microencapsulación unalm
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Microencapsulación Alejandra Rizo-Patrón
Analista de Nuevas Tecnologías MONTANA S.A.
Mayo 2012
Introducción
¿Qué es la Microencapsulación?
Tecnología que consiste en recubrir sustancias activas sensibles, con materiales poliméricos, dando lugar a microcápsulas que muestran
propiedades mejoradas.
Composición de una Microcápsula:
•Núcleo activo que contiene la sustancia activa •Delgada pared polimérica (o encapsulante) que envuelve al núcleo
Tipos de Microcápsulas • Cápsulas: > 3 mm (3000 m) • Microcápsulas: 1 - 3000 m • Nanocápsulas: 1-100 nm (0.001- 0.1 m)
Tipos de Microcápsulas
Microesfera tipo matriz
Microcápsula “core/shell”
Microcápsula polinuclear
Asensio, J. “Soluciones industriales de Micro y Nano-Encapsulación para medicina y farmacéutica, cosmética, detergencia,
alimentación, agroquímica, textil, pintura…”. 2010. Universidad Autónoma de Barcelona. España.
Interés Industrial en la Encapsulación
Si buscamos bibliografía técnico-científica…
Asensio, J. “Soluciones industriales de Micro y Nano-Encapsulación para medicina y farmacéutica, cosmética, detergencia,
alimentación, agroquímica, textil, pintura…”. 2010. Universidad Autónoma de Barcelona. España.
¿Cuáles son las Aplicaciones?
Funciones Importantes en la Industria Alimentaria
•Proteger de las sustancias activas
•Evitar o retardar su degradación •Separar sustancias incompatibles
•Modificar las propiedades de estas sustancias
•Enmascarar sabores •Enmascarar olores •Enmascarar colores
•Facilitar el proceso
•Vehicular líquidos en forma de sólidos •Disminuir toxicidad en la manipulación
•Marketing, estética del producto
Productos Procesados
Mentol en Goma de Mascar
Meyers, M. “Application of Flavour Encapsulation in Chewing Gum”. 4th Industrial Workshop on Microencapsulation.. May 2012.
Geneva, Switzerland.
Levadura en Panificación
Meyers, M. “Improving Food Using Encapsulated Materials”. 4th Industrial Workshop on Microencapsulation.. May 2012. Geneva,
Switzerland.
Semana Altura (cm) Levadura sin Encap.
Altura (cm) Levadura
Encap.
0 18.5 18.3
1 18.5 19.5
3 18.5 18.9
5 16.7 18.0
7 17.0 18.2
8 16.0 18.5
10 15.4 18.1
Encapsular para: •Evitar contacto prematuro con humedad •Evitar contacto con sustancias que pueden afectar actividad de la levadura (aldehído cinámico) •Controlar liberación del CO2
Materiales Encapsulantes
Efecto de la Polaridad
•Tecnología se basa en la diferencia de polaridades (afinidad) entre el núcleo y el material encapsulante. •Si el núcleo es no polar, el material encapsulante debe ser polar (y viceversa).
Encapsulantes para Núcleo Activo Hidrosoluble
Etilcelulosa Polianhídros
Alcoholes grasos Polibuteno
Ácidos grasos Poliactida
Resinas de hidrocarburos Ésteres de polimetacrilato
Mono-, di-, triglicéridos Poliortoésteres
Parafina, ceras naturales Zeína
Encapsulantes para Núcleo Activo Liposoluble
Albumina Látex
Alginato Metilcelulosa
Carboximetilcelulosa Polietilenglicol
Carrageninas Óxido de polietileno
Caseinato Polipectato
Derivados de celulosa Polivinil alcohol
Quitosan Polivinilpirrolidona
Gelatina Almidón
Hidroximetilcelulosa Maltodextrinas
Hidropropilcelulosa
Gomas/Polisacáridos (+, -, neutros)
Goma Carga
Goma guar (galactomanano) No iónic0
Carrageninas Aniónic0
Goma karaya Aniónic0
Goma arábiga Aniónic0
Alginato Aniónic0
Chitosan Catiónico
Goma xantán Aniónic0
Pectinas Anfotérica
Maltodextrinas Neutro
Diferencia en cargas = Diferencia en reología
Bioactivos Microencapsulados
Bioactivo Problemas Ejemplos
Vitaminas y Minerales
-Susceptibles a: cambios en temperatura, luz, oxígeno, humedad, pH -Fe: interacciones no deseadas con taninos, polifosfatos y polifenoles
-Vitaminas B y C, Fe y Ca: hidrosolubles -Vitaminas A, D, E, K, β-caroteno: liposolubles
Ácidos Grasos Funcionales
-Susceptibles al oxígeno, sabor a pescado -Omega-3: liposoluble
Probióticos -Susceptibles a: calor, humedad, pH Lactobacillus, Bifidus, etc.
