REVISTA RECITEIARevisiones de la Ciencia, Tecnología e Ingeniería de los Alimentos © ReCiTeIA Publicación científica virtual http://revistareciteia.es.tl ISSN 2027-6850 Año 11, Volumen 11, Número 1b, Junio de 2011 Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Los artículos de esta revista pueden reproducirse citando la fuente. Comunicaciones e-mail:
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[email protected] Colombia ORGANIZACIÓN REVISTA RECITEIA Revisiones de la Ciencia, Tecnología e Ingeniería de los Alimentos Dirección General y Editorial Juan Sebastian Ramírez Comité Editorial Juan Sebastian Ramirez Diana Margarita Ramírez Claudio Alfonso Escobar Gilman Antonio Florez Iván Dario Vallejo Comité Científico Dr. Diofanor Acevedo Ingeniería de Alimentos Universidad de Cartagena Cartagena - Colombia Dra. Stella Maris Alzamora Departamento de Industrias Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires Buenos Aires - Argentina Dr. Gustavo Barbosa-Cánovas Center for Nonthermal Processing of Food Washington State University Pullman, USA Dr (C). Francisco Javier Castellanos Galeano Ingeniería de Alimentos Universidad de Caldas Manizales - Colombia Dr Miguel Ángel Gualoto Oñate Facultad de Ingeniería Química Universidad Central del Ecuador Quito - Ecuador Dr. Gerard O'Brien Biomedical Sciences Research Institute University of Ulster Coleraine - Reino Unido Dr. Mauricio Pardo Benito Ingeniería de Producción Agroindustrial Universidad de La Sabana Bogotá, Colombia Dra. Concepción Pérez Lamela Área de Nutrición y Bromatología. Departamento de Química Analítica y Alimentaria Facultad de Ciencias. Campus de Ourense Universidad de Vigo Ourense, España Dr. Jorge Antonio Pino Alea Departamento de Aromas Instituto de Investigaciones para la Industria Alimentaria La Habana - Cuba Dra. María del Mar Rebolloso Fuentes Área de Tecnología de Alimentos Departamento de Hidrogeología y Química Analítica Universidad de Almería Almería - España Dra. Silvia del Carmen Rodríguez Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos - FAyA Universidad Nacional de Santiago del Estero Santiago del Estero, Argentina M.Sc. Ricardo Sánchez Villagrán SVYASOC Buenos Aires - Argentina Dr. Enrique Sauri Duch Instituto Tecnológico de Mérida Yucatán, México Dr. Juan Antonio Serra Belenguer Departamento de Tecnología de Alimentos Universidad Politécnica de Valencia Valencia, España Dr. José Antonio Torres Food Process Engineering Group Department of Food Science and Technology Oregon State University Corvallis, OR, U.S.A. Dr. Jorge Fernando Velez-Ruiz Dpto. de Ingeniería Química, de Alimentos y Ambiental Universidad de las Américas Puebla Cholula - México Dr. Byron Daniel Yépez Villarreal Ingeniería de Alimentos Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano Bogotá, D.C. - Colombia Diseño y Fotografía Gilmar Antonio Florez Iván Dario Vallejo 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
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[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ CONTENIDO Organización Revista ReCiTeIA 3 Artículos Científicos Estudio del proceso combinado de Deshidratación Osmótica y Secado con Aire de Jícama A. Reyes-Herrera y J.F. Vélez-Ruiz 7 Implementación del método de perfil de gota para la medición de la tensión interfacial de grasas en el proceso de emulsificación en MATLAB®, utilizando un nuevo sistema de coordenadas de referencia A. Albis, D. Fernández, A. Núñez 31 Certificación internacional de productos de investigación (nuevo conocimiento) C.R. Bernal B., P.A. Daza A., A.M. Echeverri A. 44 Obtención de un pool de microorganismos mediante liofilización para optimizar cultivos J.A. Carrillo, A. Hernández, C.L. Saavedra, J.M. Salazar y V.A. Talero 57 Efecto de la aplicación de calcio bajo tratamiento térmico suave sobre la estabilidad del tejido de melón cantaloupe (Cucumis Melo L) fresco precortado N. Casas, G. Cáez 68 Películas de almidón de papa reforzadas con celulosa bacteriana N. Echeverri, Ú. Montoya, R. Zuluaga, C. Castro, P. Gañán 81 Avances en el desarrollo y aplicación de herramientas en microbiología predictiva, la experiencia de la Universidad de La Sabana F.J. Garcés, B. Klotz 92 Contenido de polifenoles, carotenos y capacidad antioxidante en frutos de uchuva (Physalis Peruviana) en relación a su estado de maduración H.J. Mier G., G. Cáez R. 102 Extracción con ultrasonido de compuestos fenólicos presentes en la cáscara de uva variedad Isabella (Vitis labrusca) R.E. Prieto, G. González, J. P. Abella 116 Hidrólisis del almidón de yuca (Manihot Sculenta) y de ñame (Dioscorea rotundata) para producir jarabes glucosados L. Tejeda B., A. Rivera, J. Rosales, L. Tejeda, E. Tordecilla 127 Revisiones Bibliográficas Visión general de la nanotecnología y sus posibilidades en la industria de alimentos C.I. Álvarez Barreto 138 Factores que influyen en la colmatación de membranas de microfiltración tangencial y representación matemática H.L. Gallego Ocampo 187 Mastitis bovina: Enfoque biotecnológico H. Morales López 211 Información Adicional Sobre Revista ReCiTeIA Instrucciones para autores Términos y condiciones portal web Revista ReCiTeIA ESTUDIO DEL PROCESO COMBINADO DE DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA Y SECADO CON AIRE DE JÍCAMA Autores: A. REYES-HERRERA, J.F. VÉLEZ-RUIZ UNIVERSIDAD DE LAS AMÉRICAS PUEBLA CHOLULA, PUEBLA, MÉXICO 2011 REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 8 Información de los Autores A. Reyes-Herrera Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental. Universidad de las Américas Puebla. Ex-Hda. Sta. Catarina Mártir, Cholula, Puebla. 72820 México. Jorge Fernando Vélez-Ruiz Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental Universidad de las Américas Puebla. Ex-Hda. Sta. Catarina Mártir, Cholula, Puebla. 72820 México. e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
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[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 9 Estudio del proceso combinado de Deshidratación Osmótica y Secado con Aire de Jícama A. Reyes-Herrera y J.F. Vélez-Ruiz Universidad de las Américas Puebla – México CONTENIDO Lista de Tablas .............................................................................................................................. 10 Lista de Figuras ............................................................................................................................. 10 Lista de Ecuaciones ...................................................................................................................... 10 Resumen........................................................................................................................................ 11 Abstract ......................................................................................................................................... 11 1 Introducción ......................................................................................................................... 12 2 Materiales y métodos ........................................................................................................... 14 2.1 Materia Prima y Deshidratación Osmótica .................................................................................... 14 2.2 Salmuera ........................................................................................................................................ 14 2.3 Humedad y Actividad de Agua ..................................................................................................... 14 2.4 Concentración de Sal ..................................................................................................................... 15 2.5 Acidez Titulable ............................................................................................................................ 15 2.6 Color .............................................................................................................................................. 15 2.7 Prueba de Textura .......................................................................................................................... 15 2.8 Evaluación del Coeficiente de Transferencia de Masa (k s ) ........................................................... 16 2.9 Evaluación de Parámetros Cinéticos (k 1 y k 2 ) ............................................................................... 16 2.10 Secado con Aire ........................................................................................................................ 16 2.11 Modelación del Proceso de Secado .......................................................................................... 16 3 Resultados y Discusión ........................................................................................................ 17 3.1 Proceso de Deshidratación Osmótica ............................................................................................ 17 3.1.1 Evolución de la Acidez ........................................................................................................ 17 3.1.2 Evolución del Color ............................................................................................................. 17 3.1.3 Evolución de la Textura ....................................................................................................... 18 3.1.4 Evolución de la Humedad, Contenido de Sólidos, Pérdida de Peso y Actividad de Agua .. 19 3.1.5 Evaluación del Coeficiente Global de Transferencia de Masa ............................................. 21 3.1.6 Ajuste al Modelo de Peleg ................................................................................................... 22 3.2 Secado con Aire de Jícama Deshidratada Osmóticamente ............................................................ 24 3.2.1 Parámetros Fisicoquímicos .................................................................................................. 25 3.2.2 Evolución de la Humedad y Contenido de Sal ..................................................................... 26 3.3 Almacenamiento de la Jícama Deshidratada ................................................................................. 28 4 Conclusiones ........................................................................................................................ 28 5 Referencias Bibliográficas ................................................................................................... 29 REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 10 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Evolución de los parámetros del color durante la DO de jícama*. 18 Tabla 2. Determinación de sólidos durante la DO de jícama (1 corrida). 21 Tabla 3. Coeficientes de transferencia de soluto (k s : s 0.5 ) en la DO obtenidos por medio de la ecuación de Hawkes y Flink (Ec. 5). 21 Tabla 4. Coeficientes cinéticos obtenidos con el modelo de Peleg para la DO de jícama. 22 Tabla 5. Predicciones de humedad con las ecuaciones del modelo de Peleg, en 100 g de jícama. 23 Tabla 6. Predicciones de sólidos con las ecuaciones del modelo de Peleg, en 100 g de jícama. 23 Tabla 7. Ecuaciones lineales obtenidas del secado con aire de JDO. 27 Tabla 8. Predicciones de humedad (kg de agua/kg de s.s.) con las ecuaciones lineales. 27 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Cambio neto de color obtenido con los diferentes tratamientos. 18 Figura 2. Evolución de la humedad (base seca; g agua/g s.s.) durante la DO. 19 Figura 3. Evolución del contenido de sólidos (base húmeda, g agua/g jícama) con los diferentes tratamientos de DO. 20 Figura 4. Evolución de la humedad (base seca) de la JDO (5S-2A) con las diferentes variables de secado con aire. 24 LISTA DE ECUACIONES Pérdida de peso ..................................................................................................................... 14 Ganancia de sólidos .............................................................................................................. 14 Pérdida de agua ..................................................................................................................... 14 Diferencia de color ............................................................................................................... 15 Modelo de Hawkes y Flink ................................................................................................... 16 Ecuación de Peleg ................................................................................................................. 16 REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 11 Estudio del proceso combinado de Deshidratación Osmótica y Secado con Aire de Jícama RESUMEN Se realizó un estudio para desarrollar un alimento de humedad intermedia por medio de la combinación de dos procesos, uno de deshidratación osmótica y otro de secado con aire. Primeramente se evaluó el efecto del cloruro de sodio y del ácido cítrico sobre la cinética de deshidratación osmótica de jícama, realizando el ajuste de resultados a dos modelos, la ecuación de Hawkes y Flink para obtener el coeficiente de transferencia de masa para sólidos, y el modelo de Peleg para determinar tres parámetros: humedad, contenido de sólidos y tiempo de proceso. Como parte de la caracterización del proceso osmótico, se determinaron parámetros fisicoquímicos, tales como acidez, color, humedad, pH y textura. Posteriormente se realizó el secado con aire caliente a dos velocidades (0.35 y 0.45 m/s) y dos temperaturas (45 y 50 °C), en el cual la humedad de la jícama se redujo a un 65-75 %, aumentando así la estabilidad del producto. El secado se desarrolló en el periodo constante, por lo que la cinética se ajustó a ecuaciones lineales. La jícama de humedad intermedia se mantuvo estable durante 4 semanas de almacenamiento en refrigeración a 4 °C. Palabras clave: jícama, deshidratación osmótica, secado con aire ABSTRACT A study to develop a novel intermediate moisture food, based in the application of two processes: osmotic dehydration and air drying, was completed. As part of the first process, the effect of salt and citric acid on the kinetics of osmotic concentration of yam bean or jicama was evaluated, fitting the results to two models, the Hawkes-Flink equation to get mass transfer coefficient for solids, and the Peleg model, to predict moisture, solids content and process time. The physicochemical characterization of jicama included acidity, color, moisture, pH and texture. As a second process, hot air drying was applied at two air velocities (0.35 and 0.45 m/s) and two temperatures (45 and 50 °C). Moisture content of the yam bean was reduced to 65-75 %, increasing product stability. The drying process occurred in the constant period, therefore, it was fitted by linear equations. The dehydrated yam, an intermediate moisture product, was stable during 4 weeks of refrigerated storage at 4 °C. Keywords: yam bean, osmotic concentration, air drying. REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 12 1 INTRODUCCIÓN La jícama es una planta leguminosa, tuberosa y alimenticia, proveniente de América Central, fue cultivada por los aztecas, toltecas y mayas, y poco después fue introducida a Filipinas por los españoles y de ahí se extendió hacia el continente Asiático (González, 1996). La jícama es consumida cruda o bien en ensaladas y actualmente es una botana de origen vegetal preferida en varios países asiáticos y latinoamericanos, incluyendo a México, que la consume sazonada con chile y limón. Rubatzky y Yamaguchi (1997) mencionan que no es recomendable consumirla si no está completamente madura. Por su alto contenido de humedad, la jícama es un alimento vegetal sumamente perecedero, por lo que deben buscarse opciones de conservación para este material biológico. La deshidratación osmótica (DO) es un proceso de separación por medio de membranas, que consiste en la inmersión de un alimento en una solución acuosa hipertónica o de baja actividad de agua con uno o más solutos, creándose así una diferencia de concentraciones o fuerza impulsora entre el alimento y la solución, que favorece la remoción de humedad y la incorporación de sólidos en el alimento (Spicer, 1974; Lerici et al., 1985; Chenlo et al., 2006). La DO suele aplicarse como un pre-tratamiento para otros procesos, tales como el secado y la congelación, debido a que el producto obtenido no es estable y puede descomponerse, perdiendo textura o sufriendo ataque microbiano (Pan et al., 2003; Vélez- Ruiz, 2009). En la DO, el contenido de humedad del alimento es parcialmente eliminado, favoreciendo su conservación y manteniendo por más tiempo las propiedades del alimento en cuestión (Vélez-Ruiz et al., 2000; Chenlo et al., 2008) De acuerdo a Smith (1997) las ventajas de la DO son dos principalmente: que el proceso puede realizarse a cabo a condiciones de temperatura ambiente y que la pared celular del alimento, que actúa como membrana, no experimenta mayor daño. Además, durante este proceso no se presenta oscurecimiento enzimático, aunque el producto puede requerir protección para evitar un oscurecimiento posterior. La principal desventaja de este proceso es la lentitud con que la eliminación de agua sucede. Por otro lado, el secado generalmente se lleva a cabo con aire (SA) y puede ser un tratamiento posterior a la DO, esta combinación de procesos se ha aplicado a una diversidad de materiales para la producción de alimentos más estables y con mejores características (Vélez-Ruiz, 2009). Debido a que algunos de los ácidos orgánicos son removidos del alimento durante el tratamiento osmótico, las características organolépticas del producto final pueden ser mejoradas con el secado con aire, además se obtiene un producto mucho más dulce en comparación con aquel secado sin la concentración previa (Suazo-Abarca et al., 2000). La deshidratación ya sea osmótica, con aire o combinada, puede ser analizada como un fenómeno físico con dos periodos de velocidad de deshidratación o de secado, uno constante y otro decreciente o inestable. En caso de que el proceso se lleve a cabo a velocidad constante, es controlado por la evaporación y la cuantificación de la energía REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 13 necesaria corresponde al cambio de fase del agua eliminada. Mientras que el periodo de velocidad decreciente, se presenta por predominio fenomenológico de la resistencia interna o difusional (Park et al., 2003). Para que un alimento se considere seco, el contenido de humedad debe ser menor al 30% y su actividad de agua (a w ) debe ser menor a 0.6; con esta a w hay muy poca probabilidad de crecimiento de microorganismos, solo podría crecer alguna levadura osmófila (Badui, 1999). La velocidad de secado con aire está influenciada fuertemente por los siguientes factores: i) área de transferencia expuesta, con mayor área superficial mayor es la transferencia de calor y masa y consecuentemente, hay una mayor velocidad de secado y por ello, los alimentos se secan en menor tiempo cuando se dividen en piezas pequeñas y/o delgadas; ii) temperatura: cuanto más caliente esté el aire, más rápidamente se elimina el agua del producto que se está secando; iii) velocidad y humedad del aire: con mayor flujo y más seco se encuentre el aire, mayor es la capacidad de secado, entre otros (Okos et al., 1992; Ibarz y Barbosa, 1999; Welti-Chanes et al., 2003; Hui et al., 2008). Sin embargo, la eliminación de humedad excesivamente rápida en las capas externas del material, puede provocar un fenómeno de “encostramiento”, impidiendo que se produzca la deshidratación correcta del producto por la formación de una barrera externa o costra; iv) presión de vacío: este factor favorece la evaporación del agua, ya que el cambio de fase es más fácil a presiones bajas. La influencia de estos factores tiene su explicación en los fundamentos matemáticos del proceso de secado, que es un fenómeno de transporte simultáneo de cantidad de movimiento, calor y masa. En la combinación de DO y SA, que se ha utilizado repetidamente en la conservación de frutas, hortalizas y algunos otros alimentos de origen animal, por las ventajas que ofrece, se han aplicado diferentes condiciones de operación. Durante la DO se han empleado diversos agentes osmóticos, una amplia gama de concentraciones, y convección natural o forzada (sin y con agitación), entre otras variables. Mientras que en el SA se han utilizado diferentes equipos, diferentes temperaturas y velocidades de aire (Vélez-Ruiz, 2009); coincidiendo en todas las combinaciones reportadas en la obtención de un producto alimenticio de calidad. Por lo anteriormente mencionado, el objetivo del presente trabajo fue estudiar el efecto de ambos procesos de DO y SA, en la producción de una jícama parcialmente deshidratada, de humedad intermedia, tipo botana con sabor ácido-salado; así como analizar los cambios durante dicho procesamiento. REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 14 2 MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 MATERIA PRIMA Y DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA Se seleccionaron jícamas de un tamaño mediano adquiridas en un mercado local. Se pelaron manualmente y se cortaron en placas de 1cm de ancho, 1 cm de espesor, y 10 cm de largo; las cuales se colocaron en bolsas de polietileno, a las que se agregó la solución o salmuera correspondiente (3 o 5 % de sal, y 1 o 2% de ácido cítrico, en una relación 1:2 (vegetal:salmuera) a temperatura ambiente. Las determinaciones tanto de cambio de masa (pérdida de peso: PP, ganancia de sólidos: GS y pérdida de agua: PA), expresadas por las ecuaciones 1 a 3 (Lerici et al., 1985), como de los parámetros fisicoquímicos evaluados durante la DO se realizaron cada hora por cuatro horas, durante el que la muestra permaneció en la solución, cuidando de mantener la relación 1:2 de jícama a salmuera cada vez que se utilizaba alguna muestra. Pérdida de peso 0 t 0 M M PP M Ec (1) Ganancia de sólidos s s t 0 0 Mx Mx GS M Ec (2) Pérdida de agua PA PP GS Ec (3) Donde: M 0 es la masa inicial de la muestra (g o kg), M t es la masa de la muestra a un tiempo de proceso (g o kg), y x s es la fracción másica de sólidos (p/p), 2.2 SALMUERA Se prepararon salmueras en concentraciones de 3 y 5 % (p/p), empleando sal yodada (NaCl) y agua purificada, a las que se agregó 1 y 2 % (p/p) de ácido cítrico. Las bajas concentraciones elegidas se debieron al propósito de incorporar sólidos (sal y ácido) en un nivel bajo, para que la jícama cumpliera la condición de ser un alimento sazonado, tipo botana. 