5/07/2006

NANOTECNOLOGIA EN GRASAS Y ALIMENTOS NUTRACEUTICOS Y FUNCIONALES




¿QUE ES LA NANOTECNOLOGIA?

Nanotecnología, desarrollo y producción de artefactos en cuyo funcionamiento resulta crucial una dimensión de menos de 100 nanómetros (1 nanómetro, nm, equivale a 10-9 metros o sea 0.000000001 metros). Nanotecnología se ha definido como la Ciencia, Ingeniería y Tecnología relacionada con el entendimiento y control de la materia entre 1 a 100 nm.

El 29 de diciembre de 1959, el físico estadounidense Richard Feynman( Feynman, R.P. 1959. There is plenty of room at the bottom. Presented at Ann.Mtg., Am. Physical Soc., California Inst. of Technology, Dec. 29) dio una conferencia ante la American Physical Society titulada “Hay mucho sitio en lo más bajo”. En aquella conferencia, Feynman trató sobre los beneficios que supondría para la sociedad el que fuéramos capaces de manipular la materia y fabricar artefactos con una precisión de unos pocos átomos, lo que corresponde a una dimensión de 1 nm, aproximadamente. Feynman pronosticó correctamente, por ejemplo, el impacto que tendría la miniaturización sobre las capacidades de las computadoras electrónicos; también predijo el desarrollo de los métodos que se emplean en la actualidad para fabricar circuitos integrados, y la aparición de técnicas para trazar figuras extremadamente finas mediante haces de electrones. Incluso planteó la posibilidad de producir máquinas y motores a escala molecular, que nos permitirían manipular moléculas. Cuarenta años después de aquella conferencia, los expertos que trabajan en el campo de la nanotecnología están empezando a poner en práctica algunas de las ideas propuestas originalmente por Feynman, y muchas más que no se previeron entonces.
Físico Richard Feynman

Para captar intuitivamente la longitud de un nanómetro, consideremos un cabello humano. Típicamente suele tener un espesor de unos 100 micrómetros (µm, un micrometro es igual a 0,000001 metros) . Una bacteria normal es unas 100 veces más pequeña, con un diámetro de alrededor de 1 µm. Un virus del resfriado común es aproximadamente 10 veces menor, con un tamaño de unos 100 nm. Una proteína típica de las que componen la envoltura de dicho virus tiene unos 10 nm de espesor. Una distancia de 1 nm equivale a unos 10 diámetros atómicos, y corresponde a las dimensiones de uno de los aminoácidos que componen esa proteína. Por tanto, puede verse que 1 nm supone una tolerancia dimensional extremadamente pequeña, pero ya hay varias tecnologías que están próximas a alcanzarla.


  • UNA RUEDA MOLECULAR INMOBILIZADA

    Y OTRA EN MOVIMIENTO

    NANOTUBULO DE CARBONO
    En la imagen, ampliada 120.000 veces, se ve en color azul un alambre molecular o nanotubulo de carbóno de sólo 10 átomos de anchura, situado ante unos electrodos de platino. El alambre, con un diámetro de 0,0000015 mm, es un ejemplo del tipo de circuitos que se podrían utilizar en las computadoras del futuro, como las computadoras moleculares.


    Desarrollo de la nanotecnología

    Lo que llevo al desarrollo de esta área en los laboratorios de investigación, no ocurrio hasta mediados de 1980, cuando se desarrollaron algunas herramientas analíticas como la microscopía de tunel de barrido y la microscopía de fuerza microscópica. La habilidad descubierta para ver y mover átomos y moléculas en una manera precisa, se extendió rapidamente para ser utilizada en muchos otros campos de la ciencia.

    NANOTUBULOS DE CARBONO

    El descubrimiento de nuevos materiales como la fullerenes y los nanotubulos de carbon, y la caracterización de sus típicas propiedades físicas y químicas, fueron esenciales en el entendimiento que sus propiedades eran gobernadas por la mecánica cuántica en lugar de la mecánica Newtoniana. Esto abrió un nuevo mundo, estimulando la imaginación y creatividad de científicos e ingenieros. Una nueva onda de descubrimientos científicos se aseguró en la ciencia, tecnología e ingeniería de la nanoescala.

    NANOTUBULO

    Sistemas de Suministro de Nanopartículas en Alimentos y Grasas

    Cuando las moléculas amfifílicas como los surfactantes, lípidos y los co-polímeros que tienen características polar y no-polar, son dispersados en un solvente polar , las interacciones hidrofóbicas hace que ellas espontáneamente se auto-ensamblen en un montaje de fases de líquido cristalino, liotrópicos, termodinámicamente estables, con escalas de longitud características en los nanómetros. Estas incluyen micelios, estructuras (tubulares) hexagonales, estructuras lamelares y cubosomas, los cuáles poseen un alto grado de orientación molecular, a pesar de la realidad que ellos existen en un estado líquido.

