ES2764899B2 - Proceso para la obtencion de una nanoemulsion con antioxidantes naturales encapsulados para la conservacion de alimentos frescos y minimamente procesados, y la nanoemulsion asi obtenida - Google Patents
Proceso para la obtencion de una nanoemulsion con antioxidantes naturales encapsulados para la conservacion de alimentos frescos y minimamente procesados, y la nanoemulsion asi obtenida Download PDFInfo
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Description
DESCRIPCIÓN
PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE UNA NANOEMULSIÓN CON ANTIOXIDANTES NATURALES ENCAPSULADOS PARA LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS FRESCOS Y MÍNIMAMENTE PROCESADOS, Y LA NANOEMULSIÓN ASÍ OBTENIDA
CAMPO TÉCNICO
La presente invención corresponde a métodos de extracción óptima y de encapsulamiento dentro de una matriz nanoemulsionada, aplicable en especial a la conservación de frutas, hortalizas, cereales frescos, jugos y alimentos mínimamente procesados dirigidos a humanos o animales; comprende además, la formulación y encapsulación optimizada.
Esta invención está comprendida en el campo técnico de la nanotecnología e industrias alimentarias, bioindustria, biotecnología y derivados agroindustriales.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los recubrimientos comestibles son emulsiones dispersas constituidas por homogenización de sustancias no miscibles, que pueden ser categorizadas en tres tipos diferentes, a) aceite: agua (O/W) b) agua: aceite (W/O) c) multi-emulsión (W/O/W o O/W/O), que depende cada una del elemento que se va a dispersar sobre la matriz mayoritaria. Estas se utilizan comúnmente para conservar la vida útil de alimentos, a través de polisacáridos con poder microbiano como el quitosano, que conserva la vida útil de frutas y hortalizas en postcosecha, u otros alimentos como el huevo, leguminosas o incluso cereales, al aumentar la capacidad antimicrobiana de estos productos frescos.
Actualmente la investigación, desarrollo e innovación de películas comestibles en el ámbito de la conservación de alimentos como frutas y hortalizas se está desarrollando cada vez más debido al cambio climático que aqueja a todos los países en el mundo y al inminente deterioro que presentan los alimentos en general debido a su exposición a condiciones ambientales. Además, el deseo de las empresas logísticas y agroindustriales por conservar con métodos que empleen cada vez menos energía, respecto de las técnicas en vigencia como la congelación y la conservación con atmósfera controlada, incentiva este tipo de productos. Afortunadamente, la tecnología evolucionó y los recubrimientos comestibles se
desarrollaron en un nivel de partícula más pequeña, a escala micrométrica, que permitió una mejor aplicación sobre la superficie de los alimentos y una estabilidad termodinámica mayor en el tiempo, en comparación con las emulsiones de tamaño de gota normal. Sin embargo, el uso de tensoactivos químicos para lograr la formación espontánea de esas microemulsiones, se volvió un problema, dado que los productos se volvían tóxicos. Por ello se desarrolló efectivamente la nanotecnología de las emulsiones, que conllevó a brindarles una estabilidad cinética, gracias a procesos de homogenización a altas velocidades y presiones, con lo cual se disminuyó el uso de tensoactivos al mínimo.
Es así, que las nanoemulsiones son composiciones estables, molecularmente compuestas principalmente por una mezcla agua - aceite, de manera que las partículas internas están en un rango nanométrico entre 20 - 500nm. Estas mezclas nanométricas se caracterizan y se consideran el mejor medio para facilitar el transporte, liberación y absorción de agentes activos funcionales como antioxidantes, antimicrobianos o incluso nutracéuticos (Cardoso & Jiménez, 2015); además exhiben baja percepción sensorial por lo que presentan diversos usos en sectores como el farmacéutico, cosmético, medicina o incluso alimentos. No obstante, la tendencia mundial se dirigió al uso de productos naturales u orgánicos que supone estar libres de insumos dañinos a la salud, o un enfoque relacionado con superalimentos, lo que influyó al desarrollo de productos con agentes activos extraídos de compuestos naturales, así la tendencia hizo que los recubrimientos comestibles dirigidos a alimentos se fueran enriqueciendo con aceites esenciales de hortalizas aromáticas como el orégano, romero, canela y demás antioxidantes, que contienen compuestos fenólicos que le confieren estas características adicionales competentes a la conservación de los alimentos con propiedades nutricionales adicionales, requeridas por el mercado.