2.3 HUMEDAD Y ACTIVIDAD DE AGUA Los sólidos totales de la jícama se determinaron por medio de aire caliente a 60 °C y durante 24 h (22.013, AOAC, 1995) en una estufa de laboratorio (Mapsa de Casa Rocas, Monterrey, N.L.), registrando la masa inicial y final de la muestra en una balanza analítica (Navigator TM, Ohaus, Co., Suiza). REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 15 La determinación de la actividad de agua se realizó instrumentalmente con un higrómetro Aqua Lab (3TE, Decagon Devices Inc., Pullman WA, EU), calibrado previamente. 2.4 CONCENTRACIÓN DE SAL Para la determinación de sal (NaCl), se empleó un método oficial (24.010, AOAC, 1995) que se basa en la digestión con ácido nítrico en presencia de nitrato de plata, titulando con tiocianato de amonio. 2.5 ACIDEZ TITULABLE Se pesaron 5 g de muestra y se colocaron en matraces Erlenmeyer de 250 mL, se agregaron 25 mL de agua destilada, la mezcla se homogeneizó hasta la eliminación de grumos. El porcentaje de acidez se determinó titulando con hidróxido de sodio 0.1 N hasta el viraje de la fenolftaleína, para expresar el resultado como porcentaje de ácido cítrico (Guerrero y Jiménez, 2002). 2.6 COLOR Para evaluar el cambio de color, se empleó un colorímetro Color Gard System (BYK Gardner, Inc, Maryland, EU.) usando la escala triestímulo de Hunter con parámetros L, a, b. La calibración previa se realizó con los mosaicos negro y blanco (L = 92.89; a = - 1.05; b = 0.82), se midió el color de la superficie del alimento en modo de reflectancia. A partir de estos tres parámetros se obtuvo el cambio neto de color (E). Diferencia de color 2 2 2 t i t i t i E L L b b a a Ec (4) Donde: L es la luminosidad, b es el índice de color amarillo-azul y a es el índice de color rojo-verde, con subíndices al tiempo (t) y al inicio (i) del proceso. 2.7 PRUEBA DE TEXTURA Se evaluó por medio del texturómetro Texture Analizer (Texture Technologies, Corp. Scardale NY, EU.) y el software Texture Expert (Versión 1.22, 1999), con una velocidad de descenso del cabezal de 1.6 mm/s y una deformación de 50 % o distancia de 0.5 cm para la prueba de penetración, en tanto que una velocidad de 0.8 mm/s y una distancia de 0.25 cm (25 %) fueron empleadas para la prueba de compresión (Machado-Velasco y Vélez-Ruiz, 2008). REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 16 2.8 EVALUACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE MASA (K S ) Se aplicó el modelo de Hawkes y Flink (1978) para la cinética de ganancia de sólidos: Modelo de Hawkes y Flink 0.5 s CNS 1 k t Ec (5) Donde: CNS es el contenido de sólidos normalizado (adimensional), obtenido al dividir los contenidos de sólidos al tiempo (t) entre el de sólidos al inicio, k s es el coeficiente global de transferencia de masa (s -0.5 o min -0.5 ), y t es el tiempo de proceso (s o min). 2.9 EVALUACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS (K 1 Y K 2 ) Se aplicó la ecuación de Peleg (1988) con dos constantes cinéticas; esta ecuación puede aplicarse tanto para el agua como para los sólidos, con signo menos (o pérdida) para el agua, mientras que con signo positivo (o ganancia) es para los sólidos, cuya expresión general es la siguiente: Ecuación de Peleg 0 1 2 t M(t) M k k t Ec (6) Donde: M(t) es el contenido de humedad o de sólidos al tiempo t (min), M 0 es el contenido de humedad o de sólidos inicial, k 1 (100 g min/g agua ) y k 2 (100 g/g agua ) son los parámetros cinéticos de la ecuación de Peleg. 2.10 SECADO CON AIRE Se utilizó un secador de charolas con corriente de aire marca Armfield (Armfield Limited, Hampshire, Inglaterra) sometiendo las muestras al secado por un periodo de 4 horas, con velocidades de aire de 0.35 y 0.45 m/s, así como temperaturas de 45 y 50 °C. La velocidad del aire se midió a la entrada del secador, directamente con un anemómetro (LCA 6000, Airflow Instrumentation, RU), mientras que la temperatura se midió con un termómetro de mercurio (Cole-Parmer), realizando las determinaciones de humedad en intervalos de 10 minutos. 2.11 MODELACIÓN DEL PROCESO DE SECADO Se analizaron los datos correspondientes al periodo de velocidad de secado, y por medio de una regresión lineal se obtuvo la información correspondiente, que permite la determinación de un coeficiente de transferencia de masa. REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 17 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 PROCESO DE DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA Para conocer el efecto que tiene la DO en la jícama, se realizaron las determinaciones de acidez, color, textura, humedad y contenido de sólidos durante el desarrollo de proceso (cada hora) con los cuatro tratamientos seleccionados. Los resultados obtenidos se presentan a continuación. 3.1.1 Evolución de la Acidez El porcentaje de acidez de la jícama deshidratada osmóticamente (JDO) aumentó, desde un valor de 0.20 % para el vegetal fresco hasta 0.80 % para la jicama más ácida; el valor más alto (0.8 %) y más bajo de pH (3.0) correspondieron a la jícama deshidratada con 5 % sal y 2 % ácido cítrico, mientras que el menor valor de acidez (0.24 %) y más alto de pH (4.0) se obtuvieron con la solución de baja cantidad de solutos, 3 % sal y 1 % ácido cítrico. Estas diferencias están relacionadas a la ganancia de ácido en la jícama, registrada durante la DO después de 4 h de tratamiento. Su evolución con respecto al tiempo, implica dos fenómenos másicos en contracorriente, el flujo de salida o pérdida de humedad del vegetal hacia la solución y la difusión de ácido de la solución hacia el vegetal. El pH disminuyó de 6.4 a valores comprendidos en el intervalo de 3.0 a 4.0, dependiendo de la combinación de factores aplicados. Después de aplicar el ANOVA se encontró que si hay una diferencia significativa (p<0.05) en la acidez final de las muestras, aún entre aquellas tratadas con el mismo nivel de ácido (1 o 2%), por lo que se infiere que hay una interacción física importante entre la sal y el ácido que afecta el flujo de ácido hacia la jícama y que determina la diferencia observada en acidez. 3.1.2 Evolución del Color La magnitud de los parámetros del color medidos durante el proceso de DO se incluyen en la Tabla 1, mientras que la diferencia neta de color (E) resultante de los tratamientos aplicados a la jícama se muestran en la Figura 1. Para los sistemas 3S-2A y 5S-2A el E resultó mayor y del orden de 7.2 y 8.5, respectivamente; en comparación a los otros dos sistemas (3S-1A y 5S-1A), que generaron cambios menores. Esto refleja la influencia del ácido cítrico sobre el color, principalmente en el parámetro b (azul-amarillo) debido a alguna reacción de pardeamiento o de oxidación. Se aprecia claramente en la tabla 1, que los sistemas con mayor concentración de ácido (2A), tuvieron una menor magnitud (0.80-1.97) que aquellos tratamientos con menor contenido de ácido cítrico (2.76-4.61); aunque los cambios de color también pueden estar influenciados por otros factores. Polydera et al. (2000) reportaron valores semejantes en la deshidratación osmótica de manzana con jarabe de sacarosa, lo que indica que son cambios en color que REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 18 pueden considerarse como normales y aceptables en este proceso de deshidratación, ya que son cambios pequeños, consecuencia de un proceso corto de solo cuatro horas. 3.1.3 Evolución de la Textura La textura fue afectada notablemente por la DO; en los cuatro tratamientos o sistemas, la fuerza de compresión disminuyó desde 225.3 N para la jícama fresca a valores que variaron de 88.2 a 156.8 N al final del proceso, que representa un ablandamiento de 30 a 60 %, y observando una relación directa entre los valores más altos de dureza con las soluciones de mayor cantidad de solutos y viceversa. Una disminución en textura o ablandamiento de un 30 % fue reportada por Monsalve et al. (1993) en la DO de manzana, después de 6 horas de proceso. Tabla 1. Evolución de los parámetros del color durante la DO de jícama*. Sistema Tiempo 1 h 2 h 3 h 4h L / a / b 3S – 1A 53.1/-2.11/3.80 53.0/-2.21/3.28 52.9/-2.19//3.03 52.4/-2.77/2.99 3S – 2A 51.5/-1.58/1.97 49.4/-0.94/1.77 49.7/-1.54/1.33 49.7/-1.59/1.04 5S – 1A 53.6/-2.14/4.11 51.4/-2.24/4.61 50.3/-1.98/2.76 49.5/-2.77/2.94 5S – 2A 49.8/-1.45/1.08 48.1/-1.22/0.76 48.4/-1.21/1.15 48.7/-1.33/0.80 * Valores para la jícama fresca: L = 53.8, a = -1.84, b = 6.99 Figura 1. Cambio neto de color obtenido con los diferentes tratamientos. 0 2 4 6 8 10 E 3% sal- 1% ácido 3% sal- 2% ácido 5% sal- 1% ácido 5% sal- 2% ácido REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 19 Se obtuvo una diferencia significativa (p < 0.05) en la fuerza de compresión entre tratamientos, magnitud que fue influenciada por la sal; mientras que el ácido y la interacción entre ellos, no implicaron un efecto significativo. La misma tendencia se cuantificó con la prueba de penetración en la jícama, aunque el decremento fue más marcado; se registró una fuerza inicial de 109.7 N y una final que varió de 6.9 a 8.3 N, atribuido a los cambios estructurales del tejido vegetal. Ciertamente las pruebas físicas son diferentes, mientras que la compresión (0.25 cm) que se hace con un plato, es una medida global de la superficie alimenticia, la penetración (0.5 cm) que se hace con un émbolo o cilindro, es una prueba local o puntual, en la que se atraviesa parte del tejido. El efecto en una zona (penetración) fue mayor, con un decremento del orden de 90 % y por otro lado, en la resistencia global (compresión) resultó de menor magnitud (30-60 %), lo que expresa cierta integridad de la superficie vegetal. 3.1.4 Evolución de la Humedad, Contenido de Sólidos, Pérdida de Peso y Actividad de Agua Como se esperaba el contenido de humedad de la jícama disminuyó (Figura 2), la humedad inicial de 96.4 % (26.7g H 2 O/g s.s.) decreció a lo largo del tratamiento, se perdieron entre 3 y 7 g de agua; el contenido más bajo de humedad se obtuvo con la solución con 5 % sal y 2 % ácido cítrico, lo que implicó una mayor transferencia de masa, como se esperaba. Figura 2. Evolución de la humedad (base seca; g agua/g s.s.) durante la DO. En lo que respecta al cambio en el contenido de sólidos (Figura 3), que obviamente está relacionada con el contenido de humedad, éstos aumentaron desde 3.6 % a valores finales comprendidos entre 7.9 (3S-1A) y 9.5 % (5S-2A), siendo mayor para aquella solución con 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 0 1 2 3 4 H u m e d a d ( b . s . ) Tiempo (h) 3%sal-1%ac 3%sal-2%ac 5%sal-1%ac 5%sal-2%ac REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 20 porcentaje de sólidos más alto; sin embargo el valor final en los cuatro tratamientos es parecido. Los dos parámetros anteriores, humedad y sólidos, se combinan para determinar el porcentaje de pérdida de peso, que resultó entre 11 y 21 %, para los tratamientos de DO con 3S-1A y 5S-2A, respectivamente. Una mayor diferencia en concentraciones determinó la mayor pérdida de peso debido a que existe un mayor gradiente, que favorece la transferencia de sólidos (sal y ácido) hacia las placas de jícama y del agua del vegetal hacia la solución. Figura 3. Evolución del contenido de sólidos (base húmeda, g agua/g jícama) con los diferentes tratamientos de DO. Después de la aplicación del ANOVA a estos tres parámetros másicos en función de los dos factores estudiados, se encontró que no existe diferencia significativa (p > 0.05) para la humedad, pero si para el contenido de sólidos en función de la sal y si hubo diferencia significativa para la pérdida de peso como función de ambos factores; es decir, la cantidad de sal y de ácido. La actividad de agua se redujo desde 0.970 hasta 0.940-0.945, en que el nivel más alto correspondió a los sistemas con menor cantidad de sólidos. El decremento alcanzado en actividad de agua no es suficiente para lograr la estabilidad del alimento, en estas condiciones el alimento es susceptible al daño por microorganismos y a otros cambios bioquímicos. Sin embargo, sí se logra cierta estabilidad por la disminución de la humedad y el aumento de sólidos en la JDO, y sobre todo se logran incorporar dos solutos, la sal y el ácido cítrico, que modifican favorablemente el sabor y la consistencia de la misma. Estos cambios son convenientes para desarrollar un alimento tipo botana con cierta estabilidad. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 C o n t e n i d o d e s ó l i d o s ( % b . h . ) Tiempo (h) 3%sal-1%ac 3%sal-2%ac 5%sal-1%ac 5%sal-2%ac REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 21 Aunque no se hizo una evaluación sensorial formal de la JDO, las personas que la degustaron expresaron comentarios favorables. 3.1.5 Evaluación del Coeficiente Global de Transferencia de Masa Para la ganancia de sólidos durante la DO, se realizaron tres corridas experimentales para cada tratamiento, de ellas solo se incluye una de las experiencias (Exp) como representativa en la Tabla 2. Tabla 2. Determinación de sólidos durante la DO de jícama (1 corrida). Tiempo Sistema: 3S-1A 3S-2A 5S-1A 5S-2A Exp. Pred. Exp. Pred. Exp. Pred. Exp. Pred. 0 Sólidos (% p/p) 3.600 3.600 3.600 3.600 CNS (adimens.) 1.000 1.000 1.000 1.000 1 h Sólidos (% p/p) 3.844 5.672 6.586 6.058 CNS (adimens.) 1.068 2.086 1.576 1.744 1.829 1.714 1.683 1.916 2 h Sólidos (% p/p) 5.603 6.976 7.478 8.421 CNS (adimens.) 1.556 2.535 1.938 2.052 2.077 2.010 2.339 2.295 3 h Sólidos (% p/p) 6.137 7.959 7.860 8.692 CNS (adimens.) 1.705 2.881 2.211 2.288 2.183 2.234 2.414 2.586 4 h Sólidos (% p/p) 7.953 8.206 9.326 9.520 CNS (adimens.) 2.209 3.172 2.279 2.487 2.591 2.428 2.644 2.831 Posteriormente se realizó el ajuste a la ecuación de Hawkes y Flink (Ec. 5), y se obtuvo el coeficiente global de transferencia de masa de solutos, k s . Los valores obtenidos para cada uno de los sistemas estudiados se presentan en la Tabla 3. Aunque se realizó el ajuste a los resultados de todos los tratamientos, se observa que el modelo no resultó apropiado para el primer tratamiento (3S-1A), lo que se atribuye a que los aumentos en sólidos con respecto al tiempo, fueron menos uniformes en este tratamiento (los resultados de ganancia de sólidos fueron altos en la primera hora) y la pendiente de la relación de los sólidos normalizados a la raíz cuadrada del tiempo se ve más afectada, lo que se refleja en valores predichos menos aproximados (Tabla 2), mismos que se ejemplifican para la misma corrida. El resto de los ajustes fue mejor. Tabla 3. Coeficientes de transferencia de soluto (k s : s 0.5 ) en la DO obtenidos por medio de la ecuación de Hawkes y Flink (Ec. 5). Corrida Sistema 3S-1A 3S-2A 5S-1A 5S-2A 1 0.0184 0.0135 0.0119 0.0149 2 0.0180 0.0117 0.0122 0.0167 3 0.0178 0.0120 0.0116 0.0152 Promedio 0.0181 0.0124 0.0119 0.0153 D. estándar (+ 0.001) (+ 0.001) (+ 0.001) (+ 0.001) R2 > 0.975 > 0.989 > 0.960 > 0.950 Eliminando la modelación obtenida para el primer sistema o tratamiento, el valor de k s resultó mayor para el sistema con 5 % de sal y 2 % de ácido, que resulta lógico y de REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 22 acuerdo a los resultados de ganancia de masa comentados previamente. Los otros dos coeficientes de transferencia de soluto, que no siguen una tendencia esperada (3S-2A y 5S- 1A), mostraron una pequeña diferencia en dicho coeficiente y ambos mostraron un aumento más regular en los sólidos ganados. El análisis de varianza indica que hubo diferencia significativa (p < 0.05) entre coeficientes de transferencia de masa como consecuencia de los tratamientos de DO. Se han reportado valores de k s , empleando la misma ecuación, y estos oscilan desde valores bajos (0.00272 s -0.5 ) para plátano, hasta muy altos (0.0203 s -0.5 ) para papaya (Palou et al., 1994). Chenlo et al. (2008) reportan valores muy bajos (< 0.00128 s -0.5 ) para la DO de castaña en soluciones salinas y dulces a 17 o más horas de proceso. La diferencia en dichos coeficientes, para esta comparación y para otros valores reportados de k s , se debe básicamente a las condiciones de operación de cada proceso de DO; en que prevalece una menor o mayor fuerza impulsora, además de diferente agente depresor, con concentración variable de éste, en una relación alimento/solución diferente y con la presencia de agitación en algunos sistemas, y sobre todo, para periodos más largos de DO. 3.1.6 Ajuste al Modelo de Peleg De manera semejante al ajuste anterior, se realizó la modelación de los resultados del cambio de humedad y de sólidos durante la DO, aplicando la ecuación de Peleg, sin olvidar que para la humedad es una disminución o pérdida y para los sólidos es una ganancia. En la Tabla 4 se presentan los ajustes lineales para ambos parámetros cinéticos, es decir agua y sólidos. Se debe mencionar que en procesos intensos de DO, donde normalmente interesa eliminar el mayor contenido de agua y obtener la mayor ganancia de sólidos a través de periodos largos de proceso, se tienen coeficientes bajos en humedad, para que la humedad sea menor en el alimento; y similarmente, bajos valores de k en sólidos para alcanzar un alto contenido en el producto. En nuestro estudio; no fue así, ya que la DO fue interrumpida a las 4 horas de tratamiento, además de que la concentración de sólidos en la solución osmótica utilizada fue notablemente baja, en comparación con otros trabajos. Tabla 4. Coeficientes cinéticos obtenidos con el modelo de Peleg para la DO de jícama. Tratamiento Componente k 1 * k 2 * R 2 3%S - 1%A Humedad* 771.69 – 15.75 0.95 Sólidos** 248.76 + 0.938 0.79 3%S - 2%A Humedad* 1035.4 – 16.58 0.96 Sólidos** 20.675 + 0.127 0.99 5%S - 1%A Humedad* 66.291 -4.974 0.99 Sólidos** 14.606 + 0.126 0.95 5%S - 2%A Humedad* 194.76 -5.538 0.99 Sólidos** 16.585 + 0.098 0.95 * Para contenido de humedad: k 1 (min*100g/g agua ), k 2 (100g/g agua ) ** Para contenido de sólidos: k 1 (min*100g/g s.s ) and k 2 (100g/g gs.s ) REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 23 En general se aprecia un buen ajuste a la ecuación de Peleg, con valores de correlación superiores a 0.95, excepto la de sólidos en el sistema 3S-1A; sin embargo, se observa que en general el ajuste es bueno para los cuatro tratamientos. Hay un mejor ajuste para la pérdida de humedad (R 2 : 0.95-0.99 y errores menores a 2 %) que para el contenido de sólidos (R 2 : 0.79-0.99 y errores menores a 7 %, con excepción de dos valores); tanto los valores experimentales y predichos para ambos componentes, se incluyen en las tablas 5 y 6. Tabla 5. Predicciones de humedad con las ecuaciones del modelo de Peleg, en 100 g de jícama. Ecuación Tiempo Valor Predicho (%) Valor experimental (%) Error (%) 8 60 min 96.04 96.25 0.2 120 96.15 96.13 0.1 180 96.04 96.01 0.1 240 95.93 95.94 0.1 10 60 min 97.86 96.02 1.9 120 95.89 95.89 0.1 180 95.79 95.76 0.1 240 95.68 95.69 0.1 12 60 min 96.13 96.07 0.1 120 95.84 95.87 0.1 180 95.65 95.65 0.1 240 95.44 95.43 0.1 14 60 min 95.95 95.97 0.1 120 95.71 95.70 0.1 180 95.48 95.47 0.1 240 95.28 95.27 0.1 Tabla 6. Predicciones de sólidos con las ecuaciones del modelo de Peleg, en 100 g de jícama. Ecuación Tiempo Valor Predicho (g) Valor experimental (g) Error (%) 9 60 min 3.912 3.844 1.8 120 4.481 5.603 20 180 5.851 6.137 4.6 240 13.72 7.953 72 11 60 min 5.721 5.672 0.9 120 6.942 6.976 0.5 180 7.736 7.860 1.6 240 8.293 8.206 1.1 13 60 min 6.304 6.586 4.2 120 7.631 7.478 2.0 180 8.419 7.959 5.8 240 8.941 9.326 4.1 15 60 min 6.270 6.058 3.5 120 7.832 8.421 7.0 180 8.857 8.692 1.9 240 9.581 9.520 0.6 No se detecta una tendencia específica de los coeficientes k 1 y k 2 en función de la composición del medio osmótico, como ha sido reportado en otros estudios. El parámetro k 2 se relaciona con la humedad o con el contenido de sólidos en equilibrio, por lo que se espera que su valor sea afectado tanto por la concentración de la salmuera como por el REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 24 tiempo de proceso, pero no resultó así, esencialmente porque la DO fue corta. Tanto para humedad como para sólidos, k 2 no mostró una tendencia con respecto a los 4 tratamientos de DO. Palou et al. (1994) emplearon la ecuación de Peleg para modelar la DO de papaya durante 50 horas con diferentes concentraciones de soluto, y reportaron valores en un intervalo de 13.2 a 19.8 para k 1 , y de 0.015 a 0.027 para k 2 , para ambos componentes, es decir, tanto para la humedad como para los sólidos solubles. Más recientemente, Kowalska et al. (2008) reportaron algunos valores para las constantes de Peleg en la DO de calabazas sujetas a diferentes tratamientos; para humedad k 1 varió desde 95 hasta 867, y k 2 estuvo en un rango de 0.015 a 0.027, mientras que para los sólidos k 1 varió desde 4.17 hasta 58.6, y k 2 estuvo en un intervalo de 0.003 a 0.029, todos ellos en función del soluto y el tratamiento aplicado. En dicho estudio la DO de calabaza se llevó a cabo en 3 h con concentraciones de 50 a 68 % y utilizando tres diferentes solutos. 