Se trata de un sector muy amplio, que abarca desde micro o nanoencapsulación de compuestos activos, diseño de envases (envasado inteligente), nanosensores para productos de alimentación, etc.
Definición
En general se suele definir como producto nanotecnológico aquél que tiene una dimensión por debajo de 100 nanómetros -aunque muchas veces en farmacia y en alimentación se es un poco más permisivo-.
Objetivos
La microencapsulación puede tener muchos objetivos, desde mejorar la biodisponibilidad de algún compuesto activo que no se absorba bien por el sistema digestivo -haciendo que se pueda absolver mas rápido-, hasta el objetivo opuesto, conseguir una dosificación lenta, controlada de esos materiales; o emplear un extracto que aporte unas cualidades organolépticas que sean atractivas, por ejemplo añadir algún material a un producto lácteo buscando que no se altere la cremosidad o para no influir sobre el color.
Hay ciertos compuestos activos que son saludables pero tienen cualidades de olor o sabor que no son deseables, por ejemplo el famoso aceite de hígado que usaban las abuelas -que es saludable pero que sabe muy mal- y una aplicación útil es buscar una encapsulación de este material que nos permita añadirlo a un producto sin que el consumidor note las cualidades desagradables.
Formas de microencapsulación
Dado que hay una variedad inmensa de aplicaciones que podemos buscar, hay diferentes morfologías o formas de microencapsulación o nanoencapsulación. Una primera división pueden ser formulaciones en base seca o sólida, o bien en base húmeda o acuosa.
Dentro de la base seca se suele distinguir entre microcápsulas y microcompuestos. Una microcápsula sería un núcleo de un compuesto activo que está rodeado de un cierto material de encapsulación y un microcompuesto sería una dispersión del material activo dentro del material de encapsulación.
Las formulaciones en fase sólida pueden tener como propósito añadirlas a un producto líquido con el objetivo de que luego generen alguna micro o nanoestructura en la fase líquida. Algunas de las más comunes pueden ser micelas o emulsiones.
Una micela es una estructura que se genera cuando se añade un compuesto con funciones de surfactante y en la fase acuosa las moléculas de surfactante se agregan entre la zona hidrofílica y lipofílica y dentro de la zona lipofílica podemos tener un disolvente orgánico con lo que estaríamos hablando de una micro o nanoemulsión o puede ser directamente una micela vacía sin disolvente orgánico pero que no obstante genera en su cavidad interior un ambiente lipofílico que nos puede servir para albergar compuestos que generalmente no se podrían añadir a una fase acuosa.
Dependiendo del material de encapsulación que empleemos en la formulación sólida para añadirlas a una fase líquida se pueden generar liposomas que son estructuras parecidas las membranas de las células: con cabeza hidrofílica, zona hidrofóbica, cabeza hidrofílica de manera que podemos encapsular o bien compuestos lipofílicos en el interior de la doble membrana o bien hidrofílicos en la cavidad acuosa interior, dependiendo del objetivo que estemos buscando y del tipo de materiales que empleemos para la encapsulación.
Las técnicas que tenemos para producir estos materiales se pueden dividir en dos categorías principales: métodos top- down y bottom-up.
Métodos top- down
Los métodos top- down lo que buscan es partiendo de un compuesto que haya estado solidificado o formado en un tamaño grande reducir ese tamaño hasta el objetivo que buscamos. Son básicamente métodos mecánicos como la molienda o la ultrahomogeneización.
Métodos bottom-up
Los métodos bottom- up buscan a partir de una disolución o una dispersión a nivel molecular ir construyendo el producto hasta llegar a reducir la escala al tamaño deseado. Son en general métodos de cristalización o precipitación.
Se basan en generar una sobresaturación, teniendo una disolución de una concentración dada del compuesto que queremos precipitar, modificar la solubilidad de manera que se baje por debajo de la concentración y con eso generemos una sobresaturación que nos lleva a un precipitación, con lo que como en cualquier método de cristalización tenemos dos mecanismos competitivos para el proceso que son la nucleación o la formación de nuevos núcleos sólidos y el crecimiento de esos núcleos sólidos que evolucionan con cinéticas diferentes.
La nucleación suele ser a un nivel muy básico proporcional a la exponencial de la sobresaturación que estamos generando, mientras que el crecimiento es proporcional a la diferencia entre la solubilidad y la concentración. Es un proceso de transferencia de materia que es proporcional a la diferencia de concentraciones.