Los agentes activos funcionales extraídos en procesos industriales pueden ser polifenoles, terpenos, glucósicos o alcaloides, esto depende de la materia prima utilizada. Por ejemplo, los polifenoles abundan en frutas, en forma de compuestos fenólicos; mientras los terpenos en el aceite esencial de las hierbas aromáticas. Los flavonoides son compuestos fenólicos caracterizados por representar una fuente importante de antioxidantes que ayudan a reducir el estrés oxidativo de lípidos, proteínas y ácidos nucleicos a causa del oxígeno circundante en el medioambiente (Cerón, Higuita & Cardona, 2010). Sin embargo, los avances científicos en biotecnología de alimentos, contribuyó al reaprovechamiento de diversos agentes activos, como los flavonoides, presentes en los residuos con gran potencial antioxidante, que se encuentran en cáscaras y pepas de diversas frutas. Por ello, países con
gran biodiversidad, como el Perú, deben aprovechar los remanentes agroindustriales para transformarlos y producir aditivos hechos a base de antioxidantes que puedan hacer funcionales diversos productos alimenticios, es decir que nutra y prevenga enfermedades, de manera que es comercialmente viable, y sostenible con el medio ambiente. Además los compuestos fenólicos naturales presentan una aceptación cada vez mayor por las industrias, e instituciones de carácter mundial como la FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) que exige alimentos seguros, libres de contaminación bacterial y toxicidad causados por aditivos sintéticos usados comúnmente en la industria alimenticia (Conte et al, 2007); no obstante, los compuestos fenólicos presentan el problema técnico de la volatilidad y sensibilidad debido a su composición química, lo cual representó un problema para poder conservarlos efectivamente, además el uso de insumos químicos inorgánicos para las etapas de extracción y concentración perjudica la condición comestible del producto. De esta manera se desarrollaron tecnologías como la nanofiltración de compuestos y la encapsulación para conservar los compuestos activos, a diferentes tamaños de partícula de compuestos volátiles, como son los antioxidantes u otros productos como los omegas, vitaminas, proteínas y demás, que contribuyen a mantener y/o mejorar las características nutricionales y organolépticas en el tiempo, de los alimentos mínimamente procesados.
En el estado del arte se encuentran patentes de invención relacionadas a la producción de nanoemulsiones dirigidas a la conservación de alimentos en general, que utilizan procesos extensos e inexactos de homogenización a altas velocidades y presiones, o por fragmentación mecánica con el empleo de tensoactivos químicos, con lo cual se obtiene emulsiones agua - aceite de granulometría fina por debajo de los 100 nanómetros (nm); también solicitudes de patentes como EP728460 o EP1016453 utilizan tensoactivos o polioles químicos para estabilizar la emulsión y obtener la granulometría deseada. La patente US20140205722A1 menciona la composición de una nanopartícula lipídica sólida compleja que conserva por largos periodos de tiempo frutas, vegetales, semillas y/o cereales a partir de una base de lípidos constituidos por ceras, e insumos adicionales como proteínas, agentes antioxidantes y los materiales formadores de films. Asimismo existen patentes como KR20140115427 y KR20160005182A que proponen nanoemulsiones, que no mencionan los procesos de extracción eficiente de sus compuestos activos, y presentan procesos inexactos que competen a soluciones antioxidantes de curcumina y aceite de canela debido a su principio funcional antimicrobiano, estas se obtienen a través de una mezcla entre emulsificador y agua, seguida por una mezcla con el aceite y el agente
antimicrobiano, para finalmente mezclarse ambos productos por altas presiones. Finalmente la patente CN104997129 propone procesos extensos de un aditivo alimentario usando compuestos de hortalizas, para ello el insumo con el compuesto activo (árbol de Larix) es pulverizado y extraído por ultrasonido usando etanol como solvente químico a 60-70°C por 30-50 minutos, luego es concentrado con aditivos químicos como el ácido sulfúrico para finalmente centrifugarse y cristalizarse.
Respecto a la extracción de compuestos antioxidantes se utilizan métodos con solventes orgánicos o tratamientos hidrotérmicos con recirculación. La patente W02004009206A1 es un procedimiento de extracción de compuestos fenólicos que utiliza reactores a temperaturas entre 180°-240°C por tiempos hasta 30 minutos en reacción para luego dejar enfriar por horas y retirar la fracción liquida filtrada, lo cual no preserva las características antioxidantes dado las temperaturas utilizadas ni resulta eficiente. La patente ES2198286T3 es un nuevo proceso para obtener antioxidantes naturales que consiste en la extracción con disolventes orgánicos a temperaturas hasta 100°C con un enfriamiento rápido, evaporación del disolvente orgánico, destilación de la solución y secado en lecho fluidizado, esto significa demasiados procesos extensos y el uso de químicos para elaborar el producto final.
La patente US2016262438 menciona un método de extracción de fenoles, que se basa en la concentración de jugo antioxidante hasta un grado Brix de 25°, para luego ser sometido a procesos de adsorción con resinas y etanol como solvente, finalmente se concentró en rotavapor para pulverizarse con el método de Spray Dryer, esto demanda de procesos extensos, complejos y que demandan altos costos por los procesos prolongados. Por último, la patente CN104305468 es un método extenso y que emplea químicos para la preparación de antioxidante de sésamo, que consiste en secar las semillas, realizar un proceso de "degreasing” con n-hexano y una extracción con etanol en alta concentración por un lapso de 1 día, para finalmente concentrarse en rotavapor. En el estado de la técnica no se han registrado el uso de la tecnología de nanofiltración dirigida a la concentración y purificación de soluciones antioxidantes, la patente ES2294696T3 muestra un método que incluye varias etapas de nanofiltración de soluciones de albumina hasta lograr la pureza y concentración deseada.