3.2 SECADO CON AIRE DE JÍCAMA DESHIDRATADA OSMÓTICAMENTE La JDO se sometió posteriormente a un proceso de secado con aire durante 360 minutos, empleando dos temperaturas y dos velocidades de aire; aunque originalmente se habían planeado cuatro combinaciones, hubo problemas técnicos para la cuarta condición de deshidratación (50 °C y 0.45 m/s). En general, para las tres condiciones de proceso evaluadas, la tendencia en el cambio de humedad con respecto al tiempo es semejante como lo muestra la Figura 4; que específicamente corresponde a JDO con 5% de sal y 2% de ácido, mostrando la tendencia de la cinética de secado correspondiente a cada condición de operación. Figura 4. Evolución de la humedad (base seca) de la JDO (5S-2A) con las diferentes variables de secado con aire. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 50 100 150 200 250 300 350 400 H u m e d a d ( k g a g u a / k g s . s . ) Tiempo (min) 50, 0.35 45, 0.35 45, 0.45 ec 45.45 ec 45-35 ec 50-35 REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 25 Como se aprecia en dicha gráfica, solo aparecen los resultados correspondientes a tres condiciones de secado con aire 45 y 50 °C a 0.35 m/s, 45 °C a 0.45 m/s, en lugar de las cuatro planteadas originalmente, por lo que se discutirán las tres realizadas. 3.2.1 Parámetros Fisicoquímicos De la misma manera que con la operación anterior (DO), para conocer el efecto que tiene el proceso de secado con aire (SA) en la jícama, se realizaron las determinaciones de color, textura, sal y humedad durante el desarrollo de proceso con los tratamientos seleccionados. Los resultados obtenidos se presentan enseguida, sin embargo, solo son presentados de manera general y la discusión se centra en la pérdida de humedad. 3.2.1.1 Color El color, expresado como luminosidad (L) varió en el intervalo de 31.2 a 47.7 dependiendo del tratamiento y no se encontró influencia significativa ni de la velocidad, ni de la temperatura, por lo que se puede considerar que la luminosidad fue la misma en todas las jícamas independientemente de las condiciones de secado. Lo mismo sucedió con el parámetro a, que no fue afectado por la velocidad y temperatura del aire, este parámetro del color correspondió a un intervalo de – 2.85 a 0.95 dependiendo del SA utilizado. En contraste, el parámetro b si fue afectado significativamente (p < 0.05) por la temperatura, pero no por la velocidad, y estuvo en el intervalo de 5.20 a 10.45. En general, las jícamas secas resultaron menos luminosas y más amarillas cuando se compararon con la jícama fresca. El cambio neto de color como parámetro global y con respecto a la jícama fresca, mostró cambios comparables a la DO, con un intervalo de 5.20 a 11.1 medido al final del secado, asociándose los cambios menores con la temperatura de 45, mientras que mayores cambios en color fueron relacionados con 50 °C. Y solo una condición (3S-1A, 45 °C y 0.35 m/s), se salió de este rango de E, con una magnitud de 22.8 que resulta difícil interpretar. Obviamente los cambios en color se deben a las reacciones de oxidación y oscurecimiento, tanto por la presencia de oxígeno como por la elevación de temperatura. 3.2.1.2 Textura Se aplicaron las mismas pruebas de compresión y penetración en la jícama después del proceso de secado con aire, la fuerza de compresión mostró un rango de 20.2 a 111 N, que son valores por abajo de los obtenidos en la prueba de compresión de JDO. Mientras que la fuerza de penetración vario de 8.70 a 77.2 N, mostrando un incremento notable para esta prueba. Ambos parámetros reflejan los cambios o ajustes estructurales por la pérdida de humedad e interacción de sólidos. Al analizar los datos correspondiente a las diferentes condiciones de operación se encontró que los valores de la fuerza de compresión fueron 20.2-130.5 N para 45 °C y 0.35 m/s, 40.3-109.5 N para 45 °C y 0.45 m/s, y 14.1-111 N para 50°C y 0.35 m/s. Por otro lado, para REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 26 la fuerza de penetración, las magnitudes correspondieron a 12.2-77.2, 8.70-69.4, y 11.4- 31.6 N, respectivamente para las 3 condiciones de SA, en donde se pudo apreciar una relación no generalizada entre mayores fuerzas y mayor concentración de solutos. De estos resultados se observa que en general hubo un decremento en la fuerza global o de compresión que expresa la pérdida de agua de la matriz o red vegetal, debilitando la estructura, y un aumento en la fuerza local o de penetración, que refleja la mayor fuerza de los puntos de enlace o interacción por la eliminación del agua y la presencia de sales. Ambos fenómenos son resultado de la aplicación del proceso combinado de DO y SA. 3.2.2 Evolución de la Humedad y Contenido de Sal Como lo muestra la Figura 4, así se desarrollaron las cinéticas de pérdida de humedad para la JDO, el fenómeno de deshidratación con aire mostró una tendencia que se consideró lineal. Como se puede concluir y así lo corroboran Krokida et al. (2003), esta cinética de pérdida de humedad refleja un fenómeno de secado estable y por tanto una velocidad de evaporación constante. Analizando el fenómeno de transporte de masa, esto significa que el control del secado se debe a la evaporación superficial del agua de las placas de jícama, como consecuencia de que la humedad eliminada durante la DO se llevó a cabo a un nivel bajo; quedando suficiente agua en el material alimenticio para que la evaporación se desarrolle plenamente durante el SA. Se generaron las ecuaciones lineales que relacionan a la humedad residual con el tiempo de proceso, mismas que se incluyen en la tabla 7. Para las muestras secadas a 45 °C y 0.35 m/s, la pendiente de la línea recta resultó en valores comprendidos entre 0.0130 y 0.0194 (media de 0.016); mientras que para los productos secados a 45 °C y a 0.45 m/s los valores estuvieron entre 0.0131 a 0.0222 kg de agua/kg s.s. . min (media de 0.018); y para los productos secados a 50 °C y a 0.35 m/s la razón varió entre 0.0127 a 0.0189 kg de agua/kg s.s. . min (media de 0.016). Estas pendientes o razones de evaporación, no expresan diferencias importantes entre condiciones de secado, ya que corresponden a tendencias semejantes (“curvas paralelas”). De cualquier modo y basados tanto en la humedad final alcanzada (Fig. 4), como en las velocidades de evaporación (pendientes de las ecuaciones lineales), se podría concluir que el secado de JDO fue más efectivo con aire a 45 °C y a una velocidad de 0.45 m/s. Todos estos valores permitieron un buen ajuste (R 2 : 0.96 - 0.99, con una excepción: 0.89 para el secado 45 °C-0.45 m/s de JDO con 5S-2A), por lo que la predicción de la humedad en este proceso de deshidratación, correspondió prácticamente a la determinada experimentalmente con errores menores al 10 % (solo 14 de 311 valores predichos tuvieron un error mayor; mismos que coinciden con las zonas no lineales de la curva de secado), y corroboró que el secado se desarrolló en una etapa estable de eliminación de agua; la misma Figura 4 muestra el comportamiento predicho de la JDO durante el secado (líneas continuas). Por lo anterior, no fue necesario aplicar ninguna otra ecuación, ni considerar un periodo de secado decreciente. Algunos valores experimentales y predichos para las REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 27 diferentes corridas experimentales, a tiempos variables y tomados al azar, se incluyen en la Tabla 8. Tabla 7. Ecuaciones lineales obtenidas del secado con aire de JDO. Tratamiento DO Secado con Aire Ecuación obtenida Ecuación R 2 T (°C) v (m/s) 3S-1A 45 0.35 M = 9.4538 - 0.0172 tsa 7 0.987 3S-1A 45 0.45 M = 8.6840 - 0.0153 tsa 8 0.976 3S-1A 50 0.35 M = 9.1884 - 0.0153 tsa 9 0.984 3S-2A 45 0.35 M = 9.4140 - 0.0194 tsa 10 0.996 3S-2A 45 0.45 M = 9.4607 - 0.0222 tsa 11 0.994 3S-2A 50 0.35 M = 8.8213 - 0.0189 tsa 12 0.960 5S-1A 45 0.35 M = 7.7614 - 0.0130 tsa 13 0.983 5S-1A 45 0.45 M = 8.3427 - 0.0131 tsa 14 0.969 5S-1A 50 0.35 M = 8.4003 - 0.0127 tsa 15 0.993 5S-2A 45 0.35 M = 8.0987 - 0.0172 tsa 16 0.991 5S-2A 45 0.45 M = 6.7802 - 0.0166 tsa 17 0.886 5S-2A 50 0.35 M = 7.4783 - 0.0157 tsa 18 0.957 M: humedad base seca, t sa : tiempo de secado con aire (min) Tabla 8. Predicciones de humedad (kg de agua/kg de s.s.) con las ecuaciones lineales. Ecuación Tiempo Valor Predicho Valor experimental (%) Error (%) 16 60 min 8.422 8.410 0.1 120 7.390 7.422 0.4 17 180 5.930 5.608 5.7 240 5.012 4.919 1.9 18 30 min 8.729 8.404 3.9 90 7.811 8.027 2.7 19 270 4.176 4.231 1.3 330 3.012 2.918 3.2 20 60 min 8.129 8.080 0.6 120 6.797 7.097 4.2 21 180 5.419 5.106 6.1 340 2.395 2.917 18 22 30 min 7.370 7.480 1.4 120 6.200 6.060 2.3 23 100 7.030 7.090 0.8 330 4.020 3.620 11 26 0 8.099 7.803 3.8 360 1.907 2.095 9.0 27 100 5.908 6.175 4.3 200 4.338 3.940 10 Después de este tratamiento de SA, la jícama disminuyó su humedad desde 87- 90 % obtenido después de la DO, hasta un 60-70 % de humedad dependiendo tanto del tratamiento de DO aplicado, como de las condiciones de operación en el SA; es decir, se logró eliminar alrededor de un 20-30% del agua existente en la JDO en 6 horas de secado; o bien, si se considera la humedad en base seca, la disminución fue desde 7-8 hasta 2-3 kg agua/kg s.s, lo que permite considerar al producto obtenido, como una jícama de humedad intermedia (a w < 0.9, valor obtenido por medio de un modelo de predicción de actividad de REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 28 agua). El análisis estadístico aplicado, indicó que no hubo diferencia significativa en la humedad final en función de la temperatura y velocidad del aire. Aunque las condiciones de operación, el alimento y el agente depresor difieren, existen semejanzas con algunos de los datos reportados por Park et al. (2003). El contenido de sal fue determinado después del SA, el intervalo de variación medido fue de 4 a 10 % en función de la combinación específica de procesos de DO y SA; como se esperaba, los valores bajos de NaCl estuvieron asociados con las bajas concentraciones de sólidos en la solución osmótica. Y el aumento en la concentración de sal obviamente es resultado de la concentración por la elimnación de agua durante el SA. 3.3 ALMACENAMIENTO DE LA JÍCAMA DESHIDRATADA La jícama deshidratada con la combinación de DO y SA a las diferentes condiciones de operación estudiadas, fue almacenada a temperatura de refrigeración (4 + 1 °C) durante 4 semanas, en donde se realizaron algunas observaciones. Hubo pérdida de luminosidad, ligero aumento en el parámetro rojo y decremento en el amarillo, cuyas magnitudes variaron en función del tratamiento combinado. Al final del periodo de almacenamiento, los cambios netos de color estuvieron entre 5 y 15, de magnitud semejante a los registrados durante el secado; se encontró un efecto significativo del tiempo tanto en L como en b y sin efecto sobre el parámetro a. Se registraron pequeños decrementos tanto en la fuerza de compresión como en la de penetración de muestras seleccionadas al azar, no se midió la fuerza en todas las jícamas secas; disminuciones en textura que básicamente expresan la pérdida de consistencia de las muestras, por efectos del almacenamiento o “envejecimiento”. Finalmente y aunque tampoco se efectuaron pruebas sensoriales formales, la jícama obtenida mostró buenas características sensoriales de color, sabor y textura. Y mantuvo estos atributos aceptables durante las 4 semanas que permaneció refrigerada. Además del efecto conservador por la incorporación de sólidos en la jícama, la presencia de ácido contribuyó a darle un sabor atractivo. 4 CONCLUSIONES Se deshidrató la jícama osmóticamente, con sal y ácido cítrico, resultando en cambios fisicoquímicos notables. Se aplicaron satisfactoriamente dos modelos cinéticos, el de Hawkes y Flink para obtener el coeficiente global de transferencia de sólidos, y el modelo de Peleg, tanto para la ganancia de sólidos como para la pérdida de humedad; ambos modelos describen de manera adecuada el proceso de DO para la jícama, con bajos errores de predicción, en tres de los cuatro tratamientos. Los cambios másicos (ganancia de sólidos, pérdida de humedad y de peso) y fisicoquímicos (acidez, color, y textura) registrados durante este proceso fueron ligeros, debido a la baja concentración de sólidos utilizada en la solución osmótica (< 7 %) y al corto periodo de tratamiento (4 h). Para el proceso de REYES-HERRERA, A. – VÉLEZ-RUI Z, J .F. DESHI DRATACI ÓN DE J Í CAMA ReCiTeIA - v.11 n.1b 29 secado con aire, se observó que las condiciones de temperatura y velocidad de aire utilizadas en este experimento, generaron un cambio de humedad con respecto al tiempo que correspondió al periodo de velocidad constante, y que fue ajustado a una línea recta. La humedad de la jícama se redujo en función de los flujos con aire hasta niveles de 2-3 kg agua/kg de s.s., aumentando la estabilidad del producto, que se mantuvo estable durante 4 semanas de almacenamiento refrigerado. Por los resultados obtenidos de la combinación de deshidratación osmótica y secado con aire, se puede considerar que el producto obtenido es de humedad intermedia (< 0.90), además de que se establecen las bases para el desarrollo de una jícama estable y sensorialmente aceptable. Sin embargo, se requieren de trabajos adicionales que completen el presente estudio si se desea elaborar una jícama para una mayor vida de anaquel, centrando la combinación de ambos procesos en las mejores condiciones de operación observadas en este estudio, e incluyendo pruebas sensoriales formales que permitan la obtención de una jícama estable y sensorialmente atractiva. 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS A.O.A.C. (1995). Official Methods of Analysis. Association of Official Analytical Chemist, International. CD, Gaithersburg, MD, EU. Badui, S. (1999). Química de los Alimentos. Ed. Pearson Educación. México. Chenlo, F., Moreira, R., Fernández-Herrero, C. y Vázquez G. (2006). Mass transfer during osmotic dehydration of chesnut using sodium chloride. Journal of Food Engineering, 73: 164-173. Chenlo, F., Moreira, R., Torres, M. y Ferra, J. (2008). Deshidratación osmótica de castaña en medios estáticos y dinámicos de sal, sacarosa y glucosa. Ciencia y Tecnología Alimentaria, 6(2):117-129. 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[email protected] Darmys Fernández Semillero de Bioprocesos y Termodinámica, Universidad del Atlántico e-mail:
[email protected] Andrés Núñez Semillero de Bioprocesos y Termodinámica, Universidad del Atlántico e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 33 Implementación del método de perfil de gota para la medición de la tensión interfacial de grasas en el proceso de emulsificación en MATLAB®, utilizando un nuevo sistema de coordenadas de referencia Alberto Albis, Darmys Fernández, Andrés Núñez Universidad del Atlántico – Colombia CONTENIDO Lista de Figuras ............................................................................................................................. 33 Resumen........................................................................................................................................ 34 1 Introducción ......................................................................................................................... 34 2 Metodología ......................................................................................................................... 39 3 Resultados ............................................................................................................................ 39 4 Discusión .............................................................................................................................. 42 5 Referencias Bibliográficas ................................................................................................... 42 LISTA DE FIGURAS Figura 1. a) Sistema de coordenadas propuesto por Zholob et al. b) Coordenadas de referencia utilizadas en este trabajo. 37 Figura 2. a) Detección del borde de la gota mediante el método de Canny. b) Selección del área de trabajo. c) Ejemplo de Perfil experimental 41 Figura 3. Interfaz gráfica del algoritmo. 41 ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 34 Implementación del método de perfil de gota para la medición de la tensión interfacial de grasas en el proceso de emulsificación en MATLAB®, utilizando un nuevo sistema de coordenadas de referencia RESUMEN La espumación y la emulsificación son procesos físicos que tienen como objetivos fusionar dos fases distintas ya sean liquido-liquido o liquido-gas para crear mezclas casi homogéneas. Para el caso de la espumación es necesario hacer pasar el gas atraves de la fase liquida provocando un burbujeo constante y uniforme, mientras que para el segundo es necesario mezclar las dos fases liquidas inmiscible y agregar una energía externa para lograr un mezclado casi uniforme de las sustancias en la contacto. Para estos procesos es fundamental el cálculo de la tensión interfacial a causa de que esta propiedad proporciona una idea del el grado de espumación o emulsificación posible en un sistema, por lo cual también es preciso disponer de un método rápido y exacto para medirla. Existen muchos métodos para medir la tensión superficial, entre ellos, el método de perfil de gota muestra algunas ventajas, tales como: alta precisión, tamaño pequeño de muestra, es aplicable a interfaces líquido-vapor y líquido-líquido y a condiciones extremas de presión y temperatura. Este método ya ha sido utilizado para determinar la adsorción de sistemas de proteína en distintas interfaces. El método del perfil de gota se basa en el desarrollo de la ecuación de Young-Laplace para la capilaridad: esta ecuación diferencial se soluciona para un conjunto de parámetros, entre los cuales se incluye la tensión interfacial y se compara con el perfil experimental adquirido a través de una fotografía. El procedimiento se repite con distintos valores para el conjunto de parámetros hasta que coinciden el perfil experimental y el calculado. Palabras clave / Keywords: Emulsificación, Espumación, Perfil de gota, ecuación de Young-Laplace, Tensión interfacial 1 INTRODUCCIÓN La emulsificación y la espumación son procesos muy importantes en la producción de la industria de alimentos, por ser focos de alta sensibilidad en la calidad de muchos de sus productos como lo son aditivos, cremas, salsas, mantequillas, sopas, helados, etc. Estos procesos tienes como fin básicamente intentar homogenizar una mezcla en su mayoría de agua y sustancias oleaginosas para la emulsificación y grasas o sustancias de este carácter con gases (aire comúnmente). Para poder llevar a cabo estas operaciones es necesario conocer ciertas propiedades intrínsecas de los componentes de la mezcla a tratar, una de ellas es la tensión interfacial de las sustancias puras, esto a causa de que esta propiedad es responsable de que dos sustancias sean inmiscibles entre si ya que además de estar sometidas a la fuerza de la gravedad y a una inercia estática que las separa, están sometidas a una energía de superficie que deben vencer para poder mezclarse. Para realizar ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 35 emulsiones es necesario obtener una mezcla lo más homogénea posible sin llegar a mezclar totalmente los compuestos, esto se logra agregando energía al sistema para poder vencer la fuerza interfacial que separa las dos sustancias y aumentar así el área de contacto de las dos fases ó agregando una sustancia adicional (tensoactivos) a la mezcla que reduzca la tensión superficial de uno de los componentes para obtener una emulsión más estable. De lo anterior se logra observar la importancia de esta propiedad en la industria de los alimentos, por esto es necesario mantener un control adecuado sobre su variabilidad durante el proceso. Esto se debe realizar de forma continua, rápida y precisa. Por lo cual se debe constar de un método práctico pero a la vez eficaz para su medición en los procesos. Con el advenimiento de una mayor capacidad de cálculo en los ordenadores, aumentó considerablemente la literatura concerniente a la medición de la tensión superficial utilizando técnicas de procesamiento de imágenes [1]. Son varios los métodos que actualmente se utilizan de forma exitosa para la medición de la tensión superficial. Entre éstos, el método de perfil de gota muestra algunas ventajas, tales como: alta precisión, tamaño pequeño de muestra, es aplicable a interfaces líquido-vapor y líquido-líquido y a condiciones extremas de presión y temperatura [2]. Este método ya ha sido utilizado para