Fitoquímicos -Causan cambio de sabor -Fitoesteroles, tocoferoles, carotenoides, coenzima Q10, cúrcuma, extractos de ajo, polifenoles
Proteínas, Amino Ácidos, Enzimas
-Causan cambio de sabor -Suero de leche, proteínas de soya, alinasa
Fibras -Producen cambio de sabor -Chitooligosacáridos, fibras modificadas
Caracterización Microcápsulas Ensayos característicos incluyen:
a. Características morfológicas: tamaño de partícula, estructura interna, densidad
b. Rendimiento de producción
c. Eficacia de la encapsulación y contenido de material activo vs. aceite en superficie
d. Estudio de liberación del material activo
e. Estado físico e interacciones polímero-material activo
Sistemas de Liberación
Ruptura de la cubierta
Disolución de la cubierta
Difusión a través de la
cubierta
Ventaja: Mecanismos de Liberación
Los sistemas deben ser diseñados con el mecanismo de liberación en mente.
•temperatura corporal, cocina, horneo, vapor, microondas Térmico
•masticación, peristalsis Acción
Mecánica
•rehidratación, disolución, masticación
Adición Humedad
•masticación, tracto gastrointestinal pH y Enzimas
Tecnologías
Resumen Tecnologías
Paso 1: Homogenización
Paso 2: Encapsulación
Procesos Involucrados:
Homogenización
Composición de la Emulsión: •Encapsulante(s) + agua deben estar en una fase. •Material a encapsular debe estar en la fase opuesta. •Tamaño de las partículas en emulsión rige nivel de encapsulación.
¿Cuáles son las Tecnologías? Procesos Físicos
Secado por Atomización
Enfriamiento tras
Atomización
Recubrimiento en Lecho
Fluido
Disco Giratorio con Orificios
Emulsificación
Procesos Químicos
Coacervación Compleja
Complejos con Ciclodextrinas
Proceso de Inyección Sumergido
Liposomas
Polímero-Polímero
Incompatible
Procesos Físicos
a. Secado por Atomización
Al atomizar 1L de concentrado, se obtienen 1.5x1010 gotas con un diámetro aproximado de 50 micras.
GEA Niro. “Spray Drying”. http://www.niro.com/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb8clgh6. 2012.
Formación de Microcápsula
calor
Fuerza centrífuga
Paso 1
•Gota que sale del rotor del atomizador
•Fase dispersa y fase dispersante en mezcla homogénea en agua
Paso2
•En el camino hacia la pared del secador, la gota va disminuyendo de tamaño
•Al evaporarse el agua, arrastra el material encapsulante hacia la superficie
Paso 3
•Una vez evaporada el agua, se obtiene la microcápsula
•Encapsulante: afín al agua
•Núcleo: hidrofóbico
Formación de Micro Capas
calor
Fuerza centrífuga
Paso 1
•En lugar de 1 material encapsulante, se usan varios
•Polisacárido complejo, azúcar y proteína
Paso2
•En el camino hacia la pared del secador, la gota va disminuyendo de tamaño
•Al evaporarse el agua, arrastra el material encapsulante hacia la superficie
Paso 3
•Se obtiene microcápsula con varias capas
•Los distintos materiales son arrastrados por el agua en función a su polaridad
•El calor provoca una reacción de Maillard formándose una capa externa más compleja e impermeable que ofrece mayor protección
Análisis Efecto Oxidante
Efecto del material encapsulante en la oxidación del limoneno después del secado por atomización.
Protección contra la oxidación es dependiente en el material encapsulante utilizado.
Oxley, J. “Materials Used in Encapsulating Bioactives”. May 2012. South Western Research Institute. Texas, USA.
Análisis Efecto Oxidante
Efecto de maltodextrinas con diferentes DE (equivalentes de dextrosa) en la oxidación de aceite de naranja después del secado por atomización.
Incremento en DE reduce la oxidación del aceite de naranja.
Oxley, J. “Materials Used in Encapsulating Bioactives”. May 2012. South Western Research Institute. Texas, USA.
b. Enfriamiento tras Atomización
Microcápsulas tienen un diámetro entre 50-150 micras. Encapsulamiento de núcleos hidrosolubles, pared liposoluble (grasas hidrogenadas, mono y di-glicéridos).
GEA Niro. “Spray Cooling”. http://www.niro.com/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb8clgh6. 2012.
Bebidas con Fe •Se recomienda encapsular el Fe para prevenir que este interactúe como vitaminas y/o extractos. •Dicha interacción podría crear una suspensión de partículas marrones en la superficie del líquido.
Concentrado de ciruela Concentrado de uva Concentrado de zanahoria Concentrado de arándano Manzanilla Jengibre
“Mintel”. http://www.gnpd.com/sinatra/gnpd/search_results&search_id=KddCoJsAPa/&item_id=1669538. 2012.
c. Recubrimiento en Lecho Fluido
Tecnología se emplea para obtener polvos, granulados, aglomerados y pellets con un diámetro
promedio de 50 micras-5mm.