Respecto a las técnicas de encapsulación de compuestos activos son utilizadas en campos muy diversos, desde la farmacéutica hasta la agroquímica. Las técnicas utilizadas competen al uso de materiales poliméricos para envolver agentes activos involucrados, seguido por
técnicas para obtener cápsulas en tamaño de partícula, cada vez más pequeña, que resultan mediante procesos de secado por atomización, fluido supercrítico o en casos excepcionales procesos de criodesecación con solventes. La patente ES2213572T3 es un procedimiento complejo, pero viable industrialmente para microencapsular sustancias solubles en agua, que compete a una mezcla de la sustancia con polímeros biodegradables y un disolvente químico para homogenizar la muestra en condiciones ideales para la formación de la micropartícula, que se solidifica a través de la eliminación de este disolvente. La patente ES2268073T3 es un procedimiento para microencapsular agentes activos agrícolas, para lo cual mezclan materiales químicos de alto punto de fusión y otro con punto de fusión normal, que se calientan hasta volverse líquidos y mediante procesos de polimerización interfacial se vuelven una microcápsula en estado sólido, esto supone que el antioxidante microencapsulado pueda deteriorarse debido al calor expuesto en sobre medida.
Por su parte, se ha podido identificar el siguiente documento no patente que también citamos como antecedente: Memorias del XXXIV Encuentro Nacional y III Congreso Internacional de la AMIDIQ. Mazatlán, Sinaloa, Mexico. 7 - 10 de Mayo de 2013. M. G. Michel Barba, et al. Efecto de los parámetros de procesamiento de la microfluidización sobre las propiedades fisicoquímicas de nanoemulsiones (goma arábica - aceite de linaza). pags: 2738 - 2743. ISBN: 978-607-95593-1-1. En esta publicación se describe un método para la realización de una microemulsión a partir de aceite de linaza y goma arábica. Se forma una dispersión coloidal a partir de goma arábica disuelta y filtrada. La muestra de emulsión se prepara con 3% p/p de fase dispersa en relación goma arábica: aceite de linaza igual a 2:1. Así se forma una emulsión gruesa donde se añade gota a gota el aceite de linaza a la dispersión coloidal de la goma arábica, empelando un dispersor de alto corte, a 5000 RPM por 10 minutos a una temperatura de 20°C. Luego esa emulsión gruesa fue homogenizada en un microfluidizador, por triplicado. Para todo el trabajo se utilizó agua desionizada. Sin embargo, este proceso difiere en cuanto a los parámetros de temperatura, tiempo y rpm utilizadas durante el proceso.
Por lo expuesto es necesario contar con un proceso para obtener nanoemulsiones con alto poder antioxidante proveniente de residuos de frutas y/o hortalizas y/o cereales, eficientemente encapsulados, y de fácil proceso sin aditivos químicos orgánicos en el producto final, que contribuyan a conservar y/o mejorar las características nutricionales y
organolépticas en alimentos frescos y mínimamente procesados, dirigidos a humanos y animales, con grado alimenticio.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Cada vez se requiere de más productos que contribuyan a la conservación de alimentos y otros productos naturales, los cuales no comprendan elementos, sustancias, derivados sintéticos o artificiales y que a su vez tengan propiedades nutracéuticas, sean de fácil obtención y amigables con el medio ambiente, disminuyendo el impacto ambiental de la industria que utiliza insumos vegetales, como frutas, hortalizas y cereales y descarta restos de material orgánico.
En la presente solicitud de patente se plantea una solución al problema descrito.
La invención comprende un método para la obtención de una suspensión preservante, en adelante nanoemulsión, la cual contiene agentes activos encapsulados en escala nanométrica; se da a conocer la formulación de dicho producto y su aplicación para la conservación de diferentes productos o derivados alimenticios naturales tales como frutas, hortalizas y cereales frescos o mínimamente procesados y jugos.
En ese sentido, el objeto de la invención es la elaboración de un método para obtener nanoemulsiones con alto poder antioxidante proveniente de residuos de frutas y/o hortalizas y/o cereales, eficientemente encapsulados, y de fácil proceso sin aditivos químicos orgánicos ni con grado alimentario en el producto final, que contribuyan a conservar y/o mejorar las características nutricionales y organolépticas en productos frescos o mínimamente procesados, dirigidos a humanos y animales, con grado alimenticio y nutracéutico.
El aspecto medular de la invención consiste en una capa de finas dimensiones nanométricas sobre el alimento, que evita el intercambio gaseoso y de fluidos con el medio ambiente, potenciado con antioxidantes seleccionados, cuya función es semejante a una enzima que retrasa o inhibe las reacciones bioquímicas de descomposición y oxidación del alimento. Esto permite que los alimentos frescos y mínimamente procesados tengan mayor vida útil y que los alimentos que se destinen a congelación, mejoren su calidad organoléptica al descongelarse.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO
Como solución al problema técnico antes mencionado se desarrolló el presente invento que propone una novedosa formulación de un sistema disperso como una nanoemulsión potenciada con antioxidantes naturales comestibles extraídos de residuos de frutas y/o hortalizas y/o cereales, los procesos de encapsulación y criodesecación de la nanoemulsión, y este producto terminado que asegura la estabilidad, acción prolongada y efectiva en el tiempo sobre los alimentos frescos y mínimamente procesados que han sido protegidos con este producto, tales como frutas, hortalizas y cereales.