Así que hay que buscar manipular estos dos procesos para detener la formación de la partícula en el nivel al que queremos llevar. Si buscamos niveles de tamaños pequeños hay que favorece el proceso de nucleación y detener el fenómeno de crecimiento para que no crezcan demasiado. Eso se puede conseguir buscando procesos que incrementen la sobresaturación porque eso acelera el proceso de nucleación frente al de crecimiento. También se pueden emplear métodos alternativos como añadir compuestos que inhiban el crecimiento cristalino.
Aplicaciones biomédicas
Las aplicaciones en el sector de la alimentación muchas veces han venido precedidas por las aplicaciones biomédicas, que se han extendido al sector cosmético y de la alimentación.
Hay una diversidad enorme de productos que ya están comercializados, en general hay preferencia por los métodos top-down y hay muchas técnicas que están patentadas por diferentes compañías: métodos de molienda con técnicas para evitar la aglomeración del producto o técnicas basadas en una ultrahomogeneización.
Por ejemplo dentro del grupo de los liposomas para favorecer la absorción del compuesto activo para diversas aplicaciones, desde vacunas a tratamientos anticáncer, antifúngicos, también nanosuspensiones de partículas o compuestos que son insolubles en el medio gastrointestinal, buscando que con la reducción del tamaño de partícula, la nanosuspensión se favorezca la absorción de este compuesto activo . También materiales nanoencapsulados con diferentes materiales poliméricos.
Aplicaciones en alimentación
Hay un número amplio de aplicaciones en el sector alimentación y por enumerar alguna de las comerciales se pueden mencionar las que están basadas en productos naturales como contrapartida a productos sintéticos con el objetivo de usar esos productos como colorantes. Por ejemplo empresas como DSM que consiguen, combinando distintos productos basados en carotenoides o en extractos naturales, poder generar colores que imitan los colores naturales de distintos productos para poder utilizarlos en refrescos o bebidas vitaminadas sin necesidad de utilizar colorantes químicos, añadiendo así el valor de un compuesto con ciertas funciones biológicas como antioxidante o nutracéutico.
También hay muchos desarrollos encapsulados en micelas o en liposomas de compuestos activos que no se disuelven en agua. Hacer estos encapsulados nos permiten dispersarlos de forma muy homogénea en fase acuosa y así podemos dosificarlos en bebidas o microcápsulas que favorecen la adición del compuesto a distintos productos o que favorecen la absorción.
Hay un gran número de materiales nutracéuticos encapsulados en materiales inorgánicos porosos que favorecen una difusión fácil y controlada del compuesto nutracéutico que son neutros para la alimentación y que están distribuidos desde suplementos de vitaminas a compuestos cosméticos como champús o cremas.
También nanoquelatos para nutrientes y antioxidantes que aporten algunos quelantes como metales que pueden ser útiles para la salud. Un ejemplo son los nanotés que se comercializan en China que son tés enriquecidos con compuestos como selenio, ya que había un déficit en la alimentación en un segmento amplio de la población china.
Hay desarrollos en aplicaciones comerciales similares con la leche, ya que es un producto de difusión amplia y hay mucho interés en poder adicionar compuestos claves que quizás no se estén tomando adecuadamente en la alimentación.
Materiales de encapsulación
Dependiendo de este segmento de aplicaciones se pueden emplear distintos materiales de encapsulación como almidones, lecitinas, proteínas… La selección entre uno u otro viene dada tanto por condiciones organolépticas o cosméticas como también la funcionalidad que estemos deseando para el material micro o nanoencapsulado.
Por ejemplo los almidones de la patata o el maíz son materiales poco solubles y se pueden usar para tener una dosificación más o menos lenta, o también se pueden modificar con grupos ácidos de forma que se les dé un carácter hidrofílico que favorezca una nanoemulsificación o una dosificación en compuestos en agua.
La lecitina es un tipo de fosfolípido que es capaz de formar liposomas en dispersión acuosa y la goma arábiga es un compuesto natural muy admitido para aplicaciones en alimentación y que puede tener cierta capacidad para formar emulsiones.