determinar la adsorción de sistemas de proteína en distintas interfaces [3], [4], [5]. El método del perfil de gota se basa en el desarrollo de la ecuación de Young-Laplace para la capilaridad [6]. Esta ecuación proviene del balance de fuerzas de gravedad y presión hidrostática considerando el efecto de la tensión en la superficie: | | . | \ | + = A 2 1 1 1 R R P ¸ Ec (1) Donde γ, es la tensión superficial, R 1 y R 2 son los radios de curvatura en un punto de la superficie de la gota en la que se presenta una diferencia de presión ΔP, la cual a su vez puede expresarse en términos de la altura z a la cual está ubicado el punto en la superficie de la gota, la diferencia de densidades entre los medios, Δρ, la gravedad, g, y un parámetro adimensional llamado número de Bond, β, a través de: | ¸ µ ¸ 2 1 1 2 1 + A = | | . | \ | + gz R R Ec (2) Por consideraciones de simetría, esta ecuación puede escribirse como: 2 sin 1 1 + = + b z b x b R | | Ec (3) ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 36 Donde Φ es el ángulo formado entre el eje x y la recta tangente al punto en consideración, b es el radio de curvatura en el ápice y el número de Bond está definido como: 2 2 2 2 a b gb = A = ¸ µ | Ec (4) Este parámetro es positivo para gotas sésiles, una burbuja debajo de una superficie y un menisco en un capilar. Es negativo para figuras como gotas pendientes y burbujas colgantes. Definiendo variables adimensionales [4, 8, 9]: b s s b z z b x x / / / = = = Ec (5) Y teniendo en cuenta algunas consideraciones geométricas, se obtiene el siguiente conjunto de ecuaciones: 2 sin + = + z x s d d | | | Ec (6) | cos = s d x d Ec (7) | sin = s d z d Ec (8) Con condiciones iníciales 0 ) 0 ( ) 0 ( ) 0 ( = = = s z x Ec (9) Esta ecuación diferencial se soluciona para un conjunto de parámetros, entre los cuales se incluye la tensión interfacial y se compara con el perfil experimental adquirido a través de una fotografía. El procedimiento se repite con distintos valores para el conjunto de parámetros hasta que coinciden el perfil experimental y el calculado [7]. El método de la gota colgante fue implementado por primera vez por Andreas et al. Este planteo un cálculo de la tensión superficial en función de tres parámetros geométricos: diámetro máximo de la gota, diámetro del cuello y radio de curvatura en el ápice [8]. Pero muchas veces no es posible conocer los valores de todos los parámetros propuestos por Andreas et al (1938) ya que no siempre se puede elongar la gota lo suficiente para ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 37 reconocer la región en la cual deben medirse los parámetros geométricos o incluso pueden lograr medirse pero obteniéndose valores muy inexactos debido a que dependen muchas veces de la apreciación visual del experimentador. Desde su aparición, el método ha sufrido varias modificaciones como la de López de Ramos (1993), quien desarrolló un modelo matemático, en el cual la forma de una gota de líquido que pende de una superficie puede ser representada por la ecuación de Young– Laplace. En este método el perfil de gota se aproxima a través de pequeñas rectas o splines con las cuales se calcula la curvatura de la gota en diferentes puntos. Posteriormente estos datos son graficados en función de la altura y la pendiente de la recta resultante se iguala a –Δρ/γ. Zholob et al (2007) propuso el cambio de coordenadas de referencia para la solución de la ecuación de Young-Laplace (fig. 1.a). Esta modificación permite cambiar la longitud de arco como variable de integración por el ángulo con respecto al eje de las ordenadas, [3, 8] evitando el proceso de interpolación al comparar los perfiles calculados con los experimentales. Es de resaltar que la variable de integración en las ec. 6-8 es la longitud del arco adimensional, mientras que en los perfiles experimentales las coordenadas son x y z. Esta situación fuerza la necesidad de interpolación de los valores calculados en el perfil cuando tratamos de compararlo con los datos experimentales, aumentando el tiempo de cómputo y la disminución de la precisión del ajuste. Figura 1. a) Sistema de coordenadas propuesto por Zholob et al. b) Coordenadas de referencia utilizadas en este trabajo. En búsqueda de mayor exactitud, menor tiempo computacional y sobre todo, tratando de evitar la interpolación en los perfiles calculados para la medición de la tensión superficial ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 38 por el método de perfil de gota se trabajó con una modificación del sistema de coordenadas que propuso Zholob et al [3, 8]. Esta modificación del sistema de coordenadas fue propuesta por Albis y Rincón [9], la cual se basa en la transformación de las coordenadas cartesianas a polares. Este sistema (Fig. 1.b), evita la interpolación del perfil generado y facilita la comparación entre los perfiles experimentales y calculados. Definiendo el radio adimensional: r r b = Ec (10) La ecuación de Young - Laplace se puede expresar en el sistema de coordenadas previamente definidas como ec. 11: | | . | \ | ÷ | . | \ | + = 2 / 3 2 2 2 2 1 kQ d r d r r d r d u u Ec (11) Dónde: ( ) ( ) u u | sin 1 1 2 cos 1 2 / 1 2 r P r k + ÷ + ÷ = Ec (12) u u u u u u cos sin cos sin d r d r r d r d P ÷ + = Ec (13) 2 2 | . | \ | + = u d r d r Q Ec (14) Con condiciones iníciales: 0 ) 0 ( 1 ) 0 ( = = u d r d r Ec (15) ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 39 2 METODOLOGÍA Las ecuaciones generadas por el nuevo sistema de coordenadas deben ser resueltas simultáneamente por métodos numéricos, por lo cual se implementaron en el software MATLAB®. Este software es un sistema interactivo con lenguaje de programación para cómputo científico y técnico en general. El sistema de ecuaciones fue resuelto por la función ODE45 incluido en MATLAB ®. Esta función implementa el método de Dormand-Price que es un par encajado de métodos Runge-Kutta de 4 y 5 orden. En una primera etapa, las ecuaciones se solucionaron para diferentes números de Bond y los resultados fueron comparados con los de la literatura [9, 10]. Las imágenes de gotas pendientes, utilizadas para evaluar el desempeño del algoritmo, fueron obtenidas en nuestro laboratorio utilizando una versión simplificada de los tensiómetros comerciales. Se utilizó la aplicación gráfica GUIDE, MATLAB® el cual ofrece un conjunto de herramientas para crear interfaces gráficas de usuario (GUI). Estas herramientas simplifican enormemente el proceso de diseño y construcción de interfaces graficas de usuario. Lo cual permite un mejor manejo del software. 3 RESULTADOS El programa desarrollado tiene como objetivo principal hallar el valor de la tensión superficial de la sustancia requerida a través del procesamiento de la fotografía de una gota colgante de dicha sustancia. El programa captura la imagen fotográfica y su primer paso es realizar el cambio de formato de la imagen a escala de grises para facilitar el manejo de la misma. Para esto se utilizó el comando rgb2gray con la sintaxis: I = rgb2gray (RGB) convierte la imagen RGB truecolor a la intensidad de la imagen en escala de grises eliminando el tono y la saturación de información, manteniendo la luminancia. Luego de esto el programa tiene la capacidad de reconocer o detectar el borde de la gota a través del método Canny, el cual mediante unas transformaciones se convertirá en nuestro perfil experimental. Este método está considerado como uno de los mejores métodos de detección de contornos mediante el empleo de máscaras de convolución y basado en la primera derivada. El método de Canny encuentra bordes mediante la búsqueda de máximos locales del gradiente de intensidad (fig. 2.a). El gradiente se calcula utilizando la derivada de un filtro gaussiano. El método utiliza dos umbrales, para la detección de bordes y débil fuerte, e incluye los bordes débiles en la salida sólo si están conectados a los bordes fuertes. ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 40 Este método en algunos casos puede distinguir el ruido en la imagen y tiene más probabilidades de detectar ciertos bordes débiles. El software MATLAB lo incluye de la siguiente forma: BW = edge (Imagen, 'canny', umbral) Umbral es un vector de dos elementos en los que el primer elemento es el bajo umbral, y el segundo elemento es el umbral alto. Si se especifica un escalar para el umbral, este valor escalar es utilizado para el umbral de alto y un valor correspondiente al 40 % se utiliza para el umbral bajo. Como siguiente paso el usuario tiene la opción de seleccionar un corte a la imagen para obtener el área con la que desea trabajar (fig. 2.b). De igual forma que el método de Canny se utilizó un comando implícito en MATLAB. rect = getrect(figura) Este comando permite seleccionar un rectángulo en los ejes actuales de la figura con el ratón, permitiéndole al usuario trabajar sólo con una parte de ella y no incluir el borde correspondiente a la aguja de donde se forma la gota. Posteriormente las coordenadas detectadas del borde son transformadas a unidades de longitud utilizando los datos proporcionados por el usuario, correspondientes a la calibración de la cámara. Hasta este punto, se han obtenido las coordenadas del perfil experimental (fig. 2.c), sin embargo, para el cálculo de la tensión superficial por medio del método de gota colgante debe realizarse una comparación entre el perfil experimental y el generado por el nuevo sistema de coordenadas. Para esto el usuario debe introducir al programa un primer valor estimado del número de Bond, las densidades del aire, del líquido, la gravedad y las coordenadas del ápice. Para asignar el número de Bond, las densidades del aire, del líquido y la gravedad, el usuario tiene la libertad de fijar un valor inicial mediante un cuadro de texto y para las coordenadas del ápice, el usuario puede capturar estos valores señalando el punto sobre la gráfica y presionando enter para guardar las coordenadas de ese punto. Este último procedimiento se encuentra mediante la función getpts, con la siguiente sintaxis: [X, Y] = getpts (figura) Finalmente, el programa realiza la comparación entre los perfiles y arroja un valor para cada uno de los parámetros especificados entre los cuales aparece el valor objetivo, es decir el de la tensión superficial. El valor de la tensión se obtiene utilizando un procedimiento de optimización no lineal que ajusta el valor del número de Bond, el radio de curvatura en el ápice, la posición del ápice y el ángulo de inclinación de la cámara hasta que se minimice la diferencia entre los valores de los radios del perfil experimental y el perfil calculado [9]. La optimización se realizó con el comando lsqnonlin y la solución del sistema de ecuaciones con el comando ODE45. ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 41 Figura 2. a) Detección del borde de la gota mediante el método de Canny. b) Selección del área de trabajo. c) Ejemplo de Perfil experimental Como se mencionó anteriormente todo este algoritmo fue acoplado a la aplicación GUIDE de MATLAB, generando una interfaz gráfica de usuario en la que se facilita el uso del programa, puesto que no es necesario realizar ninguna serie de cálculos aparte de seleccionar (fig. 3) opciones. Figura 3. Interfaz gráfica del algoritmo. ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 42 4 DISCUSIÓN Se implementó un algoritmo para la solución de la ecuación de capilaridad de Young- Laplace en Matlab®, utilizando un nuevo sistema de coordenadas de referencia, con el cual se evita la interpolación de los perfiles calculados. Las herramientas del software permiten una aplicación flexible para la implementación de este tipo de métodos. La implementación del algoritmo en MATLAB® mostró una excelente concordancia entre los resultados obtenidos y los resultados reportados en la literatura. Por otra parte, las pruebas del algoritmo demostraron que la aplicación en MATLAB® se puede utilizar para calcular la tensión superficial de las soluciones de los perfiles de la gota. Es necesaria la realización de trabajos posteriores que permitan determinar la precisión del algoritmo para el cálculo de las tensiones superficiales experimentales de sustancias de referencias. Así mismo, se necesitan trabajos que permitan extender la aplicación del software a otros tipos de situaciones como gotas sésiles y burbujas debajo de superficies y al cálculo de ángulos de contacto 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Song, B., J. Springer (1996). Determination of Interfacial Tension from the Profile of a Pendant Drop Using Computer-Aided Image Processing: 1. Theoretical. J. Coll. Interface Sci.184, 64-76. [2] Hoorfar, M., A. W. Neumann (2006). 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Makievski, et al. (2007). Optimisation of calculation methods for determination of surface tensions by drop profile analysis tensiometry.Adv. Coll. Interface Sci.134-135, 322-9. [9] Albis, A., Rincón,A. (2010). Young-Laplace Equation in Convenient Polar Coordinates and its Implementation in MatLab®. Rev. Col. Quím.3.3, 413-25. ALBI S, A. – FERNÁNDEZ, D. – NÚÑEZ, A. MEDI CI ÓN DE LA TENSI ÓN I NTERFACI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 43 [10] Bashforth, F., J. C. Adams (1883). An Attempt to Test the Theories of Capillary Act by Comparing the Theoretical and Measured Form of Drops of Fluid. Cambridge, Cambridge University Press. CERTIFICACIÓN INTERNACIONAL DE PRODUCTOS DE INVESTIGACIÓN (NUEVO CONOCIMIENTO) Autores: CLAUDIO R. BERNAL B., PAOLA A. DAZA A., ANA M. ECHEVERRI A. UNIVERSIDAD DE AMÉRICA BOGOTÁ – COLOMBIA 2011 BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 45 Información de los Autores Claudio R. Bernal B. Grupo de Investigación: Bioprospección e ingeniería Química Aplicada. Universidad de América. Av. circunvalar No. 20-53. Bogotá, Colombia e-mail:
[email protected] Paola A. Daza A. Grupo de Investigación: Bioprospección e ingeniería Química Aplicada. Universidad de América. Av. circunvalar No. 20-53. Bogotá, Colombia e-mail:
[email protected] Ana M. Echeverri A. Grupo de Investigación: Bioprospección e ingeniería Química Aplicada. Universidad de América. Av. circunvalar No. 20-53. Bogotá, Colombia e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 46 Certificación internacional de productos de investigación (nuevo conocimiento) Claudio R. Bernal B., Paola A. Daza A., Ana M. Echeverri A. Universidad de América – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas .............................................................................................................................. 46 Lista de Figuras ............................................................................................................................. 46 Resumen........................................................................................................................................ 47 Abstract ......................................................................................................................................... 47 1 Introducción ......................................................................................................................... 48 2 Materiales y métodos ........................................................................................................... 52 3 Resultados ............................................................................................................................ 54 4 Discusión .............................................................................................................................. 55 5 Referencias bibliográficas .................................................................................................... 55 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Limitaciones del Octenil Succinato Alumínico 50 Tabla 2. Composición química de granos de quinua y cereales base seca. 51 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Reacciones de la modificación. 50 Figura 2. Sección longitudinal media del grano de quinua 51 Figura 3. Escaneo micrográfico electrón (10.000* ampliación) de variedades de almidón de quinua con diferentes contenidos de amilosa. 52 Figura 4. Metodología de certificación. 54 BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 47 Certificación internacional de productos de investigación (nuevo conocimiento) RESUMEN El proceso de certificación, al que se hace referencia, está fundamentado en el proceso de modificación química del almidón de quinua para obtener un producto llamado Octenil Succinato Alumínico de Almidón de Quinua, grado cosmético - OSAquinua; producto en proceso de solicitud de patente. Para que OSAquinua pueda ser usado como materia prima, se requiere que el producto cumpla con la legislación del país u organización receptoras. Teniendo en cuenta la actual situación por la que atraviesa el país, es de vital importancia dar cada vez, en los agro-productos, valores agregados y/o mejoramientos alternos a los usos habituales. Es el caso de la quinua (Chenopodium quinua Willd.), un producto agroindustrial dirigida su explotación debido a las bondades alimentarias, por su alta calidad de sus proteínas. Sin embargo, si se analiza el grano desde su estructura morfológica del tipo Campilotroupus, nos encontramos con mayores posibilidades de uso de sus partes constitutivas, es el caso del almidón contenido en el perisperma del grano, resaltando como propiedad particular el tamaño de gránulo. Ahora bien, para lograr que los productos tengan un valor agregado y que de esta forma puedan competir con los productos de talla mundial, surge la necesidad no solo de descubrir productos innovadores con propiedades y características únicas, sino también de certificar internacionalmente dichos productos y posicionarlos en entornos internacionales. Dicho esto, es importante conocer lo que conlleva el proceso de certificación de nuevos productos de investigación, en este caso es necesario verificar que el proceso tenga las condiciones adecuadas para obtener un producto con las características según las normas que se requieren para ser certificado, para lo cual en esta ocasión se deben evaluar los parámetros pertinentes tales como pruebas biológicas, microbiológicas y toxicologías, entre otras, que se especifiquen en la legislación, y una vez evaluado esto el producto es enviado a las entidades correspondientes de certificación. Como resultado de este proceso se obtiene una metodología de certificación de productos de investigación de nuevo conocimiento, y así mismo corrección de los procesos químicos, físicos y biológicos para las nuevas materias primas; materias primas que deben cumplir con la tendencia de un consumidor más exigente. Palabras clave: octenil succinato alumínico de almidón, certificación internacional, modificación química de almidón, esterificación, Chenopodium quinua Willd. ABSTRACT The certification process on which it is doing the study is about the project to obtain aluminum octenyl succinate-OSA starch of quinoa quinoa-end cosmetic grade with international certification which is currently being developed. Given the current situation being experienced by the country, it is vitally important to seek alternative and under- exploited sectors in the industry to ensure that products marketed with added value and thus BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 48 can compete with class products world, where there is a need not only to discover innovative products and unique properties, but rather to certify these products internationally and position in international scales. It is important to know what the certification process of new products research involves , in this case, make sure that the process has appropriate conditions for obtaining a product with the features according to the standards required to be certified in this case should be evaluated relevant parameters such as biological, microbiological, and toxicology, among others, which are specified in legislation, and after evaluation, this product is sent to relevant parties in certification. As a result of this process gives a product certification methodology research of new knowledge, and so the same methods of testing and microbiological testing for raw materials to industry demands. All this leads to obtain raw materials with properties that meet the consumer trend, in this case specifically the use of OSA-quinoa as anti-binder, absorbent and viscosity controlling agent. Keywords: Aluminum Starch Octenylsuccinate, International certification, Chemical modification of starch, Estherification, Chenopodium quinua Willd. 