El objeto de la invención es el proceso para la obtención de una nanoemulsión con antioxidantes naturales, que comprenden las siguientes etapas a) obtención eficiente de los antioxidantes naturales, b) encapsulación de los antioxidantes naturales, c) formación de la nanoemulsión con antioxidantes naturales, d) criodesecación de la nanoemulsión formada.
La obtención eficiente de los antioxidantes naturales de residuos de frutas, hortalizas y cereales, comprende los siguientes procesos:
- Selección, lavado y desinfectado de las cáscaras y pepas de los residuos de las frutas, hortalizas o cereales seleccionados.
- Deshidratación de la materia prima desinfectada, que puede realizarse en un horno convencional a 30-60°C por alrededor de 2-6 horas con aire caliente en reflujo, o mediante liofilización a temperaturas entre -30 a -50°C y una presión de vacío absoluta de al menos 0.04 mbar, durante 10-15 horas, dependiendo de la sensibilidad del componente antioxidante de la fruta, hortaliza o cereal.
- Extracción con solventes polares como el agua ultra pura, de los residuos deshidratados con potencial activo obtenidos en la etapa precedente, con un grado de humedad entre 2-20%, que puede realizarse mediante extracción asistida con ondas microondas a una potencia entre 100 - 400 W por 5-40 minutos, o ultrasonido con una potencia de vibración entre 20 - 60 kHz, por 10 - 40 minutos, a una temperatura entre 30 -60°C, dependiendo de la sensibilidad del componente antioxidante de la fruta, hortaliza o cereal.
- Concentración parcial del extracto antioxidante con el método de destilación simple en un rotavapor sometido a vacío entre 0,5 - 15 inHg a 20-60°C por 10 - 95 minutos hasta lograr una concentración entre 10-50%.
- Nanofiltración tangencial de la solución concentrada antioxidante a un pH entre 6 -10,5, en dos filtros secuenciales con nanoporos entre 10 - 100 nm y superficie mínima de 0,01 m2, a la misma temperatura del proceso anterior, por donde pasa la solución bombeada a presiones entre 0,5 - 1 bar.
Por su parte, la encapsulación de los antioxidantes naturales, comprende los siguientes procesos:
- Mezclado a una velocidad entre 500-2000 RPM, a una temperatura entre 20 - 60°C por 1-3 horas de los extractos antioxidantes concentrados en una mezcla en proporción 1:1 con polisacáridos como maltodextrina y goma arábica, o una proporción directa de almidón modificado de maíz o yuca, en una cantidad que sustituya el porcentaje de sólidos solubles medidos con técnicas de refractometria, de la solución antioxidante seleccionada.
- Homogenizado a una velocidad entre 8000 - 15000 RPM por alrededor de 1 -15 minutos para encapsular los compuestos activos con los biopolímeros y de esta manera protegerlos de daños por sometimiento con el medio ambiente, a partir de la formación de una microemulsión con un material de pared que hará dicha protección. La microemulsión antioxidante resultante se almacena temporalmente en refrigeración a una temperatura de 5 15 °C.
La formación de la nanoemulsión con antioxidantes naturales, comprende los siguientes pasos:
- Dilución del ácido algínico en agua potable, a una temperatura entre 50-70°C, con movimiento constante durante 1 -3 horas a 500-1500 RPM.
- Homogenización a una velocidad de 8000 - 15000 RPM por alrededor de 1-15 minutos del ácido algínico en solución con el resto de los componentes: matriz oleaginosa, polisorbato, glicerol y la microemulsión antioxidante.
- Microfluidización a altas presiones de 100 - 200 MPa por 3-5 ciclos, con lo cual se obtuvo la nanoemulsión fluida, potenciada con antioxidantes naturales de residuos de frutas y/o hortalizas y/o cereales.
Finalmente, la criodesecación de la nanoemulsión obtenida en la etapa precedente, comprende la concentración de la nanoemulsión mediante métodos de criodesecación como el proceso de liofilización sometido a presiones de vacío de al menos 0,04 mbar y temperaturas entre -10 a -50 °C, que le confieren un aspecto en polvo, de reducido volumen.
Una ventaja de la presente invención es que la concentración se reduce a un tiempo menor a las 2 horas y sin usar solventes químicos inorgánicos, con el fin de aumentar la naturalidad del producto, el grado alimentario y la eficiencia del proceso en un 20-40%.
Otra ventaja de la invención es que no está compuesta por proteínas de ningún tipo y la matriz oleaginosa que se utiliza es una combinación de ácidos grasos saturados y monoinsaturados que presentan estabilidad molecular a causa del reducido números de dobles enlaces en sus moléculas, como el aceite de coco, canola, almendras, aguacate (palta) o cacahuate (maní) que le brindan la permeabilidad y estabilidad oxidativa deseada a la nanoemulsión, además del ácido oleico que le provee una característica funcional al producto final.
Otra ventaja de la invención es que el método de refractometría utilizado en la encapsulación, contribuye a disminuir el tiempo del liofilizado en un 20-30%.
Otra ventaja de la invención es que el producto final que corresponde a una nanoemulsión concentrada en polvo, que disminuye su volumen en más del 100% respecto a la nanoemulsión fluida, contribuye a mejorar los procesos logísticos del producto, asimismo el producto al rehidratarse mantendrá todas sus propiedades y tamaño de partícula. Finalmente una ventaja del producto aplicado sobre los alimentos mínimamente procesados tales como frutas, hortalizas y cereales, es que las condiciones de almacenamiento serán superiores, al evitar largas cadenas de congelación y atmosfera controlada, ya que el cobertor de la suspensión coloidal permitirá preservar los alimentos en condiciones de refrigeración, dado el principio permeable y su enriquecimiento con agentes activos de los residuos de frutas, hortalizas o cereales.