    A=MICROEMULSION

    B=LIPOSOMA

    C=NANOEMULSION

    D=NANOPARTICULA BIOPOLIMERICA

    MICELIOS

    Los micelios son partículas esféricas sub-micrónicas, típicamente 5-100 nanómetros en diámetro, que son formadas espontáneamente por la disolución de surfactantes en agua a concentraciones que exceden un nivel crítico, conocido como "concentración crítica del micelio". Una propiedad resaltante de los micelios, es que ellos tienen la habilidad de encapsular moléculas no polares como lípidos, saborizantes, antimicrobianos, antioxidantes y vitaminas. Estos compuestos no son solubles en agua o son ligeramente solubles, pero pueden con la ayuda de micelios, ser solubles en agua. Micelios conteniendo materiales solubilizados son denominados microemulsiones o micelios hinchados.

    Aplicaciones exitosas de microemulsiones incluyen la encapsulación de limonene, licopeno, luteína, y ácidos grasos omega-3 usando una variedad de emulsificantes grado alimenticio, a pesar que en algunos casos se usó al atanol como surfactante. Se han realizado aplicación de patentes, para incorporar aceites esenciales saborizantes a bebidas carbonatadas y para encapsular alfa-tocoferol con el fín de reducir la oxidación de los lípidos en el aceite de pescado.

    LIPOSOMAS

    Los liposomas, o vesículas de lípidos son formados de lípidos polares que son abundantes en la naturaleza, principalmente fosfolípidos de la soya y los huevos. Como los micelios, los liposomas pueden incorporar una variedad amplia de componentes funcionales en su interior. Sin embargo, en contraste con los micelios, ellos pueden ser usados para encapsular a compuestos solubles en agua y en grasa. Los liposomas son esféricos, agregados polimoleculares con una configuración de concha de dos capas. Dependiendo de el método de preparación, las vesículas de lípidos pueden ser uni- o multilamelar conteniendo una o más conchas de dos capas, respectivamente. Los liposomas tipicamente varían en tamañ entre 20 nm (nanómetros) y unos cientos de micrometros. Su interior es acuoso por naturaleza, su composición química corresponde a la solución acuosa en la cuál las vesículas estan preparadas. Debido a la carga de los lípidos polares usados en la preparación de los liposomas, las especies solubles solubles en agua y cargadas, pueden ser atrapadas en el interior de los liposomas. El pH y la fortaleza iónica del interior del liposoma, pueden luego diferir de esos en la fase continua en la cuál los liposomas son más tarde dispersados.

    LIPOSOMAS

    Los liposomas han sido exitosamente usados para encapsular proteínas, y proveer un micro-ambiente en el cuál las proteínas pueden continuar funcionando, sin importar las condiciones ambientals externas afuera del liposoma. El interior del liposoma, tiene propiedades que se asemejan a un solvente orgánico. Por esto, los compuestos lipídicos pueden ser encapsulados dentro del liposoma, en un proceso conocido como Adsolubilización.

    Taylor et al. (Taylor, T.M., Davidson, P.M., Bruce,B.D., and Weiss, J. 2005. Liposomal nanocapsules in food science and agriculture. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 45: 1-19) revisaron la aplicación en alimentos de los liposomas. Ellos citaron estudios con los liposomas para incrementar la vida en el estante de los productos lácteos mediante la encapsulación de lactoferrina, una glucoproteína bacteriostáctica, asi como la nisina z, un polipéptido antimicrobiano. Fosvitina atrapada en liposomas fué usada para inhibir la oxidación de lípidos en una variedad de productos lácteos y carne molida de cerdo. La vitamina C encapsulada en los liposomas, retuvo el 50% de la actividad después de de 50 días de almacenamiento refrigerado mientras que la vitamina C no encapsulada perdió su actividad después de 19 días.