1 INTRODUCCIÓN La Certificación Internacional de Productos de Investigación Científica es una iniciativa que toma fundamento a razón de la transformación que sufren los resultados de las actividades de investigación científica en productos tangibles e intangibles y los cuales se adaptan a las necesidades y potencialidades del sector productivo colombiano ¨Certificación Nacional¨ y, de éste, al mercado internacional ¨Certificación Internacional¨ (Bernal et al., 2011). Puede decirse, con un buen sentido de aproximación, que el trasfondo de la certificación no es otra cosa que la certificación de las competencias científicas específicas y genéricas que señalan una alta capacidad humana para enfrentar a la ciencia a los intereses de la sociedad. En tal sentido, surge el concepto inicial de ¨productos de nuevo conocimiento¨, como ¨aquel resultado¨ que es proveído por la investigación científica, destinado a ser usado por la sociedad. Ahora bien, la ¨certificación¨ como garante de calidad del producto, se conjuga con ¨aquel producto¨, produciéndose el concepto de ¨Certificación Internacional de productos de nuevo conocimiento¨. De los productos de nuevo conocimiento, hemos modificado químicamente el almidón de una hortaliza, quinua (Chenopodium quinua Wild.); denominado como OSA-quinua, para fines de ser usado en la obtención de un producto cosmético: polvo cosmético compacto con características de comportarse como ¨excipiente¨. Para su reconocimiento, se hace necesario validar el proceso inicial de modificación química del producto, integrando nuevas variables que se ajusten a los requerimientos de la industria que usaría el OSA- quinua, bien como materia prima, o bien como nuevos nichos de mercado. La industria, tanto nacional como internacional, se encuentra regulada por las legislaciones propias de las comunidades de países. Esto hace que, en el transcurso de la certificación, se sigan unos procedimientos que obedezcan una secuencia para su reconocimiento. El destino BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 49 de la producción del material que busca certificación, en mayor grado, busca la exportación del OSA-quínoa, ya sea como materia prima o integrada en un producto cosmético. Teniendo en cuenta las tendencias del consumidor actual, exigente, preocupado por salud, belleza y satisfacción, acompañado de un fomento a los sectores de clase mundial, surge la posibilidad de diseñar o elaborar nuevos productos con alto valor agregado enfocados a impulsar a los nuevos sectores emergentes de la economía colombiana, tales como industria cosmética; usando para este fin materias primas renovables sub explotadas que aportan un gran valor agregado al producto terminado, como es el caso de la Quinua. Lo anterior posibilita la elaboración de productos de mayor calidad que pueden competir en un mercado internacional, sin embargo, para que esto sea posible se requiere de un proceso de certificación de dichos productos que garantice que cumplen con los parámetros establecidos por la normativa internacional. Para este caso se toma como fundamento el proceso de modificación química del almidón de Quinua (Chenopodium Quinua Willd.), llevado a cabo durante un proyecto de investigación en años pasados y dando como resultado el Octenilsuccinato Alumínico de almidón de Quinua, grado cosmético; que en adelante se denominará OSA-Quinua. Sin embrago el proceso, denominado como ¨SIMILA¨, para la obtención del OSA-Quinua no cumple con las exigencias de la norma para considerarse como un producto certificable internacionalmente y dar la garantía a los clientes de estar usando un producto confiable y apto para el uso humano. Dado lo anterior se pretende llevar a cabo la verificación y el mejoramiento del proceso de obtención del OSA-quinua - SIMILA, así como la caracterización de las propiedades químicas, físicas, microbiológicas, entre otras, del producto terminado, para garantizar que este producto cumple con los requisitos y las normas con el fin de ser certificado a nivel internacional. El proceso de modificación química que se realiza en este caso, se da mediante dos reacciones principalmente: esterificación y eterificación, la primera reacción se da entre el almidón y el octenil succínico anhídrido, en presencia de hidróxido de sodio, obteniendo como resultado el octenilsuccinato sódico, y la segunda reacción se da entre el octenilsuccinato sódico y una solución del sulfato de aluminio, obteniendo finalmente el octenilsuccinato alumínico, la figura No.1 muestra las reacciones presentadas en la modificación química del almidón. El producto final, Octenilsuccinato Alumínico de almidón, es actualmente usado en la industria cosmética como agente anticoagulante, controlador de viscosidad y como agente activo, gracias a su capacidad de absorción, en productos como lociones, cremas, polvos compactos, sombras, protectores solares entre otros. Es por esto que producto ha sido tema de estudio por parte de entidades como la CIR (Revisión de Ingredientes Cosméticos) o la FDA (Administración de Alimentos y medicamentos), entre otras [6]. BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 50 a) b) Figura 1. Reacciones de la modificación. a) esterificación, b) eterificación A continuación se presenta una tabla con los límites de algunas sustancias para el octenilsuccinato alumínico de almidón, para su uso en diferentes aplicaciones. Tabla 1. Limitaciones del Octenil Succinato Alumínico SUSTANCIA LIMITACION Arsénico (As) No más de 3mg/kg Metales pesados (como Pb*) No más de 0,002% Plomo No más de 1mg/kg Proteínas No más de 0,5% Dióxido de azufre No más de 0,005% Perdida por desecación No más del 21% Grupos octenilsuccionicos No más del 3% Residuo de ácido otenilsuccínico No más del 0,03% Mercurio No más de 0,1mg/kg Aluminio No más del 0,3% Fuente: Andersen, A. (2002) BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 51 El almidón el cual se quiere modificar en este caso es el que se obtiene de la Quinua. La quinua (Chenopodium Quinua Wild.) es un alimento considerado ¨completo¨, por su alto contenido en almidones se define como un pseudocereal. La quinua se cultiva en la zona Andina y en muchas regiones del mundo. Este alimento fue catalogado por la FAO como el alimento del futuro, gracias a su gran contenido nutricional, y al ser uno de los pocos alimentos que contiene proteínas de un alto grado de digestibilidad. La tabla No.2 muestra, de manera comparativa, el contenido nutricional de la quinua frente a otros alimentos [2] Tabla 2. Composición química de granos de quinua y cereales base seca. ELEMENTO QUINUA ARROZ CEBADA MAÍZ TRIGO Proteína % 16,3 7,6 10,8 10,2 14,2 Grasa % 4,7 2,2 1,9 4,7 2,3 Carbohidratos totales % 76,2 80,4 80,7 81,1 78,4 Fibra cruda % 4,5 6,4 4,4 2,3 2,8 Cenizas % 2,8 3,4 2,2 1,7 2,2 Energía (Kcal./100g) 399 372 383 408 392 Fuente: Mujica et al. (s/a) La semilla de quinua es de forma cónica o esférica, presenta tres partes definidas que pueden ubicarse en la figura No.2 [7], teniendo que: episperma, embrión, endosperma y perisperma, que es el principal tejido de almacenamiento y se constituye principalmente por granos de almidón, presenta un color blanco y representa el 60% de la superficie del grano. [2] Figura 2. Sección longitudinal media del grano de quinua (PE) pericarpio, (SC) revestimiento de la semilla, (H) eje radical-hipocotiledon, (C) cotiledones, (EN) endosperma, (R) radícula, (SA) apéndice y (P) perisperma. BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 52 El almidón de quinua se encuentra almacenado en el perisperma del grano como se observa en la figura No.2, este se presenta de forma granular de color blanco. Cuenta con aproximadamente 20% de amilasa, azucares libres llegan a 6,2% y un contenido de fibra insolubles de 5,31%, fibra soluble 2,49% y fibra dietética 7,80% [2]. Generalmente su masa molar varía entre 11.3 x 10 6 g/mol, se caracteriza por ser un compuesto seguro e inocuo por lo cual es usado en la industria alimenticia y cosmética. Su temperatura de pre- gelatinización oscila entre 44.6 y 53.7 ºC y se gelatiniza a una temperatura 50.5 y 61,7ºC. Así mismo el almidón de quinua tiene un porcentaje de amilos que oscila entre un 7 – 27%, del granulo según la variedad y las condiciones del medio en el que se desarrolle. Esta característica es determinante para definir las propiedades y la estructura cristalina del granulo, generando leves cambios en la morfología del almidón como se observa en la Figura No.3. [8] a) b) Figura 3. Escaneo micrográfico electrón (10.000* ampliación) de variedades de almidón de quinua con diferentes contenidos de amilosa. a) WMF (14.4% amilosa); b) QC (19.6% amilosa) 2 MATERIALES Y MÉTODOS Como primera medida es necesario realizar una profunda revisión bibliográfica a cerca de la materia prima a usar, sus características y los beneficios que aporta al producto que se desea obtener. Para este caso, es de vital importancia conocer a cabalidad las partes, composición y propiedades de la Quinua. Además de esto, se debe conocer a profundidad el proceso y las variables de operación usadas en el proceso de modificación del arroz por Xiao Song. [10], debido a que este fue usado como base en el proceso de modificación química del almidón de Quinua con grado cosmético, llevado a cabo en un proyecto de grado anterior en la Universidad América, sobre el cual se fundamenta el proyecto actual. Posteriormente, se evalúan las variables de operación del proceso que influyen sobre el grado de sustitución obtenido y la calidad del producto deseado, OSA-Quinua, identificando las que representan un dificultad en el proceso y las modificaciones que deben realizarse sobre ellas o las variables que deban introducirse para dar solución a dichas dificultades. Una vez se tienen las variables que se deben modificar o los parámetros que se deben incluir en el proceso se realiza el diseño experimental donde se decidirá la BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 53 variable o variables de estudio y las repeticiones pertinentes para el proceso.El proceso de modificación química del almidón se basa en la teoría Simila y Similb, donde se hace un paralelo con el proceso de modificación del almidón de arroz realizado por Song X en el año 2006 [10], donde el proceso se realiza bajo determinadas condiciones de operación de pH, concentración de almidón, concentración de octenil succínico anhidro, temperatura y agitación. Bajo estas condiciones se obtuvo un grado de sustitución de 0,018 y una eficiencia de la reacción de 78%. Este proceso se realizó anteriormente en un proyecto de grado en el 2008 [7], pero con la quinua donde las condiciones del proceso fueron las mismas pero el grado de sustitución obtenido fue de 0,03107 y una eficiencia de 95%. Sin embargo en este proceso, donde se modificó el almidón de quinua, no se tuvieron las consideraciones para que el producto pudiera ser certificado y usado en la industria cosmética. Para esto es necesario revisar que parámetros están establecidos para que el Octenilsuccinato alumínico de almidón pueda ser usado como materia prima en productos cosméticos. Dicho esto se encontró que la CIR establece que las limitaciones y propiedades que debe tener el OSA para la industria cosmética son las mismas que se describen para alimentos por la FDA (Federation of Food and Drugs). Así mismo, la Comisión Europea [4] describe que el Octenilsuccinato alumínico debe tener unas limitaciones de metales pesados como se ve en la tabla No.1, la cual se encuentra al inicio de este documento. De igual forma la FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nation) establece limitaciones para almidones modificados por esterificación con Octenil succínico anhídrido, en las cuales se tiene un máximo de 3% de grupos de Octenilsuccinico y un límite de 0.3% de residuos octenilsuccinico acido. Todas las limitaciones y consideraciones mencionadas anteriormente, entre otras muchas importantes encontradas en la referencia bibliográfica, deben ser corroboradas por las entidades certificadas correspondientes para que de esta forma el producto pueda ser usado a nivel industrial., una vez halla cumplidos con los requisitos exigidos en el proceso de certificación internacional, el cual consta de diferentes etapas que deben llevarse a cabo independientemente del producto que se quiera certificar, como es posible observarse en la Figura No.3 en donde se establece una metodología estándar para tal fin. Teniendo en cuenta el esquema anterior, la certificación de los productos se realiza a través de diferentes entidades especializadas encargadas de dicho proceso tanto a nivel nacional como internacional según el tipo de producto. Para este caso se tienen cuenta entidades nacionales como el ICONTEC, y entidades internacionales. Dependiendo de la entidad certificadora y los requisitos que se exijan en cada caso específico, este proceso puede tardar entre 6 meses y 1 año aproximadamente. BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 54 Figura 4. Metodología de certificación. 3 RESULTADOS Debido a que esta investigación se encuentra en curso uno de los principales resultados que se quiere obtener es lograr materias primas con mejores propiedades que las usadas actualmente en la industria cosmética, específicamente el uso del OSA-quinua; como anti- aglutinante, absorbente y agente controlador de viscosidad; y especialmente el tamaño de partícula (0,6 - 2µm) en comparación a otro almidones usados para este fin (arroz <5µm, maíz de 5-25µm trigo 11-41µm entre otros). Adicionalmente un proceso o protocolo general el cual se deba llevar a cabo para conseguir la certificación internacional de productos de innovación o de investigación, debido a la importancia que esto tiene para lograr posicionar dichos productos en un mercado BERNAL, DAZA Y ECHEVERRI CERTI FI CACI ÓN I NTERNACI ONAL DE PRODUCTOS DE I NVESTI GACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 55 internacional, haciendo más competitivos y generando así un impacto positivo en la economía nacional. Así mismo, dar a conocer algunas de las diferentes entidades encargadas de realizar el proceso de certificación a nivel nacional e internacional para que de esta forma puedan ser usadas o consultadas en futuros procesos de certificación que se lleven a cabo para diversos productos de innovación o de investigación. Para el caso específico del Octenilsuccinato Aluminico de almidon de Quinua, se pretende realizar la certificación del producto en donde se evalúe tanto el proceso llevado a cabo como el producto final obtenido y las características y propiedades que este debe tener, teniendo en cuenta la normativa respectiva del producto, corroborando así que este puede ser usado como materia prima en la industria cosmética. 4 DISCUSIÓN El proceso de certificación de los productos de investigación es de gran importancia, permite que se garantice la calidad de dichos productos y de esta forma puedan competir a nivel internacional. Es importante conocer detalladamente las variables que se involucran dentro de un proceso de modificación química, debido a que cualquier cambio en estas, temperatura, presión, tiempo, agitación, pH, entre otras, pueden afectar el resultado y el producto que se espera obtener. 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ANDERSEN F. Alan. 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[email protected] Andrea Hernández Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia e-mail:
[email protected] Clara L. Saavedra Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia e-mail:
[email protected] Jessica M. Salazar Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia e-mail:
[email protected] Vivian A. Talero Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 59 Obtención de un pool de microorganismos mediante liofilización para optimizar cultivos Julieth A. Carrillo, Andrea Hernández, Clara L. Saavedra, Jessica M. Salazar y Vivian A. Talero Universidad de los Andes – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas .............................................................................................................................. 59 Lista de Figuras ............................................................................................................................. 59 Resumen........................................................................................................................................ 60 1 Introducción ......................................................................................................................... 60 1.1 Estudio de factibilidad y comparación de alternativas .................................................................. 61 2 Materiales y métodos ........................................................................................................... 61 2.1 Componentes ................................................................................................................................. 61 2.2 Tecnologías ................................................................................................................................... 61 2.3 Metodología .................................................................................................................................. 62 3 Resultados y discusión ......................................................................................................... 63 3.1 Pruebas experimentales con el prototipo ....................................................................................... 63 3.1.1 Pruebas de interacción entre organismos ............................................................................. 63 3.2 Prueba de fijación de oxigeno: Medición de la fijación de nitrógeno-Método del isotropo 15 N ... 64 3.3 Evaluación de resultados ............................................................................................................... 65 4 Discusión .............................................................................................................................. 66 5 Agradecimientos .................................................................................................................. 67 6 Referencias ........................................................................................................................... 67 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Composiciones de las pruebas realizadas en semillas de frijoles. 65 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Diagrama de flujo del procedimiento empleado 62 Figura 2. Bacilos y Micorrizas. 63 Figura 3. Prueba 1 de Compatibilidad entre Microorganismos. 63 Figura 4. Prueba de Compatibilidad entre Microorganismos caja#4. 64 Figura 5. Comparación 3 y 10 días después de sembrado 65 CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 60 Obtención de un pool de microorganismos mediante liofilización para optimizar cultivos RESUMEN El objetivo principal de este proyecto es mejorar las prácticas en la Agroindustria, mediante la elaboración de un POOL de microorganismos( NUTRI-BAC), el cual está compuesto por diferentes especies de microorganismos que a través de una liofilización y otros procesos, podrán aplicarse a la tierra en presentación pulverizada, Logrando así, sustituir los fertilizantes químicos que mediante su alto contenido de nitrógeno están emitiendo gases del efecto invernadero y por consiguiente al calentamiento global. Cada una de las especies seleccionadas y adicionadas al POOl cumple con una labor específica en el proceso: Las micorrizas actúan como fertilizante biológico, los bacilos como controladores biológicos de plagas y el Rhizobium ayuda a una mayor fijación de nitrógeno, permitiendo de esta forma suplir las necesidades y consecuencias de otras prácticas agroindustriales como la Eutrofización, Lixiviación en las aguas subterráneas y la Acidificación de los suelos. Palabras clave: Biofertilizante, control, microorganismos, impacto ambiental, optimización de cultivos 1 INTRODUCCIÓN Es cierto que en los últimos años, la preocupación por el impacto ambiental ocasionado por el uso de productos químicos, ha ido en aumento. Tanto así, que en el área de la Agroindustria se han planteado alternativas y practicas con menor impacto ambiental posible. Los agricultores tienen como fin optimizar los cultivos para generar mayores ingresos, por ello se han venido utilizando diferentes productos químicos como fertilizantes y pesticidas que aunque son de alta efectividad, ocasionan importantes daños ambientales y del mismo modo, son relativamente costosos. Hoy en día, el cuidado y el sostenimiento del medio ambiente son primordiales a nivel mundial. Debido a esto, se busca sustituir productos químicos por biológicos que sean amigables ambientalmente y que cumplan una función similar y mejorada en los cultivos. Con el objeto de mejorar las condiciones de cultivo en el proceso de producción agrícola, y debido a la creciente búsqueda de prácticas agrícolas alternativas que reduzcan la contaminación ambiental y promuevan un mejor uso de los recursos, en la actualidad se ha recurrido a la biotecnología para el desarrollo de diferentes productos de control biológico también conocidos como biocontroladores o bioplaguicidas, así como el uso de microorganismos específicos para la fijación de nitrógeno en diferentes sistemas agrícolas. CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 61 Los bioreguladores son agentes vivos usados para el combate y manejo de plagas y enfermedades dentro de los cuales están los predadores, parásitos y patógenos como hongos, virus, bacterias y nematodos. En el mercado actual existen varios insecticidas, fungicidas y nematicidas naturales que permiten el manejo de ciertas plagas y enfermedades en diferentes plantaciones agrícolas. Como solución al problema enfocado a los cultivos de leguminosas se produce ¨NUTRI- BAC¨, el cual consiste en un pool de microorganismos con bacilos Thuringiensis (biocontrolador), Rhizobium (fijadoras de nitrógeno) y micorrizas (nutrición). Para lo cual se tomaran las especies de microorganismos por separado, se revitaliza, se mezcla y se prueba su compatibilidad para determinar la viabilidad del producto en la agroindustria. Cuando se encuentre la estabilidad y/o compatibilidad, se realizará una liofilización de la mezcla para finalmente obtener un polvo. El producto se presenta en forma de gránulos para mayor facilidad de almacenamiento y aplicación. Adicionalmente es un Biofertilizante más económico y efectivo. 