Un objetivo de la invención es obtener antioxidantes de alta concentración fenólica, a partir de residuos de diversas frutas, hortalizas o cereales, caracterizada por ser una fórmula rica en compuestos activos funcionales antioxidantes.
Otro objetivo de la invención es obtener una composición que comprende:
a) 0,5 - 10% de Ácido algínico, de preferencia alginato de sodio o de potasio de fuentes naturales, grado alimenticio
b) 0,1 - 10% Matriz oleaginosa con ácidos grasos saturados y/o monoinsaturados como compuestos mayoritarios
c) 0,1 - 1% Polisorbatos, de preferencia Monolaurato de sorbitán polioxietinelado o Monoesterato de sorbitán polioxietinelado grado alimenticio
d) 0,5 - 10% de Glicerol, de preferencia ásteres de glicerol de colofonia de fuentes vegetales naturales, grado alimenticio
e) 0,2 - 40% de Microemulsión Antioxidante
Una alternativa de la invención es una formulación destinada a mantener el tiempo de vida útil de frutas cortadas en condiciones de refrigeración. La solución está compuesta por la formulación presentada, reemplazando el glicerol y polisorbato por una cantidad de 1-5% de ascorbato de calcio o una combinación 1:1 de ácido ascórbico y ácido cítrico.
Otra alternativa de la invención supone una matriz microemulsionada, ya no a escala nanomátrica, que contiene antioxidantes correctamente encapsulados, y presenta el mismo campo de acción dirigido a la conservación de alimentos, ya que supone todo el procedimiento descrito, exceptuando el proceso de microfluidización, que se encarga de llevar la emulsión a una escala nanomátrica.
Otra alternativa de la invención, dirigida como un insumo para uso en agricultura orgánica, consiste en una formulación que carece de polisorbato, dado que de acuerdo a los Programas de Equivalencias de diferentes entes reguladores en el mundo, los parámetros químicos evaluados son primordialmente trazas de amonio cuaternario según la ISO 17025.
Otra alternativa de la invención, dirigida como un insumo para preservar la calidad de jugos de frutas naturales, tambián excluye el uso de polisorbatos en su formulación, dado que genera un incremento no deseable de la viscosidad del producto final hasta en un 50%.
La invención supone una mejora en el estado de la técnica, ya que se propone un método sencillo con una composición única que mejora la eficiencia productiva, con mayor porcentaje de antioxidante y funcional de la nanoemulsión, además de mantener la naturalidad y el grado alimentario, a travás de tácnicas que no utilizan aditivos químicos orgánicos como el etanol, metanol o hexano, ni tampoco temperaturas por encima de los 60°C para los procesos de extracción, concentración y encapsulación, lo que ayuda a mantener intactos los polifenoles presentes en los antioxidantes naturales extraídos de residuos de frutas, hortalizas y cereales.
La invención también supone, un método efectivo para encapsular eficientemente compuestos activos como las proteínas, ácidos grasos, vitaminas y minerales, que han sido correctamente extraídos de frutas, hortalizas o cereales y se desean preservar en el tiempo, mediante emulsiones que encapsulan eficientemente al agente activo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de la invención en el que se detallan sus cuatro etapas principales.
EJEMPLO DE REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A. Procedimiento para la obtención de la nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados
Una preparación de la nanoemulsión de la invención, a manera de ejemplo, supone la selección, lavado y desinfectado de las cáscaras y pepas del fruto de mango Mangifera indica L. con 100 ppm de hipoclorito de sodio diluido en agua ozonizada; luego se procede a deshidratar con un liofilizador de bandejas a una temperatura aproximada de -40°C y una presión de vacío absoluta de al menos 0.04 mbar, durante 12 horas. Una vez culminada la deshidratación, se procede a medir el grado de humedad de la materia prima y se extrae con solventes polares mediante extracción asistida con ondas microondas a una potencia que oscila los 200 W por 20 minutos; después se concentra parcialmente el extracto antioxidante con el método de destilación simple en un rotavapor sometido a vacío entre 0,5 - 15 inHg a 40°C por 60 minutos hasta lograr una concentración de al menos 15%, para pasar por la nanofiltración tangencial de la solución concentrada antioxidante en dos filtros secuenciales con nanoporos de 50 nm y superficie mínima de 0,01 m2, a la misma temperatura del proceso anterior, por donde pasa la solución bombeada a presiones entre 0,5 bar. En un proceso aparte, se mezcla a una velocidad de 500 RPM, a 25°C por 2 horas los extractos antioxidantes concentrados en una mezcla en proporción directa al porcentaje de grados brix del concentrado, de almidón modificado de maíz; se homogeniza en un mixer industrial a una velocidad de 12000 RPM por alrededor de 5 minutos para encapsular los compuestos activos, la microemulsión antioxidante resultante se almacena temporalmente en refrigeración a una temperatura de 5-15 °C.
