Nano-microencapsulation of oils rich in omega-3 polyunsaturated fatty acids by spray-drying and electrospraying

Abstract

Las numerosas evidencias científicas que hay disponibles en la actualidad relacionando el consumo de ácidos grasos poliinsaturados omega-3 (omega-3 PUFAs), especialmente el EPA y el DHA, con sus efectos beneficiosos para la salud han impulsado la investigación y el desarrollo de alimentos enriquecidos con estos compuestos bioactivos. No obstante, hasta la fecha, su inclusión en matrices alimentarias supone un reto científico-técnico para la industria alimentaria. Debido a su naturaleza poliinsaturada, los omega-3 PUFAs son altamente susceptibles de sufrir procesos de oxidación, lo que conlleva tanto la pérdida de sus propiedades nutricionales, como la alteración de las propiedades organolépticas del alimento enriquecido (p.ej., mal olor o sabor). Por esta razón, en las últimas décadas se ha impulsado el desarrollo de sistemas de vehiculización que prevengan la oxidación de una manera eficiente antes, durante y después de su inclusión en una matriz alimentaria. En este sentido, la producción de micro/nanoencapsulados de aceite de pescado, como fuente rica en omega-3 PUFAs, ha despertado un gran interés. Las tecnologías de encapsulación se basan en la creación de una barrera física entre el aceite contenido en la matriz encapsulante y el entorno, limitando así su contacto directo con las especies prooxidantes presentes en el medio (p.ej., oxígeno). Actualmente, el secado por atomización es la tecnología más utilizada por la industria alimentaria y su aplicación para la producción de encapsulados de aceite de pescado ha sido ampliamente investigada durante las últimas décadas. Sin embargo, múltiples estudios han puesto de manifiesto que el proceso de encapsulación (i.e., emulsionado y secado a alta temperatura) y posterior almacenamiento (i.e., difusión de especies prooxidantes a través de la matriz encapsulante) resulta en la oxidación del aceite de pescado, haciendo necesario el uso de técnicas de estabilización adicionales. En este sentido, la adición de antioxidantes a la formulación se presenta como una estrategia eficaz, en especial el uso de agentes emulsionantes naturales con propiedades antioxidantes (p.ej., hidrolizados de proteína). Recientemente, la tecnología de electroesprayado se ha propuesto como alternativa prometedora al convencional secado por atomización para la producción de encapsulados de aceite de pescado. Esta tecnología se basa en la aplicación de un campo eléctrico de alto voltaje entre el inyector, por donde circula la solución, y el colector, donde se recoge el producto seco, causando la atomización de la alimentación líquida y posterior secado a temperatura ambiente, evitando así la degradación térmica. Además, la configuración coaxial, que consiste en un inyector compuesto de dos agujas concéntricas, permite producir cápsulas cargadas de aceite de pescado sin necesidad de previamente dispersarlo o emulsionarlo en la solución encapsulante, minimizando aún más la oxidación lipídica durante el procesado. Sin embargo, el uso a gran escala de esta tecnología se ve restringido por la baja productividad del proceso. El Electroesprayado Asistido por Gas Presurizado, EAPG según sus siglas en inglés, es una tecnología innovadora recientemente desarrollada que se basa en la atomización mecánica de la alimentación líquida dentro de la cámara de secado en la que se ha generado un campo electrostático de alto voltaje, permitiendo con ello la evaporación del disolvente a temperatura ambiente. Mediante esta tecnología, la productividad del proceso se ve aumentada considerablemente (de mg/h para el electroesprayado a escala de laboratorio a g/h para el EAPG), lo que la hace particularmente atractiva para la producción de encapsulados de pescado a gran escala. En base a lo expuesto, el objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido estudiar y optimizar el proceso de producción, así como investigar las propiedades físico-químicas y la bioaccesibilidad de encapsulados de aceite de pescado para su uso como sistemas de vehiculización en la producción de alimentos enriquecidos en omega-3 PUFAs. Para ello, se investigó la producción de encapsulados mediante la técnica térmica de secado por atomización y las técnicas electrohidrodinámicas de electroesprayado, tanto en la configuración monoaxial como en la coaxial. En primer lugar, se estudió la influencia de la formulación (i.e., combinación agente encapsulante – agente emulsionante) en las propiedades físico-químicas de los encapsulados producidos mediante secado por atomización a escala de laboratorio. Se trabajó con dos carbohidratos de bajo peso molecular ampliamente utilizados como agentes encapsulantes (i.e., jarabe de glucosa, GS o maltodextrina, MD), y como agentes emulsionantes se consideró un hidrolizado de proteínas de lactosuero, con propiedades emulsionantes y antioxidantes (WPCH), y un surfactante sintético comercial (Tween 20). Los resultados mostraron que las propiedades físico-químicas (i.e., tamaño o EE) de los encapsulados no se vieron influenciadas por la formulación, al contrario que la estabilidad oxidativa. Independientemente del agente encapsulante utilizado, las cápsulas producidas con WPCH como agente emulsionante mostraron menores niveles de oxidación en comparación con las producidas con Tween 20. Por otra parte, al producir los encapsulados a escala planta piloto se observó que el agente encapsulante afectó a la estabilidad oxidativa del aceite de pescado encapsulado, siendo la combinación GS/WPCH más eficiente en prevenir la oxidación durante el almacenamiento que la combinación MD/WPCH. Sin embargo, los resultados mostraron bajos niveles de oxidación para ambas formulaciones, lo que sugirió un efecto protector del WPCH. Por ello, se evaluó la actividad antioxidante del WPCH en comparación con otros agentes antioxidantes naturales comerciales de distinta polaridad (i.e., polares y apolares) añadidos a la formulación de los encapsulados. El uso del WPCH, con propiedades anfifílicas y con distintos mecanismos de acción en su parte polar y apolar (i.e., captador de radicales libres y quelante de metales), mejoró la estabilidad oxidativa del aceite de pescado encapsulado durante el almacenamiento en comparación con los antioxidantes comerciales naturales investigados. Al estudiar la influencia de la formulación (i.e., agente encapsulante, GS o MD) y las condiciones de proceso (i.e., configuración del inyector monoaxial o coaxial, voltaje aplicado y caudales de alimentación) en las propiedades físico-químicas de las cápsulas producidas mediante electroesprayado a escala de laboratorio, se puso de manifiesto que las condiciones de proceso influían de una manera más sustancial que la formulación de la matriz encapsulante. La configuración monoaxial dio lugar a cápsulas con mejores propiedades de retención que las producidas en la configuración coaxial (EEmonoaxial = 69- 72% frente a EEcoaxial=53-59%) y con una alta estabilidad oxidativa. Además, también se observó que aumentar el contenido de pululano en las cápsulas producidas en la configuración coaxial redujo significativamente la oxidación del aceite encapsulado. En general, escalar el proceso de electroesprayado de escala de laboratorio a escala planta piloto (EAPG) dio lugar a cápsulas más grandes (~99% de las cápsulas < 3μm en comparación con ~99% de las cápsulas < 15μm a escala de laboratorio y EAPG, respectivamente), con mejores propiedades de retención y mejor estabilidad oxidativa. Por otro lado, se pudo observar que el contenido de compuestos volátiles de oxidación aumentó progresivamente durante el almacenamiento para las cápsulas producidas en la configuración monoaxial, en comparación con las cápsulas producidas en la configuración coaxial en las que se mantuvo prácticamente contante. Este hallazgo se atribuyó a la distinta protección ejercida por los sistemas encapsulantes frente al oxígeno ambiental, influenciada por la distribución del aceite de pescado dentro de la matriz encapsulante (i.e., distribución centralizada en coaxial frente a distribución aleatoria en monoaxial). A través de la técnica de Resonancia Paramagnética Electrónica (RPE) se evaluó la permeabilidad al oxígeno y la estabilidad oxidativa de los encapsulados producidos a escala de laboratorio mediante las técnicas de secado por atomización y electroesprayado. Los resultados mostraron que las cápsulas menos permeables al oxígeno fueron aquellas producidas mediante secado por atomización (~95% de las cápsulas < 25μm) que, a su vez fueron las que mostraron la mayor estabilidad oxidativa en comparación con las producidas mediante la tecnología de electroesprayado (i.e., monoaxial o coaxial) (~95% de las cápsulas < 1.5μm) debido a su mayor tamaño. De hecho, la influencia del tamaño de partícula en la estabilidad oxidativa de los encapsulados se hizo más evidente cuando las cápsulas se produjeron a escala planta piloto mediante secado por atomización