1.1 ESTUDIO DE FACTIBILIDAD Y COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS EL POOL de microorganismos es una opción muy favorable tanto para la agroindustria como para el medio ambiente, dado que le proporciona al cultivo y a la tierra los nutrientes necesarios para mantener su fertilidad y pH estables. De igual forma, otra de las especies presente en el contenido, se encarga de fijar el nitrógeno para evitar la emisión de gases de efecto invernadero y daños a la capa de ozono. Al mismo tiempo, el POOL impedirá el ataque de posibles patógenos que pueden perturbar el crecimiento y rendimiento del cultivo. Dado que este producto ofrece diferentes beneficios a la agroindustria, su factibilidad es muy alta, ya que tanto su proceso de producción como la obtención de los microorganismos no son de costos elevados y de difícil acceso. 2 MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 COMPONENTES Para el desarrollo de este proyecto se empleó: Bacillus Thuringiensis, Rhizobium, Micorrizas. 2.2 TECNOLOGÍAS Se trabajó en el Laboratorio de Biotecnología ML416 de la Universidad de los Andes. Se empleó: Autoclave, Nevera, Incubadora, Liofilizador y Cabina de flujo laminar. CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 62 2.3 METODOLOGÍA A continuación se presenta el diagrama de flujo del procedimiento desarrollado: Obtención de materia prima B.Thuringiensis, Micorrizas y Rhizobium. ↓ Creación de medios Agares Nutritivo y YMA ↓ Obtención de Micorrizas ↓ Siembra de microorganismos ↓ Incubación & Conservación ↓ Creación de medio no nutritivo (para evitar crecimiento) ↓ Pruebas de compatibilidad ↓ Creación del pool. ↓ Prueba de comportamiento de los tres microorgamismos. ↓ Liofilización ↓ Inoculación de semillas y comparación. ↓ Medición de la fijación de nitrógeno: Método del isotropo 45 N ↓ Prueba de efectividad de B. Thuringiensis en control biológico. Figura 1. Diagrama de flujo del procedimiento empleado CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 63 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 PRUEBAS EXPERIMENTALES CON EL PROTOTIPO Figura 2. Bacilos y Micorrizas. En la imagen anterior se observa los bacilos que se utilizaron en las siembras al igual que las micorrizas. Dichas siembras se realizaron en el Laboratorio de Biotecnología de la Universidad de los Andes. 3.1.1 Pruebas de interacción entre organismos Con esta prueba se pretende inspeccionar la conservación de cada especie de microorganismos en el POOL de modo que la eficiencia del mismo no se vea afectada en la optimización de los cultivos de leguminosas. En este caso, la planta de estudio es la de frijoles. Figura 3. Prueba 1 de Compatibilidad entre Microorganismos. En la anterior imagen se observan las 4 cajas de petri en las cuales se colocaron una pareja de microorganismos para estudiar su compatibilidad. CAJA#1: Pareja Rhizobium- Bacilos: después de cuatro días de convivencia, se observó que las dos especies de microorganismos sobrevivieron en el medio de cultivo sin CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 64 desarrollarse en más colonias de las que se sembraron que permitieran un posible ataque entre las especies. CAJA#2: Pareja Rhizobium-Micorrizas: después de cuatro días de convivencia, se observó que las dos especies de microorganismos sobrevivieron en el medio de cultivo sin desarrollarse en más colonias de las que se sembraron que permitieran un posible ataque entre las especies. CAJA#3: Pareja Bacilos- Micorrizas: después de cuatro días de convivencia, se observó que las dos especies de microorganismos sobrevivieron en el medio de cultivo sin desarrollarse en más colonias de las que se sembraron que permitieran un posible ataque entre las especies. Figura 4. Prueba de Compatibilidad entre Microorganismos caja#4. CAJA#4: Rhizobium-Bacilos- Micorrizas: después de cuatro días de convivencia, se observó que las tres especies de microorganismos sobrevivieron en el medio de cultivo sin desarrollarse en más colonias de las que se sembraron que permitieran un posible ataque entre las especies. 3.2 PRUEBA DE FIJACIÓN DE OXIGENO: MEDICIÓN DE LA FIJACIÓN DE NITRÓGENO- MÉTODO DEL ISOTROPO 15 N “Esta prueba consiste en aplicar un fertilizante marcado con 15N a una planta "testigo" que no fija nitrógeno, a fin de determinar la utilización de nitrógeno procedente del suelo y del fertilizante, y plantar una leguminosa que fija nitrógeno, aplicándole el mismo fertilizante 15N para determinar la fijación. Del mismo modo, también se toma una planta testigo que no fija nitrógeno la cual absorbe la mitad de su nitrógeno del suelo y la otra mitad del fertilizante marcado con 1SN. En este caso es necesario suponer que la leguminosa utilizará el nitrógeno del suelo y el del fertilizante marcado con15N en esta misma relación de 1:1. En el caso extremo, en el que no se fija nitrógeno, el enriquecimiento en 1SN de la planta testigo y de la leguminosa sería el mismo. La disminución de la cantidad de nitrógeno total que la leguminosa absorbe del fertilizante marcado con 15N es directamente proporcional a la cantidad de nitrógeno obtenida de la atmósfera” [1] CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 65 3.3 EVALUACIÓN DE RESULTADOS Tabla 1. Composiciones de las pruebas realizadas en semillas de frijoles. Figura 5. Comparación 3 y 10 días después de sembrado Frijol # PRUEBA Cantidades 1 Blanco 2 NUTRIBAC 12 mL 3 Micorrizas 3 mL 4 Bacilos 3 mL 5 Rhizobium 3 mL 6 Micorrizas+Rhizobium 3 mL de c/u 7 Micorrizas+Bacilos 3 mL de c/u 8 Bacilos+Rhizobium 6 mL + 3 mL 9 Otro producto 9 mL CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 66 4 DISCUSIÓN Las semillas sembradas con la aplicación de NUTRIBAC, otro producto, micorrizas, Rhizobium, bacilos, y sus combinaciones fueron analizadas durante los primeros 10 días de crecimiento los cuales son cruciales y determinan el rendimiento de la planta, pues ocurre el proceso de formación de las raíces. En las imágenes de la 4 a la 10 se encuentran los cambios entre el día 3 (inicio germinación) y el día 10. Se puede observar que el frijol #2 que contenía NUTRIBAC fue la planta que tuvo mayor crecimiento, no solo de las raíces, sino de altura de la planta, seguida por el frijol #3 que contenía micorrizas y el #6 con micorrizas y Rhizobium. Se nota que todos los frijoles sembrados con micorrizas y en alguna de sus combinaciones son los que crecen de manera acelerada y optima, pues este ayuda al crecimiento y fortalecimiento de las raíces de la planta. Los frijoles #1,4 y 8 se encuentran en la misma etapa de crecimiento pues apenas se está erigiendo el tallo y van a empezar a salir las hojas. Por otro lado, el frijol #9 sembrado con la aplicación de otro producto fertilizante ya se salen las hojas y empieza a crecer verticalmente, sin embargo es mucho más corta que las plantas que contienen micorrizas. Los frijoles se sembraron en un medio “ideal” reemplazando la tierra por algodón industrial limitándose al área de un vaso de desechable de 8 oz. Por dicha razón, el experimento se debe realizar en un ambiente natural en varios lugares donde las características ambientales se conozcan y así poder extrapolar los resultados y comprobar la eficacia del producto NUTRIBAC. De igual manera se podrían comprobar los efectos de los bacilos y Rhizobium dado que con las pruebas tan superficiales y simples que se le hicieron a las semillas no se pueden sacar conclusiones sobre estas, solo de las micorrizas. Según las pruebas realizadas el NUTRI-BAC cumple con los objetivos del proyecto dado que se comprobaron los efectos de las micorrizas en la siembra de frijoles, el biofertilizante ayuda a que haya un crecimiento acelerado de las raíces de la planta. Como se mencionó anteriormente, a manera de laboratorio no se pueden comprobar los efectos del Rhizobium y bacilos pero, según bibliografía éstos cumplen de manera favorable con sus funciones. Se pudo comprobar el efecto positivo de las micorrizas en las semillas de leguminosas así como que dicho biofertilizante es más eficiente que el “otro fertilizante” el cual era un químico. La siembra de cualquier cultivo no es homogénea, pues el crecimiento de las plantas depende de la estructura interna de las semillas las cuales se deben seleccionar muy bien (tarea del agricultor) y aun así todas son diferentes unas de otras y en las parcelas o lotes siempre van a existir unas que crecen más rápido que otras, unas más delgadas que otras, etc. Se llegó a la conclusión que Nutribac es un producto que favorece la economía de los agricultores, además facilita su labor y contribuye en el mejoramiento del ciclo del nitrógeno ya que ayuda a que las plantas absorban más N 2 en formas de nitritos y nitratos de lo normal, sin embargo está limitado por el tipo de cultivo al que está orientado (no se pretende ser varas), CARRI LLO ET AL. LI OFI LI ZACI ÓN PARA OPTI MI ZAR CULTI VOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 67 5 AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a las personas que colaboraron continuamente durante las diferentes etapas del proyecto. Nuestros padres, quienes con su experiencia en diferentes campos contribuyeron con el desarrollo del proyecto y más importante nos han apoyado durante la carrera. Dr. Andrés González (Profesor Universidad de los Andes), quien siempre estuvo dispuesto a colaborarnos. Dr. Watson Vargas (Profesor Universidad de los Andes), sin sus iniciativas en la materia Proyecto de Mitad de Carrera no habríamos realizado este proyecto. Sebastián Chiriví (Estudiante de Ingeniería Química y Microbiología Universidad de los Andes) fue parte fundamental en el planteamiento y desarrollo del proyecto y sin su colaboración no lo habríamos logrado. Jimena Palau Saavedra, quien nos colaboró activamente en la etapa experimental con las plantas. 6 REFERENCIAS [1] S.K.A. Danso y D.L. Eskew .Aumento de la capacidad de fijación biológica del nitrógeno. OIEA BOLETÍN, VOL . 2 6, n° 2. [2] Andrews, J. 1992. Biological control in the phyllosphere. Annu. Rev. Phytopathol. 30:603-635 [3] Fogler, Scott. Elementos de ingeniería de las Reacciones Químicas. Naucalpán de Juárez : Prentice Hall, 2008. [4] Metcalf, E. Ingeniería de aguas residuales: Tratamiento, vertido y reutilización. s.l. : McGraw-Hill, 1995. [5] Baker, R. and CooK, R. 1974. Biological control of plant pathogens. San Francisco USA, W. H. Freeman, 433 p. EFECTO DE LA APLICACIÓN DE CALCIO BAJO TRATAMIENTO TÉRMICO SUAVE SOBRE LA ESTABILIDAD DEL TEJIDO DE MELÓN CANTALOUPE (Cucumis Melo L) FRESCO PRECORTADO Autoras: NIDIA CASAS, GABRIELA CÁEZ UNIVERSIDAD DE LA SABANA BOGOTÁ – COLOMBIA 2011 CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 69 Información de los Autores Nidia Casas Maestría en Diseño y Gestión de Procesos Facultad de Ingeniería – Universidad de La Sabana. e-mail:
[email protected] Gabriela Cáez. Doctorado en Biociencias Facultad de Ingeniería – Universidad de La Sabana. e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
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[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 70 Efecto de la aplicación de calcio bajo tratamiento térmico suave sobre la estabilidad del tejido de melón cantaloupe (Cucumis Melo L) fresco precortado Nidia Casas, Gabriela Cáez Universidad de La Sabana – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas .............................................................................................................................. 70 Lista de Figuras ............................................................................................................................. 70 Resumen........................................................................................................................................ 71 1 Introducción ......................................................................................................................... 72 2 Materiales y métodos ........................................................................................................... 73 2.1 Materia prima ................................................................................................................................ 73 2.2 Tratamiento ................................................................................................................................... 73 2.3 Análisis de textura ......................................................................................................................... 74 2.4 Análisis de microestructura ........................................................................................................... 74 2.5 Análisis estadístico ........................................................................................................................ 74 3 Resultados y discusión ......................................................................................................... 74 3.1 Textura .......................................................................................................................................... 74 3.2 Parámetros morfométricos............................................................................................................. 75 3.3 Correlación entre firmeza y parámetro morfométrico de área ....................................................... 77 4 Conclusiones ........................................................................................................................ 78 5 Agradecimientos .................................................................................................................. 78 6 Referencias ........................................................................................................................... 78 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Valores de firmeza (N) para las muestras de melón después de la aplicación de los tratamientos con calcio. .................................................................................................. 75 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Relación entre los parámetros morfométricos de factor de forma y área ......... 76 Figura 2. Relación entre los parámetros morfométricos de factor de forma y elongación 76 Figura 3. Cambios microestructurales del tejido de melón después de la aplicación del tratamiento 77 Figura 4. Relación entre la firmeza y el parámetro morfométrico de área para las muestras melón ..................................................................................................................... 77 CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 71 Efecto de la aplicación de calcio bajo tratamiento térmico suave sobre la estabilidad del tejido de melón cantaloupe (Cucumis Melo L) fresco precortado Calcium application under mild heat treatment effect on tissue stability of fresh-cut cantaloupe melon (Cucumis Melo L) RESUMEN El melón fresco precortado tiene una vida útil corta y es susceptible a la pérdida de firmeza, debido a cambios bioquímicos y enzimáticos asociados a las condiciones del proceso. Una estrategia empleada para reducir esta pérdida es la aplicación de tratamientos térmicos suaves combinados con calcio. Se propuso evaluar el efecto de la aplicación lactato y propionato de calcio al 0,5 y 1% a 60°C por 1, 2 y 3 minutos, en la firmeza y la estructura celular del melón (Cucumis melo L) cantaloupe fresco precortado frente a una muestra sin tratamiento. Se emplearon cilindros de radio 12±2 mm y 5 mm de espesor con peso de 5+0,5 g. Se evalúo; la firmeza como fuerza máxima de penetración empleando un texturómetro TA-TX2® y un aditamento de 5mm de diámetro; el cambio a nivel celular como área y factor de forma por análisis de imágenes utilizando microscopio triocular de contraste de fases con la cámara Nikon® DSFi1 y procesando con software ImageJ®. La aplicación de calcio tiene efecto significativo frente a los atributos evaluados. En relación a los parámetros morfométricos, se determinó que el propionato incrementa en 10% el área celular y reduce en 5% el factor de forma frente al control, mientras para el lactato la variación es del 5 y 3% respectivamente. En relación al efecto de la concentración de calcio, se encontró que su incremento mejora la resistencia al ablandamiento hasta en un 5%, debido a la estabilización de la pared celular. La aplicación de lactato al 1% por 3 minutos dentro de un esquema de mínimo procesamiento, permite mantener las características del tejido del melón fresco precortado. Los hallazgos permitirían una aplicación industrial accesible que podría ayudar a mantener la estabilidad del producto durante el almacenamiento. Palabras clave: Análisis de imágenes, calcio, cambios morfométricos, melón fresco precortado, textura. CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 72 1 INTRODUCCIÓN Los productos frescos precortados incluidos el melón (Cucumis melo L) constituyen un segmento de la industria alimentaria demandados por un mercado en crecimiento, el cual busca productos con valor agregado, listo para su consumo, sensorialmente agradables y seguros. Sin embargo, estos productos tienen una vida útil corta debido al estrés fisiológico y al daño en el tejido causado por las operaciones de procesamiento que influyen directamente en las características físicas, químicas, sensoriales y estructurales del producto final (1). Se han aplicado técnicas de conservación que buscan mantener el equilibrio dinámico del sistema producto – entorno, a fin de incrementar y/o mantener la calidad del producto por más tiempo (2), dentro de las cuales cabe destacar el empleo de tratamientos como: la incorporación de calcio para la reducción de pardeamiento y cambios de textura (3-9), la aplicación de tratamientos térmicos que permiten la reducción de carga microbiana e intensificación los atributos organolépticos deseables como el sabor y aroma dulce característico en frutos como el melón (10-15), y la combinación de tratamientos térmicos con calcio, para activar enzimas como la pectimetilestereasa que favorecen la incorporación del calcio en la pared celular en melón junto con las bondades propias de las dos técnicas (9, 16-23) Los iones de calcio juegan un papel importante en la estabilidad de las membranas celulares y retención de la firmeza, debido a su capacidad para servir como puente entre las sustancias pécticas de la pared celular y la lamela media, formándose pectato cálcico que aporta estructura al tejido y por tanto, previene el ablandamiento. Al combinar la incorporación de calcio con un tratamientos térmicos favorece la activación de la enzima pectinmetilesterasa, lo que permite la unión del Ca 2+ endógeno o exógeno con los grupos carboxílicos libres de los polímeros de pectinas existentes, estabilicen la pared celular (22). Asimismo el tratamiento térmico permite minimizar la actividad del etileno reduciendo la tasa de respiración y favorece su estabilidad microbiológica, y por su lado el calcio contribuye en la reducción de pérdida de agua y el consecuente aumento en la turgencia celular durante el almacenamiento (19). Dentro de las fuentes de calcio que se emplean para mantener la vida útil de frutas y vegetales, se destacan, el carbonato de calcio y el citrato de calcio, por su aporte nutricional(24). Otras formas de calcio como preservantes y mejoradores de textura son lactato de calcio, cloruro de calcio, fosfato de calcio, propionato de calcio y gluconato de calcio (21, 25). El uso del cloruro de calcio está asociado cambios en las características de sabor debido a la presencia residual de sal en la superficie del producto. El lactato y el propionato han mostrado mejores beneficios que el cloruro en relación a la estabilización del tejido manteniendo la textura sin cambio en las características de sabor (24). El ablandamiento de los productos se da por cambios en la cantidad y la naturaleza de la pared celular, lamina media y polisacáridos, disminuyendo el grado de unión CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 73 intermolecular entre los polímeros de la pared celular. Por lo tanto, la rigidez, resistencia, tamaño y forma de las paredes celulares, lámina media, tejidos fibrosos y presión de turgencia contribuyen en gran medida a la firmeza y rigidez del tejido (26). Los cambios microestructurales son el principal factor relacionado con propiedades de textura (27). Muchos de los cambios que se observan a nivel macroscópico, son causados por cambios que ocurren a nivel microestructural y celular. La morfología celular cambia durante la aplicación de procesos de transformación y/o conservación, constituyéndose en un importante atributo que cuantificado permitiría entender y predecir los cambios que ocurren en las propiedades físicas y bioquímicas relacionadas con los cambios estructurales (28). El encogimiento celular es uno de los fenómenos que ha mostrado correlación con cambios estructurales en productos como manzana (29), uvas (30) y calabaza (28). Para la estimación de estos cambios se emplean descriptores morfométricos, los cuales tienen la finalidad de cuantificar y describir de la manera objetiva la medición de los cambios en los objetos a medir. Dentro de estos descriptores se tiene área, perímetro, longitud máxima y mínima, diámetro de Feret, que corresponden a los parámetros de tamaño , y redondez, elongación, compactación, factor de forma, a parámetros de forma (28). El objetivo de este estudio fue evaluar el cambio en la firmeza y en la microestructura del tejido melón fresco precortado por efecto de la aplicación de tratamiento térmico suave combinado con dos fuentes de calcio: lactato y propionato de calcio. 