También hay un rango amplio de polímeros sintéticos pero compatibles como pueden ser los polietilenglicoles, que según el peso molecular pueden ser más o menos fáciles de degradar en el sistema digestivo, o ácido poliláctico, policaprolactona o polímeros Pluronic, que se pueden emplear para aportar capacidades de emulsificación.
Hay un número relativamente amplio de técnicas que se emplean y vamos a presentar algunas de las más difundidas.
Evaporación de emulsiones
La evaporación de emulsiones se basa en generar una micro/nanoemulsión para que sirva de plantilla para limitar el tamaño del producto final al tamaño deseado para la aplicación que estemos buscando.
Es un proceso que consiste en preparar una disolución del compuesto activo en un disolvente orgánico o en un aceite y un material de encapsulación disuelto en agua. Se mezclan las dos disoluciones y se emulsifican empleando distintas técnicas (desde una agitación sencilla a cizalla dura de alta intensidad o de ultrasonidos) para conseguir una micronanoemulsión del tamaño deseado. Con esto tenemos una plantilla, el material activo dentro de las gotas rodeadas por el material de encapsulación, de forma que si a continuación eliminamos el disolvente podemos llegar a conseguir una encapsulación del material activo con una cierta eficacia. Al final tenemos una dispersión del material activo encapsulado en las micelas ya vacías de disolvente orgánico o bien podemos aplicarle un proceso de secado final para eliminar el agua para tener un producto seco.
En el laboratorio es un sistema que partiendo de las disoluciones nos permite hacer una primera emulsificación orgánico en agua, después eliminamos el disolvente orgánico (por ejemplo mediante una evaporación a vacio) así ya tenemos una disolución micelar de la cual con un proceso de secado quitamos el agua y tendremos el producto seco, y después lo podremos rehidratar para aplicarlo en una bebida. Es un proceso simple en el concepto pero difícil en la ejecución.
Hay que tener claro que la emulsión es la plantilla que estamos usando con lo cual hay una serie de parámetros que controlan el tamaño y la estabilidad de la emulsión como pueden ser la optimización del tipo y concentración del surfactane, el uso de técnicas de alta eficiencia para la emulsificación y también es importante la selección del disolvente orgánico.
La evaporación o eliminación el disolvente no sólo es importante porque tenemos que cumplir la legislación sino porque sobre todo es la etapa en la que estamos formando las partículas del producto. Por ello es importante tener un control preciso de este proceso como que tengamos unas condiciones homogéneas en todo el sistema.
Estas técnicas también se pueden aplicar para compuestos hidrosolubles haciendo un paso adicional que confiere más complejidad, que es la generación de una doble emulsión agua/orgánico/agua.
La evaporación de emulsiones es una de las técnicas más difundidas algunas aplicaciones son: con carotenoides, antioxidantes, tocoferoles… Son muchos los materiales que se procesan con esta técnica, sobre todo materiales con baja solubilidad en agua con el objetivo de generar una encapsulación en forma de micelas.
Coacervación
Otra de las técnicas clásicas empleadas es la coacervación. Se trata de un proceso que se basa en generar una separación de fases, habitualmente de una fase polimérica a partir de un sistema en una fase homogénea. Partiendo de una disolución homogénea que contiene el material que queremos emplear como material de encapsulación, generar una separación de fases del polímero para formar los coacervatos, que se puede hacer variando la temperatura o el pH, etc. De forma que si tenemos un compuesto activo en esta fase inicial hay que buscar una correspondencia del material de encapsulación y del compuesto activo de manera que estos coacervatos tiendan a asociarse con las partículas del compuesto activo y formen las cápsulas que después se pueden solidificar para llegar al producto final encapsulado. Se puede partir de un producto sólido en forma de una dispersión de partículas del producto activo o bien haciendo cápsulas de líquidos partiendo de una emulsión, de un disolvente orgánico o de un aceite.
Es una técnica aplicada para distintos tipos de proteínas u otros compuestos activos. Y es una de las que con mayor control nos permite reducir el tamaño a la escala manométrica.
Secado por espray
Es una técnica importante aunque no específica de nanotecnología. Mediante esta técnica no suele ser viable llegar al tamaño manométrico pero si es un complemento para un proceso de formulación general si procesamos una nanoemulsión o nanosuspensión de partículas, puede ser una técnica que nos permita agrupar las partículas en un formulado general en forma de microcápsulas.