Se diluye el ácido algínico en agua ozonizada a 50°C, con movimiento constante durante 1 hora y se homogeniza con el resto de insumos: matriz oleaginosa, polisorbato, glicerol y la microemulsión antioxidante. Luego se procede al proceso de microfluidización a altas presiones de 100 MPa por 3 ciclos, con lo cual se obtuvo la nanoemulsión fluida, potenciada con antioxidantes naturales de residuos de frutas y/o hortalizas. Finalmente, se criodesecó la nanoemulsión obtenida en la etapa precedente, a presiones de vacío de al menos 0,04 mbar y temperaturas de -40 °C, que le confieren un aspecto en sólido de granulometría fina.
B. Aplicación de la nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados sobre alimentos seleccionados
Las frutas y hortalizas objeto de la experimentación (mango, palta, mandarina, fresa y espárragos) se seleccionaron considerando características de óptima calidad, es decir de tamaños uniformes, formas, colores y ausentes de daños mecánicos o fitosanitarios post cosecha, madurez en estado pintón, se lavó y desinfectó con 100 ppm de hipoclorito de sodio; luego se aplicó la nanoemulsión fluida en forma de aspersión por 5 minutos y se realizó un secado - escurrido de otros 5 minutos, a temperatura ambiente de 25±2°C sobre rejillas inocuas; en seguida el alimento se envasó en recipientes recomendados por el CODEX Alimentarium. Acabado el protocolo de aplicación de la nanoemulsión de la invención, se procedieron a realizar ensayos acelerados - controlados por triplicado, cada 7 y 14 días bajo temperatura de 25±2°C y humedad relativa de 80 - 90%, a excepción de la fresa y espárrago que se refrigeró a 10±2°C, todos los ensayos a una misma concentración del producto. Las muestras fueron lotes experimentales de 1 Kg de mango Mangifera indica L., palta Persea americana, mandarina Citrus reticulata, fresa Fragaria vesca L. y espárragos Asparagus officinalis. Las variables medidas fueron diferencial de peso, diferencial de grados brix y escala hedónica, a partir de una prueba de Evaluación Sensorial, donde se evaluó en una escala del 1 al 5, siendo 5 la escala de mejor aceptación de acuerdo al gusto del producto, ante un panel de catadores entrenados previamente de 15 personas. Los resultados evidencian que las muestras experimentales recubiertas con la invención muestran una mejora notable respecto a las muestras control sin ningún tratamiento, dado que éstas a los 8-12 días, dependiendo de la fruta, se encontraban en estado de putrefacción. Cabe resaltar, que los ensayos se realizaron a temperaturas extremas, de esta manera, las muestras a temperaturas de refrigeración entre 5 - 10°C, incrementan su calidad en al menos un 50%, lo cual es provechoso para el sector
agroindustrial, que maneja inclusive temperaturas de congelación y hasta atmósferas controladas para mantener la calidad del producto alimenticio.
Día Cero
Día 7
Día 14
La degradación bioquímica de los alimentos, causada en gran medida por los procesos oxidativos, es el principal factor no microbiano, en donde los radicales libres formados inician reacciones de deterioro que actúan principalmente sobre lípidos y proteínas (Descalzo, Rizzo, Rossetti, Negri, Paéz, Costabel y Taverna, 2010), lo cual puede ser contrarrestado con la invención que contiene antioxidantes correctamente encapsulados.
Por ello, los resultados experimentales obtenidos para el espárrago se pueden extrapolar a los cereales, ya que el espárrago, representante de las hortalizas, cuenta con proporciones semejantes en cuanto a aminoácidos esenciales se refiere, lo cual plasma la similitud proteica entre ambas clases de alimentos.
Tabla: Contenido de Aminoácidos en Cereales representativos y Espárrago
1Fuente: FAO (2013), Dietary protein quality evaluation in human nutrition 2Fuente: Alimentos.org.es (s/n), Aminoácidos de los Espárragos
3Fuente: Ayala, G. (2014), Aporte de los cultivos andinos a la nutrición humana
Por otro lado, se evaluaron muestras de alimentos mínimamente procesados y jugos, en lotes experimentales por triplicado de 500 g de manzana Malus Communis pelada y cortada, y 500 mL de jugo de plátano Musa paradisiaca de mínimo 15 - 20% de fruta, a condiciones controladas de 20±2°C y humedad relativa del 70%. Se midió mediante la escala hedónica, a partir de una prueba de Evaluación Sensorial, donde se evaluó en una escala del 1 al 5, siendo 5 la escala de mejor aceptación, criterios sensoriales como el gusto, olfato y vista, ante un panel de catadores entrenados previamente de 15 personas, y pH para analizar el grado de acidez que va tomando la fruta. Las muestras experimentales muestran una mejora considerable respecto a las muestras control sin ningún tratamiento y los rangos del pH se mantienen dentro del estándar de la fruta.
Día Cero
Día 5
C. Parámetros de Calidad de la Nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados
La eficiencia de encapsulación
Ésta es medida como porcentaje, se realizó mediante una relación entre el output e input del proceso de encapsulación eficiente, tomando un promedio de los ensayos realizados con una desviación estándar que muestra la incertidumbre de las repeticiones en cada corrida. Se consideró evaluar los mejores resultados obtenidos de la presente invención, respecto al mejor resultado enunciado en la patente KR20160005182A.