2 MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 MATERIA PRIMA Melon cantaloupe (Cucumis melo L. var. reticulatus Naud) grado de maduración 3 (NTC 5207) (31) obtenido del mercado local procedente de la región del Valle del Cauca, fue almacenado a 4°C hasta su uso. Los melones enteros fueron lavados y desinfectados en una solución de hipoclorito de sodio de 150 mg/L (32). La fruta se cortó en sentido longitudinal en dos mitades, siendo removidas manualmente la cáscara y las semillas. De los dos trozos se obtuvieron cilindros de radio 12±2mm por 5 mm de altura con un peso aproximado de 5+0,5g. 2.2 TRATAMIENTO Las muestras de melón fueron sometidas a inmersión a 60°C en soluciones de lactato y propionato de calcio a dos concentraciones: 0,5 y 1% durante 1, 2 y 3min a 60°C, en una relación fruta – solución 1:4. Como muestras control se emplearon cilindros de melón sumergidos en agua destilada durante 1, 2 y 3 min a 60°C. Una vez terminado el tratamiento se retiró el exceso de solución. CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 74 2.3 ANÁLISIS DE TEXTURA La firmeza fue evaluada como la fuerza máxima de penetración empleando un texturometro TATX2® (Stable Micro Systems LTD. Surrey, Inglaterra) con una sonda cilíndrica de 5 mm de diámetro y base plana (P5). Los parámetros de operación fueron los siguientes: velocidad pre-ensayo de: 2mm/s, velocidad de ensayo de: 1mm/s, velocidad post-ensayo de: 10mm/s, con una fuerza de 90g y una distancia de penetración de: 3,5 mm. Se realizo la medición a cinco muestras de melón por replica de tratamiento y los valores se reportaron como media ± desviación. 2.4 ANÁLISIS DE MICROESTRUCTURA Los cortes del tejido vegetal se obtuvieron haciendo un corte transversal a las muestras cilíndricas de melón. Se realizó la tinción del tejido con una solución de azul de metileno 0,1% durante 15 seg, luego se removió el exceso de colorante con agua destilada. Las observaciones se realizaron en campo claro en un microscopio triocular de contraste de fases Eromex®, utilizando el objetivo 10X. Una vez seleccionado el campo de interés, se realizó la captura de la imagen utilizando una cámara digital Nikon® DSFi1 adaptada al microscopio y conectada mediante una interfaz al computador. Las imágenes capturadas fueron analizadas empleando el software Image J®. Se extrajeron las formas celulares y se determinaron las características morfométricas de tamaño: área, perímetro y diámetro de Feret, y de forma: elongación, compactación y factor de forma. 2.5 ANÁLISIS ESTADÍSTICO Se realizaron 3 repeticiones por tratamiento y los datos obtenidos se expresaron en términos de media ± desviación estándar. Los datos se analizaron mediante un análisis de la varianza – ANOVA con un nivel de confianza del 95%, y una prueba de diferencia de medias Tukey’s empleando el software de Minitab® version16. 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 TEXTURA La aceptación de los productos mínimamente procesados por parte de los consumidores está relacionada con la percepción de calidad principalmente con las características de firmeza, debido a que su variación es la respuesta a procesos de degradación o cambios bioquímicos o enzimáticos del producto. El melón fresco pre-cortado presenta valores de firmeza de 36 N, valor que no cambia significativa con la aplicación del baño cálcico con lactato de calcio al 1%. En la tabla No 1 se muestran los resultados de la evaluación de la firmeza para las muestras de melón fresco y después de ser sometidos al tratamiento con calcio. Al comparar los CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 75 valores de firmeza para los cinco tratamientos se observa una pérdida del 17% para las muestras control y del 14% por las tratadas con propionato. El efecto positivo que tiene la aplicación de lactato a 60°C, puede ser debida que a esta temperatura se puede incrementar la difusión del calcio en el tejido del melón y mejorar la calidad, especialmente relacionada con el mantenimiento de la textura (23). En otras frutas se han reportado su efecto positivo en la textura cuando se emplean estas temperaturas junto con fuentes de calcio que refuerzan la actividad de la PME endógena o exógena (16, 19-21, 33). Tabla 1. Valores de firmeza (N) para las muestras de melón después de la aplicación de los tratamientos con calcio. Tiempo (min) Tratamiento control Lactato de calcio Propionato de calcio 0,5% 1% 0,5% 1% t = 0 36,009±0,495 a 36,009±0,495 a 36,009±0,495 a 36,009±0,495 a 36,009±0,495 a t = 1 31,353±1,179 b 32,759±0,159 b 34,416±1,161 a 29,102±1,963 b 30,416±0,371 b t = 2 29,901±0,909 bc 33,386±0,294 bc 35,300±1,200 a 31,716±1,921 b 29,262±0,394 c t = 3 27,769±0,541 d 34,241±1,159 ac 36,132±0,500 a 31,259±1,978 b 28,009±0,965 c Los resultados se presentan como media ± desviación de tres mediciones. a, b, c Los valores con la misma letra en cada fila indican que no existe diferencia significativa entre las muestras para cada tratamiento (Tukey’s P <0,05). 3.2 PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS Las células del tejido de melón fresco presentan en promedio tres diferentes formas: redondas, elongadas y poligonales. Un comportamiento similar muestran las células de Calabaza (28), fruta que pertenece a la familia de las Cucurbitaceae, de la cual también hace parte el melón. A partir de las imágenes obtenidas del tejido, se calcularon las características morfométricas relacionadas con parámetros de forma y tamaño. En relación al factor de forma, el cual indica que tanto un objeto se circunscribe a un círculo, es decir que valores menores a 1, indican que las células son un poco irregulares, lo cual puede estar relacionado con la pérdida de frescura del tejido y por ende en la detrimento de calidad del producto. El factor de forma encontrado para las muestras de melón fresco fue de 0,87, el cual es mayor a los valores reportados para calabaza (0,83) (28), manzana (0,83) (29), zanahorias (0,75) (27) y en papa (0,72) (34), estos valores indican que las células de estas frutas presentan un grado de irregularidad. En la figura 1, se muestran la correlación de los datos obtenidos de los parámetros morfométricos de factor de forma y área, y en la figura 2, la correlación para los parámetros factor de forma y elongación. Como se observa en las gráficas el tratamiento con propionato y la muestra control presentan una disminución en el factor de forma, el cual está relacionado con un incremento en el área y el factor de elongación de las células de melón. En relación a las muestras tratadas con lactato de calcio, estas también muestran un cambio en los factores morfométricos, el cual no es estadísticamente significativo. De CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 76 acuerdo con Rico et al. (23), la pérdida de redondez puede ser resultado de la pérdida de turgor celular debido a una alta pérdida de agua causada por el estrés celular producido por el tratamiento. Figura 1. Relación entre los parámetros morfométricos de factor de forma y área Figura 2. Relación entre los parámetros morfométricos de factor de forma y elongación En la figura 3, se presentan imágenes de las células del tejido de melón fresco y tratado. La figura 3(a), muestra las células del tejido fresco, las cuales presentan una forma redondeada con un factor de forma de 0,87. En relación a las muestras tratadas, estas presentan un 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 F a c t o r d e F o r m a Área (mm2) Fruta fresca Lactato 0,5% Lactato 1% Propionato 0,5% Propionato 1% Control 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 F a c t o r d e F o r m a Elongación Fruta fresca Lactato 0,5% Lactato 1% Propionato 0,5% Propionato 1% Control CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 77 alargamiento y un cambio en la forma de la célula, presentándose las mayores variaciones en las muestras tratadas con propionato de calcio (figura 3c) frente a las muestras tratadas con lactato de calcio, las cuales mantiene la forma presentada en la fruta fresca (figura 3b). (a) Melón fresco precortado (b) Lactato de Calcio (c) Propionato de Calcio Figura 3. Cambios microestructurales del tejido de melón después de la aplicación del tratamiento 3.3 CORRELACIÓN ENTRE FIRMEZA Y PARÁMETRO MORFOMÉTRICO DE ÁREA En la figura 4 se muestra la correlación entre Firmeza y el parámetro morfométrico – área, donde se observa que el tratamiento con propionato (grupo B) presenta los mayores cambios las características físicas y morfométricas del tejido, mientras el lactato (Grupo A) mantiene las características muy similares al producto fresco. Varios estudios indican que los cambios morfométricos son el principal factor relacionado con propiedades de textura como la turgencia celular e integridad de la pared celular (27), siendo el encogimiento celular uno de los fenómenos que ha mostrado correlación con cambios estructurales en productos como manzana (29), uvas (30) y calabaza (28). Figura 4. Relación entre la firmeza y el parámetro morfométrico de área para las muestras melón 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 F i m r e z a ( N ) Área (mm2) Fruta fresca Lactato 0,5% Lactato 1% Propionato 0,5% Propionato 1% A B CASAS, N. – CAEZ, G. ESTABI LI DAD DE TEJ I DO DE MELÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 78 En la figura también se observa que con el aumento del área celular hay una disminución de la firmeza, lo cual está relacionado con lo reportado con Konstankiewicz K., etal. (2001) (35) quienes indican que tejido de papa compuestos por células más pequeñas tienen una mayor resistencia a la fuerza compresión y mayor módulo de elasticidad que los tejidos con células grandes. 4 CONCLUSIONES El lactato de calcio aplicado bajo las condiciones de evaluación fortalece el tejido de melón fresco cortado en comparación con el propionato, el cual incide en el ablandamiento el tejido que está directamente relacionado con el cambio de los parámetros morfométricos. De acuerdo con los resultados, el tratamiento con lactato de calcio al 1% a una temperatura de 60°C durante 3 minutos mantiene mejor las características de morfología celular y la firmeza del melón fresco pre-cortado, lo que podría influir en la estabilidad del producto durante el almacenamiento. 5 AGRADECIMIENTOS A la Facultad de Ingeniería de la Universidad de La Sabana por facilitar los recursos técnicos para la realización de este proyecto. 6 REFERENCIAS 1. Toivonen PMA, Brummell DA. Biochemical bases of appearance and texture changes in fresh-cut fruit and vegetables. Postharvest Biology and Technology. 2008;48(1):1-14. 2. Soliva-Fortuny RC, Martín-Belloso O. Microbiological and biochemical changes in minimally processed fresh-cut Conference pears. European Food Research and Technology. 2003;217(1):4-9. 3. Akhtar A, Hussain A. Effect of calcium chloride treatments on quality characteristics of Loquat fruit during storage Pak J Bot. 2010;42(1):181 - 8. 4. 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PELÍ CULAS DE ALMI DÓN DE PAPA ReCiTeIA - v.11 n.1b 82 Información de los Autores Natalia Echeverri Facultad de Ingeniería Química, Universidad Pontificia Bolivariana, Cq 1 # 70 – 01, Medellín, Colombia Robin Zuluaga Grupo de Investigaciones Agroindustriales – Facultad de Ingeniería Agroindustrial, Grupo de Investigación Sobre Nuevos Materiales – Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana, Cq 1 # 70 – 01, Medellín, Colombia Úrsula Montoya Grupo de Investigación Sobre Nuevos Materiales – Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana, Cq 1 # 70 – 01, Medellín, Colombia e-mail:
[email protected] Cristina Castro Grupo de Investigación Sobre Nuevos Materiales – Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana, Cq 1 # 70 – 01, Medellín, Colombia Piedad Gañán Grupo de Investigación Sobre Nuevos Materiales – Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana, Cq 1 # 70 – 01, Medellín, Colombia e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ ECHEVERRI ET AL. PELÍ CULAS DE ALMI DÓN DE PAPA ReCiTeIA - v.11 n.1b 83 Películas de almidón de papa reforzadas con celulosa bacteriana Natalia Echeverri, Úrsula Montoya, Robin Zuluaga, Cristina Castro, Piedad Gañán Universidad Pontificia Bolivariana – Colombia CONTENIDO Lista de Figuras ............................................................................................................................. 83 Resumen........................................................................................................................................ 84 Abstract ......................................................................................................................................... 84 1 Introducción ......................................................................................................................... 85 2 Materiales y métodos ........................................................................................................... 86 2.1 Materias primas ............................................................................................................................. 86 2.2 Preparación de las películas........................................................................................................... 86 2.3 Caracterización de las películas ..................................................................................................... 86 2.3.1 Ensayos mecánicos de tracción ............................................................................................ 86 2.3.2 Análisis termogravimétrico .................................................................................................. 87 2.3.3 Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier con reflectancia total atenuada ...... 87 3 Resultados ............................................................................................................................ 87 3.1 Caracterización mecánica .............................................................................................................. 87 3.2 Análisis termogravimétrico ........................................................................................................... 88 3.3 Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier con reflectancia total atenuada ................ 88 4 Conclusiones ........................................................................................................................ 89 5 Referencias ........................................................................................................................... 89 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Módulo de elasticidad y esfuerzo máximo de las películas 87 Figura 2. Variación del peso respecto a la temperatura. 88 Figura 3. Espectros infrarrojos de microfibrillas de celulosa (CB), almidón plastificado (PG) y películas reforzadas 89 ECHEVERRI ET AL. PELÍ CULAS DE ALMI DÓN DE PAPA ReCiTeIA - v.11 n.1b 84 Películas de almidón de papa reforzadas con celulosa bacteriana RESUMEN El desarrollo de nuevos materiales poliméricos obtenidos a partir de recursos renovables ha despertado cada vez más el interés de investigadores, debido a su facilidad de degradación al final de su vida útil, y a su connotación “amigable con el medio ambiente”. Ejemplo de dichos materiales, con los obtenidos a partir de sub-productos agrícolas y actividad microbiana, entre los que se ubican los polímeros naturales como el almidón, el quitosano, las pectinas entre otros. No obstante, estos materiales poseen pobres propiedades mecánicas, que los limitan a la hora de ser empleados industrialmente. En la presente investigación se desarrollaron materiales compuestos en forma de películas a partir de almidón de papa reforzadas con microfibrillas de celulosa bacteriana en proporciones de 2,5%, 5,0% y 7,5%. Las películas fueron obtenidas a partir de soluciones acuosas de almidón y celulosa bacteriana empleando glicerol como plastificante. Los diferentes materiales obtenidos fueron caracterizados mediante pruebas mecánicas de tracción, análisis termogravimétrico (TGA) y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier con reflectancia total atenuada (ATR-FTIR). Los resultados mostraron un incremento en el módulo de elasticidad y la resistencia a la tracción de las películas con la incorporación de microfibrillas. Así, la incorporación de 7,5 g celulosa/g almidón, incrementa el módulo de elasticidad (442,19 ± 26,62 MPa) y el esfuerzo máximo (9,16 ± 1,47 MPa) 9 y 3 veces, respectivamente, en relación a la matriz de almidón sin reforzar. La temperatura de degradación máxima de las películas reforzadas no presentó cambios con la incorporación de las microfibrillas; en cuanto a la estructura química se ven las bandas características del almidón y la celulosa. Palabras clave: Almidón de papa, películas, celulosa bacteriana, microfibrillas, Propiedades mecánicas. ABSTRACT The development of new materials, obtained from renewable resources have attracted much interest of the researchers, because of their positives effects at the end of their service life, and its “environmental friendly” connotation, Examples of these are the materials obtained from agricultural and microbial activity, including natural polymers as starch, chitosan, pectins, among others. However, these materials have poor mechanical properties, which limit their industrial applications. In the present investigation, were development composite materials as films from potato starch reinforced with bacterial cellulose microfibrils in proportions of 2,5%, 5,0% and 7,5% w/w. The films from aqueous suspensions of starch and bacterial cellulose using glycerol as plasticizer were obtained. The resulting films were characterized by mechanical tensile, thermogravimetry (TGA) and attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR). ECHEVERRI ET AL. PELÍ CULAS DE ALMI DÓN DE PAPA ReCiTeIA - v.11 n.1b 85 The results showed an increase in the mechanical performance of films with the incorporation of microfibrils. Thus, the addition of 7,5 g cellulose/g starch, increases the tensile modulus of (442.19 ± 26.62 MPa) and a tensile strength of (9.16 ± 1.47 MPa) 9 and 3 times, respectively, higher than that of the starch matrix without reinforcing. The maximum degradation temperature of the reinforced films showed no change with the addition of microfibrils, the infrared spectra show the characteristics peaks of starch and cellulose. Keywords: potato starch, films, bacterial cellulose, microfibrils, mechanical properties. 1 INTRODUCCIÓN Nuevos materiales obtenidos a partir de materias primas renovables, tales como residuos agrícolas, marinos y de la actividad microbiana, han ganado importancia en la actualidad [1, 2], debido a que son de fácil degradación y pueden presentarse como una alternativa amigable con el medio ambiente, situación que permite disminuir la dependencia de los recursos fósiles [3, 4]. Ejemplo de esto, son los materiales compuestos a base de polímeros y fibras naturales, los cuales suelen ser atractivos, por sus buenas propiedades mecánicas, que permiten su empleo en industrias como la de empaques para alimentos, donde los polímeros sintéticos han sido los materiales tradicionalmente de elección [2, 5]. El uso de fibras naturales como reforzante en la elaboración de materiales compuestos, presenta importantes ventajas mecánicas y ambientales, tales como alta disponibilidad, baja densidad, y procesamiento relativamente fácil [2, 5, 6]. Si adicionalmente las fibras naturales se combinan con matrices biodegradables, se espera que los materiales sean totalmente biodegradables [6, 7]. El almidón después de la celulosa es el polímeros natural más abundante, considerado un material de fácil procesamiento, alta disponibilidad y bajo costo [8], el cual con la adición de plastificantes, principalmente polioles como el glicerol [5, 8, 11], puede ser convertido en un material termoplástico (TPS, por su sigla en inglés) [9, 10]. Los TPS poseen bajas propiedades mecánicas, lo que limita su empleo a nivel industrial. Una alternativa para darle solución a esta problemática, es la incorporación de fibras naturales [6, 12], permitiendo conservar su carácter degradable [13]. En esta línea de investigación se han publicado varios estudios referentes a la elaboración de compuestos de almidón termoplástico con fibras de celulosa vegetal y bacterial [2, 5, 13, 14, 15, 16]. Sin embargo, es poca la literatura reportada para compuestos de almidón de papa con microfibrillas de celulosa bacterial [4, 12]. La celulosa bacterial es un polímero sintetizado por las bacterias del genero Gluconacetobater sp., de mayor grado de pureza que la aislada a partir de fuentes origen vegetal y presenta propiedades como una alta resistencia mecánica, cristalinidad y capacidad de retención de agua; lo que la convierte en un polímero prometedor para diversas aplicaciones, como membranas para biosensores, diafragmas para altavoces o ECHEVERRI ET AL. PELÍ CULAS DE ALMI DÓN DE PAPA ReCiTeIA - v.11 n.1b 86 auriculares, reforzante de compuestos, papel de elevada calidad e incluso aplicaciones médicas como apósitos y vasos sanguíneos artificiales [12, 4, 17]. El medio de cultivo para su crecimiento puede provenir de diferentes fuentes, incluso de residuos agroindustriales [18]. En la presente investigación se evaluó la influencia de las microfibrillas de celulosa bacterial como material reforzante en la matriz de almidón. Los materiales obtenidos en forma de película, fueron caracterizados mediante pruebas mecánicas de tracción, análisis termogravimétrico (TGA) y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier con reflectancia total atenuada (ATR-FTIR). 