servido para sentar las bases de la conservación basada en el atrapamiento nanométrico del agua.

Se pudo obtener una naoemulsión de a-tocoferol cuyo tamaño de partícula favorece la obtención de polvos nano y micro métricos que ha permitido evaluar las relaciones: tamaño de emulsión vs tamaño de la partícula encapsulada (nano y micro). La partículas aumentan de tamaño al emulsionar una 2ª ocasión y su tamaño fluctúa por fenómenos de coalescencia y rompimiento durante el secado.

Se logró impregnar B-caroteno a placas de manzana y se concluyó que el atrapamiento pueden ser modeladas a través de relaciones cinéticas.

Se obtuvo, de esta manera, un producto funcional de alta calidad que satisface parcialmente la ingesta diaria de este nutriente.

IMPACTO

El impacto estriba en la obtención de relaciones estructura-función-proceso en sistemas nano y micro estructurados. Se sientan las bases científicas de la dilucidación de los controles en el atrapamiento del agua y se utilizaron estos principios para prever estabilidad, tamaño de partícula y posibilidades de impregnación de sustancias bio-activas.

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