GEA Niro. “Fluidized Bed”. http://www.niro.com/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb8clgh6. 2012.
Encapsulamiento del ω-3 • Reacciones en cadena de radicales libres en la presencia de Oxígeno
• Al encapsular, se controla liberación del ω-3 (en el intestino delgado) • Productos de Oxidación:
• Dañinos para la salud • Atributos sensoriales no deseados
R-COOH Peróxidos
Aldehídos
Alcoholes
Cetonas
Cortesía de Ocean Nutrition
Cortesía de Ocean Nutrition
Productos Procesados con ω-3
Procesos Químicos
a. Coacervación Compleja • Proceso de separación de fases que tiene lugar de forma espontánea.
• En un medio acuoso se mezclan dos o más coloides que presentan carga opuesta, como
resultado de su atracción electrostática.
• Combinación: una proteína y un polisacárido.
Ejemplo: gelatina y goma arábiga
Oxley, J. “Microencapsulation: Chemical Process”. May 2012. South Western Research Institute. Texas, USA.
Coacervación Compleja
Oxley, J. “Microencapsulation: Chemical Process”. May 2012. South Western Research Institute. Texas, USA.
b. Formación de Complejos con Ciclodextrinas
¿Qué son las ciclodextrinas (CDs)?
• Oligosacáridos macrocíclicos naturales derivados del almidón.
• Catálisis enzimático a partir de la CGTasa.
• Son completamente metabolizadas por la microflora del colon, consideradas GRAS desde 1998.
• Cavidad interior hidrofóbica que permite complejación con numerosas sustancias: aromas, ácidos
grasos, antioxidantes.
Tipos de Ciclodextrinas
β-Ciclodextrinas • De los cientos de CDs modificadas que existen, solo algunas son sintetizadas a nivel industrial a
precios competitivos.
Estructura Tronco-Cónica
Núñez, E. “Ciclodextrinas como agentes complejantes de compuestos activos”. Universidad Católica San Antonio de Murcia.
España.
Complejo de Inclusión
Núñez, E. “Ciclodextrinas como agentes complejantes de compuestos activos”. Universidad Católica San Antonio de Murcia.
España.
Kc = constante de complejación
Morfologías según Técnica
Bibliografía • Asensio, J. “Soluciones industriales de Micro y Nano-Encapsulación para medicina y farmacéutica, cosmética, detergencia, alimentación, agroquímica, textil,
pintura…”. 2010. Universidad Autónoma de Barcelona. España.
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• Kumar, A., Singh, H. “Recent advances in microencapsulation of probiotics for industrial applications and targeted delivery”. 2007. Trends in Food Science and
Technology. USA.
• Madene, A., Jacquot, M., Scher, J., Desobry, S. “Flavour encapsulation and controlled release – a review”. 2006. International Journal of Food Science and
Technology. France.
• Meyers, M. “Application of Flavour Encapsulation in Chewing Gum”. 4th Industrial Workshop on Microencapsulation.. May 2012. Geneva, Switzerland.
• Meyers, M. “Improving Food Using Encapsulated Materials”. 4th Industrial Workshop on Microencapsulation.. May 2012. Geneva, Switzerland.
• “Mintel”. http://www.gnpd.com/sinatra/gnpd/search_results&search_id=KddCoJsAPa/&item_id=1669538. 2012.
• Núñez, E. “Ciclodextrinas como agentes complejantes de compuestos activos”. Universidad Católica San Antonio de Murcia. España.
• Oxley, J. “Materials Used in Encapsulating Bioactives”. May 2012. South Western Research Institute. Texas, USA.
• Oxley, J. “Microencapsulation: Chemical Process”. May 2012. South Western Research Institute. Texas, USA.
• Parra, A. “Revision: Microencapsulación de alimentos”.
• Pulido, A., Beristain, C.I. “Encapsulación de ácido ascórbico mediante secado por aspersión, utilizando quitosano como material de pared”. 2010. Instituto de
Ciencias Básicas, Universidad Veracruzana. México.
• Sanguansri, L., Augustin, M.A. “Microencapsulation in functional food product development”. 2010. Smith & Charter. USA.
• Werner, M. “The strategic use of supramolecular pka shifts to enhance the bioavailability of drugs”. 2011. School of Engineering and Science, Jacobs
University. Bremen, Germany.
• Wilson, N., Shah, N.P. “Microencapsulation of Vitamins”. 2007. ASEAN Food Journal. Australia.
• GEA Niro. “Fluidized Bed”. http://www.niro.com/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb8clgh6. 2012.
• GEA Niro. “Spray Cooling”. http://www.niro.com/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb8clgh6. 2012.
• GEA Niro. “Spray Drying”. http://www.niro.com/niro/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb8clgh6. 2012.