o EAPG monoaxial con distintas cargas de aceite (13, 26 o 39 wt%). Independientemente de la carga de aceite, se encontraron niveles de oxidación similares tras el almacenamiento para las cápsulas producidas mediante la misma tecnología. Sin embargo, la menor estabilidad oxidativa reportada para las cápsulas producidas mediante EAPG monoaxial se atribuyó a la mayor permeabilidad al oxígeno de la pared encapsulante a consecuencia de su menor tamaño de partícula, ya que el resto de propiedades físico-químicas de los encapsulados estudiados era similar entre las muestras (i.e., misma formulación, similar EE y similar tamaño de gota del aceite encapsulado, p > 0.05). Teniendo en cuenta que la finalidad de los encapsulados producidos es el enriquecimiento en omega-3 PUFAs de una matriz alimentaria, primero se estudió la bioaccesibilidad del aceite de pescado encapsulado. Tras la digestión in vitro simulada de las cápsulas producidas mediante secado por atomización se observó que la extensión y el grado de digestión lipídica se vio significativamente influenciado por el agente emulsionante utilizado en la formulación (i.e., WPCH o Tween 20), y no tanto por el agente encapsulante (i.e., GS o MD). Los resultados mostraron que el WPCH usado como emulsionante fue capaz de mantener la integridad de la interfase aceite/agua durante el proceso de secado de una manera más eficiente que el Tween 20, lo que se tradujo en un menor estado de agregación de las gotas de aceite en las distintas fases del tracto gastrointestinal (GIT) simulado y, por lo tanto, en una mayor área interfacial disponible para las reacciones de digestión. Estos resultados se correlacionaron bien con los encontrados cuando se investigó la influencia de la técnica de secado en la estructura secundaria de los péptidos (WPCH) adsorbidos en la interfase aceite/agua mediante la tecnología de Dicroísmo Circular de Radiación de Sincrotrón (SRCD), que mostraron que la conformación del WPCH localizado en la interfase se mantuvo invariable antes y después del secado por atomización. Por último, se produjeron matrices alimentarias enriquecidas en omega-3 PUFAs. Inicialmente, se investigó la influencia del sistema de vehiculización (i.e., aceite, aceite emulsionado o aceite encapsulado mediante secado por atomización) en la estabilidad física y oxidativa de una mayonesa enriquecida. La mayonesa enriquecida con el aceite encapsulado presentó la mayor viscosidad tras la producción debido al efecto espesante de las cápsulas intactas dispersas en la matriz, lo que se tradujo en una alta estabilidad física durante el almacenamiento. Además, este sistema de vehiculización (i.e., aceite encapsulado) mejoró la estabilidad oxidativa de las mayonesas enriquecidas, lo que se atribuyó a la retención de la integridad física de la matriz encapsulante durante el procesado y posterior almacenamiento de la mayonesa, limitando así el contacto directo entre el aceite de pescado encapsulado y las especies prooxidantes presentes en el medio (i.e., oxígeno o iones metálicos). Posteriormente, se investigó la influencia de la tecnología de encapsulación en la estabilidad física y oxidativa de un aliño de ensalada enriquecido. Para ello, los encapsulados se produjeron a escala planta piloto mediante secado por atomización y EAPG monoaxial y coaxial. La estabilidad física del alimento enriquecido no se vio influenciada por el sistema de enriquecimiento, al contrario que la estabilidad oxidativa. El aliño de ensalada enriquecido con el aceite de pescado encapsulado mediante la tecnología EAPG coaxial presentó niveles bajos, y prácticamente constantes, de oxidación al contario que los aliños enriquecidos con las cápsulas producidas mediante las tecnologías de encapsulación basadas en emulsión (i.e., secado por atomización y EAPG monoaxial). Esto se atribuyó a la menor degradación inicial del aceite encapsulado mediante EAPG coaxial ya que el aceite no se emulsionó y el secado se produjo a temperatura ambiente. En general, de los estudios llevados a cabo en la Tesis Doctoral se puede concluir que las propiedades físico-químicas de los encapsulados de aceite de pescado, influenciadas por la tecnología de encapsulación, tienen un impacto significativo en la estabilidad oxidativa del aceite. Así mismo, se ha demostrado que la encapsulación de aceite de pescado mediante la tecnología EAPG coaxial no basada en emulsión es una estrategia prometedora para la producción de alimentos ricos en omega-3 PUFAs física y oxidativamente estables