Tabla comparativa de eficiencia de encapsulación (%)
Los resultados muestran que la patente KR20160005182A a una concentración de 1,6% de aceite de canela se obtuvo una eficiencia de encapsulación de 77,87%,
mientras con la patente de invención presentada, el antioxidante a una concentración del 1.5% tuvo un rendimiento del 81,32%.
La toxicidad aguda
Es la capacidad de una sustancia a ser letal en bajas dosis en seres humanos (SINIA, 2017). La nanoemulsión mencionada en la invención fue sometida a la prueba de Toxicidad por ingestión LD50 oral según la guía OECD test 423, que consistió en una dosis única a ratas de laboratorio administrando 2000 mg/kg de peso corporal, siendo observados por 14 días, lapso de tiempo que no indujo daños tóxicos y presentó una LD50 superior a los 2000 mg/kg de peso corporal, por lo que el producto final se puede considerar no clasificable como tóxico o toxicidad intrínseca baja.
Medida del tamaño de partícula de la nanoemulsión
Se midió en un analizador laser Mastersizer (<100nm a >2mm). La muestra coloidal se coloca en la banca óptica del instrumento de medición, en donde un haz de luz ilumina las partículas y se genera la medición desde diversos ángulos dispersándose la luz por toda la muestra. La invención presenta un tamaño de partícula promedio entre 90-100 nm, en el percentil 90.
Medida del potencial zeta (mV)
De la nanoemulsión es una medida del potencial eléctrico en la superficie interfacial de las suspensiones, este se mide en celdas electroforéticas con dos electrodos conectados a una fuente de energía (Kosegarten & Jiménez, 2012), se encuentra asociado al valor de pH, pues este asocia la carga de las partículas. Se utilizó un zetameter como instrumento de medición de la nanoemulsión en la invención, que arrojó un valor entre -20 mV a -40 mV, dependiendo de las concentraciones de los insumos, y el pH estuvo alrededor de 6.5 a 10, lo cual muestra una estabilidad adecuada dentro del rango permitido <-30 mV. La patente KR20160005182A, presenta potenciales zeta de alrededor de 0.5 hasta casi 6 mV, lo que puede intuirse un grado de disociación alto.
El análisis microbiológico sanitario
De las nanoemulsiones aplicadas en los alimentos mínimamente procesados se realizó considerando el crecimiento de microorganismos como los aeróbicos mesófilos en el tiempo, en condiciones de temperatura entre 15-30°C. El recuento de colonias a
30°C mediante la técnica de siembra en superficie resultó a los 14 días, en mangos, paltas, mandarinas (anaquel a 30°C); y 10 días en fresas y camu - camu (anaquel a 15°C), tratamientos favorables que se encontraban en un ratio entre 450 - 600 UFC/g de aerobios totales. Este indicador muestra una mejora entre 200 y 250% respecto a las mismas frutas en comparación del blanco que no presenta ningún recubrimiento.
El análisis sensorial
Es un método experimental que analiza las características organolépticas de un producto, a partir de un panel de jueces que perciben y califican según sus criterios. Se realizó por triplicado y con un panel compuesto de 15 jueces capacitados, el análisis de mangos frescos recubiertos con la nanoemulsión enriquecida con antioxidante de residuos del mango. Los resultados de la prueba mencionada tuvieron un promedio de puntuación del 1 al 5, de 5,0 puntos, que evidencia una ligera mejora en el sabor del producto dado que el mango sin aplicación (control) obtuvo una calificación de 4,8, debido a que se realza el aroma frutado. Los resultados se tornan más interesantes cuando a los 14 días el mango con el recubrimiento presenta una calificación promedio de 3,9 puntos, mientras la muestra control una puntuación de 0,0 debido a su nivel de descomposición.
Claims (16)
1. Un proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a. extracción de antioxidantes naturales de residuos de frutas, hortalizas o cereales; donde la extracción se realiza con agua pura con una concentración parcial del extracto antioxidante con el método de destilación a vacío entre 0,5 - 15 inHg a 20-60°C por 10 - 95 minutos hasta lograr una concentración entre 10-50% y con posterior nanofiltración tangencial de la solución;
b. encapsulación de los antioxidantes naturales;
c. formación de la nanoemulsión con antioxidantes naturales; y
d. criodesecación de la nanoemulsión formada.
2. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados según la reivindicación 1, caracterizado porque la extracción de los antioxidantes naturales comprende las siguientes etapas:
a. selección, lavado y desinfección de cáscaras y/o pepas de residuos de frutas, hortalizas o cereales seleccionados;
b. deshidratación de lo obtenido en la etapa anterior en un horno convencional a una temperatura de 30 - 60 °C por 2 - 6 horas con aire caliente en reflujo, o mediante liofilización a una temperatura de -30 - -50 °C y una presión de vacío absoluta de 0,04 mbar por 10 - 15 horas, hasta una humedad 2 - 40 %;
c. extracción con agua pura, de lo obtenido en la etapa anterior, asistida por microondas a una potencia de 100 - 400 W por 5 - 40 minutos, o ultrasonido con potencia de vibración de 20 - 60 kHz, por 10 - 40 minutos a una temperatura de 30 - 60 °C;
d. concentración parcial del extracto antioxidante con el método de destilación simple en un rotavapor sometido a vacío entre 0,5 - 15 inHg a 20-60°C por 10 - 95 minutos hasta lograr una concentración entre 10-50%;
e. nanofiltración tangencial de la solución de la etapa precedente, a un pH de 6 - 10,5, en dos filtros secuenciales con nanoporos de 10 - 100 nm y superficie mínima de 0,01 m2, a una temperatura de 30 - 60 °C, la solución es bombeada a una presión de 0,5 - 1 bar.
3. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados según la reivindicación 1, caracterizado porque la encapsulación de los antioxidantes naturales comprende las siguientes etapas:
a. lo obtenido en la extracción del antioxidante natural se mezcla en una proporción 1:1 con polisacáridos como maltodextrina y goma arábica, o una proporción directa de almidón de maíz o yuca, en una cantidad que sustituya el porcentaje de sólidos solubles medidos con técnicas de refractometría, de la solución antioxidante seleccionada; la mezcla se lleva a cabo a una velocidad de 500 - 2000 RPM, a una temperatura entre 20 - 60 °C por 1 - 3 horas; y
b. homogenizado a 8000 - 1500 RPM por 1 -15 minutos, para obtener el encapsulado, lo cual se almacena temporalmente a una temperatura de 5 - 15 °C.
4. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados, según la reivindicación 1, caracterizado porque la formación de la nanoemulsión con antioxidantes naturales comprende las siguientes etapas:
a. dilución del ácido algínico en agua potable, a una temperatura de 50 - 70 °C, con movimiento constante de 500 - 1500 RPM, por 1 - 3 horas;
b. homogenización a una velocidad de 8000 - 15000 RPM, por 1 - 15 minutos del ácido algínico en una solución con la matriz oleaginosa, polisorbato, glicerol y la microemulsión antioxidante; y
c. microfluidización a altas presiones de 100 - 200 MPa, por 3 - 5 ciclos.
5. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados según la reivindicación 1, donde la criodesecación de la nanoemulsión obtenida comprende la concentración de la nanoemulsión mediante métodos de criodesecación.
6. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados según la reivindicación 5, donde la criodesecación se realiza por liofilización, con presión de vacío de 0,04 mbar y una temperatura de -10 a -50 °C.
7. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados según la reivindicación 1, caracterizado porque los antioxidantes naturales encapsulados provienen de residuos de frutas, hortalizas y/o cereales en diferentes combinaciones, en donde la formulación obtenida es una fórmula funcional.
8. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados según la reivindicación 4, caracterizado porque la matriz oleaginosa es una combinación de ácidos grasos saturados y monoinsaturados, como el aceite de coco, canola, almendras, palta o maní.
9. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados según la reivindicación 4, caracterizado porque en la formulación se reemplaza el glicerol y polisorbato por una cantidad de 1-5% de ascorbato de calcio o una combinación 1:1 de ácido ascórbico y ácido cítrico, en donde el alimento a conservar es una fruta cortada en condiciones de refrigeración.
10. El proceso para la obtención de una matriz microemulsionada según la reivindicación 4, caracterizado porque supone todo el procedimiento descrito, exceptuando el proceso de microfluidización.
11. El proceso para la obtención de una formulación de nanoemulsión con antioxidantes naturales encapsulados para la conservación de frutas, hortalizas y alimentos mínimamente procesados según la reivindicación 1 caracterizado por encapsular compuestos activos como las proteínas, ácidos grasos, vitaminas y minerales, que han sido extraídos de frutas, hortalizas o cereales.
12. Una nanoemulsión obtenida por el proceso según las reivindicaciones 1 a 11 caracterizada porque presenta la siguiente formulación:
a. 5 - 40% de antioxidantes extraídos de residuos de fruta, hortalizas o cereales; b. 0,5 - 10% de ácido algínico, de preferencia alginato de sodio o de potasio de fuentes naturales, grado alimenticio;
c. 0,1 - 10% de matriz oleaginosa con ácidos grasos saturados y/o monoinsaturados como compuestos mayoritarios;
d. 0,1 - 1% de polisorbatos, de preferencia manolaurato de sorbitán polioxietinelado o monoesterato de sorbitán polioxietinelado grado alimenticio; y
e. 0,5 - 10% de Glicerol líquido o ásteres de glicerol de colofonia de fuentes vegetales naturales, grado alimenticio.
13. La nanoemulsión según la reivindicación 12, caracterizada porque no comprende proteínas, ni biopolímeros en la formulación.
14. La nanoemulsión según la reivindicación 12, caracterizada porque no presenta solventes químicos en su formulación y muestra baja toxicidad, en donde la nanoemulsión es de grado alimentario.
15. La nanoemulsión según la reivindicación 12, caracterizada porque consiste en una nanoemulsión concentrada en polvo que al rehidratarse mantiene todas las propiedades y tamaño de partícula al igual que la nanoemulsión fluida.
16. La nanoemulsión según la reivindicación 12, caracterizada porque no presenta los polisorbatos en su formulación, en donde la nanoemulsión consiste en un insumo para la agricultura orgánica o para preservar la calidad de jugos de fruta naturales.
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