Formulación de carotenoides como colorantes naturales
Es una aplicación muy interesante por sus funciones naturales como antioxidante, precursores de vitaminas y también por la posible aplicación como colorante natural, que está limitada por las propiedades de estos compuestos que ponen dificultades debido a su fácil degradación y a que no son solubles en agua, con lo cual para añadirlos a una bebida hay que buscar una forma de estabilizar las partículas del carotenoides en fase acuosa.
Una de las formas que podemos aplicar de formulación para este objetivo son las que adquieren una microestructura en fase acuosa que son las micelas o los liposomas. Hay dos técnicas, la primera de ellas se basa en el uso de una emulsión como plantilla para generar las partículas con el tamaño deseado, pero buscando sustituir el proceso de evaporación por un proceso de precipitación más rápido de manera que podamos acercar los tiempos de formación de partículas a los tiempos de generación de sobresaturación en nuestro proceso y así conseguirnos un mejor control sobre la precipitación. Si somos capaces de acelerar el proceso de precipitación y acercarlo a las cinéticas de sobresaturación podemos conseguir un mejor control del proceso.
La técnica consiste en generar una emulsión e inmediatamente tras el proceso de formación de la emulsión conseguir la sobresaturación por un tratamiento antisolvente. En el proceso partimos de tres disoluciones, la disolución acuosa del material de encapsulación que estemos empleando, una suspensión del material activo que queramos encapsular, en este caso betacaroteno y empleamos una corriente adicional del mismo disolvente orgánico que estamos usando en esta disolución.
En un primer paso tenemos un mezclador en el cual, operando a alta temperatura, conseguimos incrementar la cantidad de material activo que disolvemos en el disolvente orgánico, incrementado esa concentración del material activo podemos también incrementar la sobresaturación. Para ello cogemos la segunda corriente de disolvente orgánico y la precalentamos en un horno y con un sistema de inyección la mezclamos con la suspensión de partículas de forma que, reduciendo el tiempo de contacto a un tiempo lo más corto posible, consigamos la disolución completa.
El siguiente paso es mezclar esta disolución concentrada con la disolución acuosa para generar la emulsión, que se hace a través de un segundo mezclador, y con la idea de aplicar esta solución acuosa con unas condiciones de temperatura bajas de forma que tenemos una formación por una parte de la emulsión y de forma simultánea una precipitación por efecto antisolvente.
El producto final serían las micelas de material de encapsulación que contienen las partículas de betacaroteno a las que se puede añadir a agua y con distintas concentraciones conseguir distintas intensidades del color.
Extracción supercrítica de emulsiones
La segunda técnica que hemos aplicado es la denominada extracción supercrítica de emulsiones que también está basada en el concepto de la evaporación de emulsiones. Partimos de una disolución orgánica y una solución acuosa que mezclamos para hacer una emulsión pero en este caso sustituyendo el tratamiento térmico de evaporación por una extracción con CO2 para producir la precipitación y la eliminación del disolvente.
Se emplea CO2 en condiciones de alta presión, de forma que el CO2 es denso, capaz de mezclarse y disolver muy bien compuestos de bajo peso molecular como compuestos volátiles, como los disolventes orgánicos. Pero por el contrario no es un disolvente lo bastante fuerte como para disolver compuestos de mayor peso molecular como pueden ser los materiales activos, como los carotenoides. De manera que por la adición de este CO2 somos capaces de precipitar las partículas y llevarnos el disolvente orgánico sin extraer el betacaroteno.
Experimentos en celda visual
Para ver más claro el concepto de este proceso mostraré unos resultados obtenidos con una celda visual. En estos experimentos lo que vemos es una pequeña gotita de disolvente orgánico de la emulsión que está sumergida en agua y a la que a continuación sometemos a un tratamiento por contacto con CO2 a alta presión y a través de una cámara microscópica vamos a ir siguiendo la evolución de la gotita durante el proceso (ver vídeo).
Las condiciones que hemos empleado para hacer la precipitación han sido básicamente un almidón modificado como un compuesto natural que es capaz de formar micelas, unos surfactantes sintéticos como producto de contraste y diclorometano como disolvente orgánico para disolver el betacaroteno.
El equipo para hacer el proceso es bastante simple: un recipiente en el que cargamos la emulsión, otro recipiente en el que cargamos el CO2 y una bomba que de forma continua va circulando el CO2 por la emulsión para ir extrayendo el disolvente orgánico.