    NANOEMULSIONES

    Las nanoemulsiones son emulsiones muy finas (o/w) de aceite en agua, con diámetro promedio en las gotas de 50 a 200 nm (nanómetros). Una emulsión se define como una mezcla de dos lquidos inmiscibles, como el agua y el aceite, con uno de los líquidos siendo dispersado en el otro en forma de gotas. Ejemplos de emulsiones son la mayonesa, leche, salsas con grasa, y aderezos para ensaladas. En contraste con estas emulsiones o/w, las nanoemulsiones no dispersan la luz en la región visible de el espectro por su pequeño tamaño; por eso ellas aparecen claras en lugar de ser opacas como en la mayonesa y la crema de leche. También por su tamaño pequeño, ellas no forman crema en un tiempo apreciable. El cremado es el proceso donde las gotas de aceite se mueven a la superficie de la emulsión para formar una capa concentrada de gotas de aceite, conocida como nata en la leche.
    Las nanoemulsiones y las emulsiones normales (macroemulsiones) pueden ser elaboradas usando homogenizadores de alta presión, o canales de membrana y canales microfluídicos (Nakajima, M. 2005. "Development of Nanotechnology and Materials for Innovative Utilization of Biological Functions." Proceedings of the 34th United States and Japan Natural Resources (UJNR) Food and Agriculture Panel, Susono, Japan). Por su tamaño pequeño, las nanopartículas tienen excelente propiedades de penetración, para asegurar una entrega rápida de altas concentraciones de ingredientes activos a las membranas celulares. Por ejemplo, las nanoemulsiones han sido usadas en la nutrición parenteral por largo tiempo. También exhiben algunas propiedades de textura interesantes que difieren de las emulsiones normales. Por ejemplo, pueden comportarse como una crema viscosa a concentraciones muy bajas de las gotas de aceite, una realidad que ha llamado la atención en el desarrollo de productos bajos en grasa.

    NANOPARTICULAS BIOPOLIMERICAS

    Estas nanopartículas consisten de una matriz de biopolímeros que pueden estar conectadas a través de fuerzas intermoleculares de atracción o a través de enlaces químicos covalentes para formar partículas sólidas. Las nanopartículas pueden consistir de un biopolímero simple o puede tener una estructura de concha-interior. Debido a la versatilidad en términos de compuestos que pueden ser encapsulados, y el grado a el cuál estas partículas pueden ser sometidas a la ingeniería, y las propiedades de superficie pueden ser diseñadas. Se han convertido en el más prometedor sistema de entrega en las industrias farmaceúticas y de cosméticos.

    Hoy, un a amplia variedad de polímeros naturales y intéticos, han sido usados para encapsular y transportar compuestos. Entre estos esta el chitosan, un polímero anti-microbiano y antioxidante obtenido de las conchas de crustáceos y el compuesto sintético poli-láctico.

    CHITOSAN CON NANOPARTICULAS Y MICROPARTÍCULAS

    CUBOSOMAS

    Los cubosomas son fases cúbicas bi-continuas que consisten de dos regiones hidrofílicas no-intersectadas, continuas, separadas divididas por una capa de lípidos que es concentrada en una superficie mínima periódica con curvatura de promedio cero (Spicer, P. 2004. Cubosomes:Bicontinuous cubic liquid crystalline nanostructured particles. In "Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology," ed. J.A. Schwarz, C. Contescu, and K. Putyera.Marcel Dekker, New York). La estructura continua y periódica resulta en una viscosidad de la fase cúbica bruta. Sin embargo, los cubosomas preparados en dispersión, mantienen una estructura de nanómetros, idéntica a esa de la fase cúbica bruta, pero producen una viscosidad mucho más baja, similar a la del agua. Su diseño puede ser usado para hacer lenta la difusión en aplicaciones controladas de transporte. Su propiedad óptica isotrópica, permite el uso en diferentes productos. Comparados con los liposomas, los cubosomas tienen un área mucho más alta de el radio bi-capa a el volúmen de la partícula.

    La estructura de los cubosomas pueden ser cambiados mediante la modificación de las condiciones ambientales, como el pH, fuerza iónica, o temperatura, esto produce un desprendimiento controlado de bioactivos solubilizados en matrices alimenticias como un resultado de su estructura nanoporosa(aproximadamente 5 a 10 nanómetros); su habilidad para solubilizar moléculas hidrofóbicas, hidrofílicas y amfifílicas; y su biodegradación y digestabilidad por simple acción enzimática. La fase cúbica es fuertemente bioadesiva, así pueden encontrar aplicaciones en desprendimiento de sabores via su descomposición mucosal y transporte de compuestos efectivos. Sin embargo, su estructura puede llevar a aplicaciones donde se desea enmascarar los sabores no placenteros, o se desean sabores deseables, debido a la baja difusividad efectiva. Esto es ideal para formulación apropiada de productos, para propósitos específicos



    Tomado de:
    HONGDA CHEN, JOCHEN WEISS, AND FEREIDOON SHAHIDI.2.006.
    Nanotechnology in Nutraceuticals and Functional Foods. Food Technology 60
    (3):30-36.

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