2 MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 MATERIAS PRIMAS El almidón de papa nativo con 32,82% de amilosa y 67,18% de amilopectina fue suministrado por la industria Almicor Ltda. El glicerol (99,5% pureza) y el sorbato de potasio grado USP, fueron provistos por la industria Protokimica; las microfibrillas de celulosa bacterial (CB) fueron obtenidas a partir de fermentación de Gluconacetobacter sp en un cultivo estático a base de jugo de cáscara de piña, de acuerdo a lo reportado por Castro y otros [18]. 2.2 PREPARACIÓN DE LAS PELÍCULAS Las películas TPS/CB fueron preparadas a partir de soluciones acuosas, de acuerdo a lo reportado por Woehl y otros [13]; con algunos cambios en el tiempo de secado y en el procesamiento. Las microfibrillas de celulosa fueron adicionadas en concentraciones de 2,5% (PGCB 2,5), 5,0% (PGCB5,0) y 7,5% (PGCB7,5) base seca con respecto al peso del almidón. Las películas fueron llevadas al horno a 50ºC durante 72 horas. Posteriormente, fueron acondicionadas durante 15 días en una humedad relativa del 43%, con una solución saturada de carbonato de potasio (K 2 CO 3 ), de acuerdo con la norma ASTM E104. La matriz sin celulosa (PG) fue producida bajo las mismas condiciones para efectos de comparación. 2.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS PELÍCULAS 2.3.1 Ensayos mecánicos de tracción Las películas fueron evaluadas empleando una máquina Universal (Instron 5582), siguiendo la Norma ASTM D882-09, usando una celda de carga de 50 N y una velocidad de 25 mm/min. ECHEVERRI ET AL. PELÍ CULAS DE ALMI DÓN DE PAPA ReCiTeIA - v.11 n.1b 87 2.3.2 Análisis termogravimétrico La estabilidad térmica de las películas se determinó empleando un (Mettler Toledo TGA/SDTA 851 e), calentando las muestras a razón de 10°C/min desde 30°C a 600°C, bajo atmósfera de nitrógeno. 2.3.3 Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier con reflectancia total atenuada Los espectros fueron obtenidos empleando un espectrofotómetro (Nicolet 6700), empleando como accesorio el ATR con cristal de diamante. Las condiciones de ensayo fueron 4 cm -1 y 64 barridos por muestra. 3 RESULTADOS 3.1 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA Las propiedades mecánicas de las películas con diferentes cantidades de microfibrillas de celulosa se presentan en la Figura 1. Donde se observa un cambio en el módulo de elasticidad y de la resistencia a tracción de las peliculas con microfibrillas. La incorporación de 2,5, 5,0 y 7,5 g celulosa/g almidón, aumenta el esfuerzo máximo 1,8 (4,854±0,476), 2,8 (7,81±0,633) y 4,3 (,9,299±1,508), veces respectivamente, con relación a la matriz de almidón. Por otra parte, el módulo de elasticidad presenta un comportamiento equivalente incrementando 2,8 (125,94±16,941), 5,2 (231,088±11,909), y 10 (442,188±26,616), veces para las concentraciones mencionadas, previamente. Esta significativa mejora en las pruebas mecánicas, ha sido atribuida a las similitudes entre la estructura química del almidón y la celulosa [19], indicando la efectividad de las microfibrillas como material reforzante de matrices de almidón termoplástico [12]. Figura 1. Módulo de elasticidad y esfuerzo máximo de las películas ECHEVERRI ET AL. PELÍ CULAS DE ALMI DÓN DE PAPA ReCiTeIA - v.11 n.1b 88 3.2 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO La Figura 2 presenta la pérdida de masa en función de la temperatura, tanto para las películas reforzadas como para la matriz de almidón. Pérdidas de masa entre 100°C y 200°C están relacionadas con la volatilización del agua y del glicerol. Las mayores pérdidas de masa con porcentajes de 45% y 73% se registraron a 291°C y 332°C, correspondientes a la temperatura máxima de degradación del almidón y la celulosa, respectivamente [15]. Figura 2. Variación del peso respecto a la temperatura. 3.3 ESPECTROSCOPIA INFRARROJA POR TRANSFORMADA DE FOURIER CON REFLECTANCIA TOTAL ATENUADA En la Figura 3a se observan los espectros de las películas reforzadas, la matriz, y la celulosa bacterial. En todas las muestras se presentan vibraciones a 1150 y 1103 cm -1 debido al estiramiento CO, CC y COH, características del almidón [20]. Por otro lado, a 1080 y 858 cm -1 , ocurre una reducción en la intensidad de las vibraciones, como resultado del aumento en el contenido de microfibrillas de celulosa [21]. De igual forma, incrementos en la vibración a 927 cm -1, están asociados con la incorporación de las microfibrillas. Además la presencia de otras bandas típicas a 1334 cm -1 flexión OH, 1313 cm -1 vibración CH 2 y 1280 cm -1 flexión CH, indican la presencia de regiones cristalinas de la celulosa en las películas reforzadas [18, 22]. La Figura 3b muestra la ampliación de la región del espectro entre 1500 cm -1 y 800 cm -1 . Se observa una banda a 995 cm -1 , la cual disminuye su intensidad con el aumento del contenido de microfibrillas, atribuida a la flexión del COH y relacionada con el enlace intramolecular del hidrógeno del grupo hidroxilo en el carbono 6, es sensible al contendido de agua y sus modos de vibración involucran las interacciones agua-almidón [23, 20]. La banda a 1020 cm -1 , atribuida a la vibración y deformación del COH [24] característica de la fase amorfa del almidón, aumenta su intensidad en las películas finales [18]. ECHEVERRI ET AL. PELÍ CULAS DE ALMI DÓN DE PAPA ReCiTeIA - v.11 n.1b 89 Figura 3. Espectros infrarrojos de microfibrillas de celulosa (CB), almidón plastificado (PG) y películas reforzadas 4 CONCLUSIONES La presencia de microfibrillas de celulosa en la matriz de almidón, produce un incremento en el módulo de elasticidad y el esfuerzo máximo de las películas, conservando su estabilidad térmica y ocasionando pequeñas variación en su estructura química. Teniendo en cuenta que las microfibrillas de celulosa bacteriana producidas a partir de residuos agroindustriales son biodegradables y disponibles a bajo costo, su empleo como agente reforzante es una alternativa viable y prometedora para producir películas de almidón más rígidas y con mejores propiedades mecánicas, lo que deja este material como una alternativa biodegradable a los plásticos convencionales. 5 REFERENCIAS [1] VILAPLANA; STRÖMBERG y KARLSSON. Environmental and resources of sustainable biocomposites. En: Polymer degradation and stability. Agosto, 2010, p.1-15. [2] WITTAYA, Thawien. Microcomposites of rice starch film reinforced with microcrystalline cellulose from palm pressed fiber. En: International Food Research Journal. 2009. Vol. 16, No.4, p. 493-500. [3] MENESES, Juliana; CORRALES, Catalina y VALENCIA, Marco. Síntesis y caracterización de un polímero biodegradable a partir del almidón de yuca. En: Revista EIA. Diciembre, 2007, No. 8, p.57-67. 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[email protected] Bernadette Klotz Ingeniería de Producción Agroindustrial, Universidad de La Sabana e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ GARCÉS, F.J . –KLOTZ, B. HERRAMI ENTAS EN MI CROBI OLOGÍ A PREDI CTI VA ReCiTeIA - v.11n.1b 94 Avances en el desarrollo y aplicación de herramientas en microbiología predictiva, la experiencia de la Universidad de La Sabana Francisco J. Garcés, Bernadette Klotz Universidad de La Sabana – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas .............................................................................................................................. 94 Lista de Figuras ............................................................................................................................. 94 Resumen........................................................................................................................................ 95 Abstract ......................................................................................................................................... 95 1 Introducción ......................................................................................................................... 96 2 Modelos desarrollados ......................................................................................................... 97 3 Validación de modelos ......................................................................................................... 99 4 Otras aplicaciones ................................................................................................................ 99 5 Referencias bibliográficas .................................................................................................. 100 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Índices de desempeño entre los datos predichos por los modelos primarios con respecto a los datos predichos por el PMP 6.0, a 22, 37 y 42°C. 99 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Superficie de respuesta para la tasa de crecimiento a 25°C. 97 Figura 2. Superficie de respuesta para la velocidad máxima de crecimiento. 98 Figura 3. Duración de la fase lag. 98 Figura 4. Superficie de respuesta para el parámetro km en procesos de inactivación de L.monocytogenes. 100 GARCÉS, F.J . –KLOTZ, B. HERRAMI ENTAS EN MI CROBI OLOGÍ A PREDI CTI VA ReCiTeIA - v.11n.1b 95 Avances en el desarrollo y aplicación de herramientas en microbiología predictiva, la experiencia de la Universidad de La Sabana RESUMEN La microbiología predictiva se basa en el desarrollo y la aplicación de herramientas matemáticas y de simulación para describir, predecir, evaluar y analizar el comportamiento inactivación de los microorganismos en los alimentos. Su campo de aplicación va desde los procesos de fermentación, desarrollo de productos, evaluación de procesos de preservación, hasta la implementación de sistemas de aseguramiento de la calidad (HACCP) y procesos de evaluación de riesgo. La complejidad de los modelos disponibles en la literatura y en software especializado es amplia, incluyendo modelos empíricos, estocásticos y parcialmente mecanísticos. El desarrollo de esta área del conocimiento en los últimos 20 años ha sido importante, lo cual se evidencia en la gran cantidad de artículos publicados y la información disponible sobre curvas de crecimiento e inactivación de diferentes microorganismos (www.combase.cc) y el software (Pathogen Modeling Program, Symprevius, ComBase Predictor, entre otros). Adicionalmente la industria y los entes gubernamentales han reconocido la utilidad de la microbiología predictiva y en varios países es utilizada como soporte en la toma de decisiones relacionadas con la inocuidad y el riesgo microbiológico de productos alimenticios. La Universidad de La Sabana, ha tenido experiencias exitosas en la validación de modelos propuestos por otros investigadores, el desarrollo de modelos de crecimiento para levaduras y bacterias acido lácticas, la evaluación del efecto antagónico de co-cultivos de microorganismos patógenos y bacterias ácido lácticas, la aplicación de herramientas de minería de datos para el desarrollo de modelos, la evaluación de procesos basados en tecnologías tradicionales (pasteurización) y emergentes (ultrasonido) y desarrollo de evaluaciones de riesgo. Palabras clave: Microbiología predictiva, simulación, validación, comportamiento microbiano, evaluación de riesgo. ABSTRACT Predictive microbiology is based on the development and use of mathematical and simulation tools, to describe, predict, evaluate and analyze microbial behaviors in food. Its field of application is wide ranging from fermentation processes, product development, evaluation of preservation processes, to its use in quality and safety assurance systems (HACCP), including risk assessment. The complexity of available models in the literature and software is broad, including empiric stochastic and pseudo mechanistic models. The development of predictive microbiology during the last 20 year is significant. Proof of that is the big number of published articles, the information about the behavior of different microorganisms (www.combase.cc) and the software available (Pathogen Modeling Program, Symprevius, ComBase Predictor, among others). Industry and government agencies also recognize the utility of predictive microbiology and use it as a decision making tool for microbial food safety and risk. The University of La Sabana has been GARCÉS, F.J . –KLOTZ, B. HERRAMI ENTAS EN MI CROBI OLOGÍ A PREDI CTI VA ReCiTeIA - v.11n.1b 96 successful in several experiences: validating and developing models for yeast and lactic acid bacteria, evaluating the antagonism between pathogens and lactic acid bacteria, using data mining strategies to develop models, evaluating traditional (pasteurization) and emergent technologies (ultrasound), and developing risk assessment evaluations. Keywords: Predictive microbiology, simulation, validation, inactivation, microbial growth, risk assessment 1 INTRODUCCIÓN La microbiología predictiva consiste en el desarrollo y la aplicación de herramientas matemáticas y de simulación para describir, predecir, evaluar y analizar el comportamiento de los microorganismos, entre otros fenómenos biológicos. Su campo de aplicación va desde los procesos de fermentación, de desarrollo de productos, de evaluación de procesos de preservación, hasta la implementación de sistemas de aseguramiento de la calidad (HACCP) y procesos de evaluación de riesgo [1] [2]. El desarrollo de modelos se realiza tradicionalmente en 3 etapas asociadas a la complejidad y las interacciones que abarcan [3]: Modelos primarios: por lo general son relaciones entre el fenómeno biológico observado y el tiempo. Estos modelos cinéticos han sido utilizados para describir fenómenos de crecimiento e inactivación en condiciones isotérmicas como por ejemplo en los procesos de pasteurización. Modelos secundarios: son modelos que relacionan los parámetros de los modelos primarios con variables extrínsecas e intrínsecas como la temperatura, el pH del medio o la actividad de agua del producto. Eventualmente otro tipo de variables relacionadas con el microorganismo, como el estado fisiológico del microorganismo, o con los procesos (Duración, intensidad, etc.), pueden incorporarse en este tipo de modelos. Modelos terciarios: son bases de datos y aplicaciones computacionales que relacionan modelos primarios y secundarios, algunos de estos modelos pueden simular fenómenos en condiciones dinámicas propias de los procesos (cambios en el pH), o de temperatura (tratamientos térmicos); bases de datos y software de regresión. La validación de los modelos es un componente transversal a los tres niveles descritos anteriormente. Consiste en confrontar los resultados de los modelos con datos experimentales en medios de cultivo y en los productos para establecer el grado de ajuste o la calidad de la predicción [4]. También se aceptan validaciones a partir de datos experimentales extraídos de literatura. Esta etapa se convierte en un punto crítico en la implementación de esta herramienta a nivel industrial ya que dependiendo de la calidad del ajuste se podrán tomar decisiones más acertadas sin incurrir en costos adicionales y sin poner en riesgo la salud de los consumidores [5]. GARCÉS, F.J . –KLOTZ, B. HERRAMI ENTAS EN MI CROBI OLOGÍ A PREDI CTI VA ReCiTeIA - v.11n.1b 97 El objetivo de este artículo, es dar a conocer algunos de los desarrollos y resultados que ha tenido la Universidad de La Sabana en el área de microbiología predictiva, con proyectos de grado a nivel de pregrado y maestría, y trabajos desarrollados en los semilleros de investigación. 2 MODELOS DESARROLLADOS El desarrollo de modelos se realizó a partir de corridas experimentales en diferentes condiciones para levaduras [6], bacterias acido lácticas [7] [8] y cultivos mixtos de patógenos y bacterias acido lácticas [9]. En el desarrollo de un modelo para el crecimiento de levaduras Saccharomyces cerevisiae, se tuvieron en cuenta los efectos de la temperatura, el pH y la actividad de agua. El crecimiento se estableció a partir de cambio en la densidad óptica, previamente correlacionados con recuentos directos en cámara de Neubauer. A las curvas de crecimiento obtenidas se ajustó la ecuación modificada de Gompertz obteniendo coeficientes de determinación aceptables (>0.97); a partir de estos ajustes se establecieron los parámetros de crecimiento. Los parámetros de crecimiento obtenidos se analizaron por regresión múltiple obteniendo coeficientes de determinación aceptables (>0,85) para las superficies de respuesta ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., a partir de las cuales se stablecieron características de interés, como el tiempo mínimo para alcanzar una determinada concentración y la tasa máxima de crecimiento. Figura 1. Superficie de respuesta para la tasa de crecimiento a 25°C. Fuente: Cáceres et al. (2002) El desarrollo de modelos para bacterias acido lácticas, se enfocó a relacionar el crecimiento y la eventual producción de sustancias antimicrobianas por parte de estos microorganismos. Los dos proyectos desarrollados [10] [8] se realizaron utilizando el cambio en la densidad óptica como medida del crecimiento microbiano, y ajustando la ecuación modificada de Gompertz a los datos de crecimiento, y posteriormente describiendo los parámetros por superficies de respuesta. La evaluación de la producción de sustancias antimicrobianas se GARCÉS, F.J . –KLOTZ, B. HERRAMI ENTAS EN MI CROBI OLOGÍ A PREDI CTI VA ReCiTeIA - v.11n.1b 98 evaluó retando microorganismo indicadores (Escherichia coli y Staphylococcus aureus) con extractos neutralizados de los cultivos microbianos. Figura 2. Superficie de respuesta para la velocidad máxima de crecimiento. Fuente: García et al. (2004) Figura 3. Duración de la fase lag. Fuente: Garcés et al. (2003) En estos proyectos aunque fue posible realizar observaciones que evidenciaron la producción de sustancias antimicrobianas frente a los microorganismos retados, los resultados no fueron concluyentes por lo cual no se propuso ningún modelo que relacionara las condiciones de crecimiento y la producción de sustancias antimicrobianas. El desarrollo de un modelo para el crecimiento de patógenos y bacterias acido lácticas en co-cultivo [9], mostró una la interacción entre los dos tipos de microorganismo, con una reducción significativa del crecimiento de los patógenos (E. coli y Listeria monocytogenes), tanto en medios de laboratorio como en alimentos. Paralelo a la reducción del crecimiento GARCÉS, F.J . –KLOTZ, B. HERRAMI ENTAS EN MI CROBI OLOGÍ A PREDI CTI VA ReCiTeIA - v.11n.1b 99 se observaron las interacciones en cuanto los cambios del pH del medio, este componente permitió establecer que aunque la reducción del pH tiene un efecto bacteriostático sobre los patógenos, hay un efecto adicional que corresponde a la interacción con las bacterias acido lácticas. Los modelos polinomiales obtenidos mostraron una buena capacidad para describir la interacción entre los microorganismos estudiados tanto en medios de cultivo como en alimentos. 3 VALIDACIÓN DE MODELOS Los procesos de validación se han realizado sobre modelos disponibles en software [11], como para un modelo propuesto dentro de la línea de investigación. La validación del modelo para crecimiento de E. coli, del PMP 6.0, se realizó sobre una preparación de caldo de gallina, en tres condiciones de temperatura diferentes. Para la validación se consideraron tanto la concentración microbiana como los parámetros cinéticos observados en la experimentación. Aunque dentro de la experimentación no se observaron diferencias estadísticamente significativas entre los datos observados y los predichos por el modelos, a partir de los valores del factor bias y el factor de exactitud ( ), se pudo establecer una tendencia a fallar por peligro a 22°C; es decir la predicción es menor que la carga microbiana observada; y a fallar por seguro a 37°C y 42°C, es decir la predicción es mayor que la población realmente observada [11]. Tabla 1. Índices de desempeño entre los datos predichos por los modelos primarios con respecto a los datos predichos por el PMP 6.0, a 22, 37 y 42°C. Índices Temperatura 22°C 37°C 42°C Factor bias 0,965 1,125 1,062 Factor exactitud 1,038 1,125 1,062 MSE 0,122 0,625 0,260 R 2 0,996 0,993 0,998 Fuente: Corrales et al. (2001) La validación del modelo de crecimiento de levaduras, se realizó sobre jugos de fruta en tres temperaturas diferentes a las utilizadas en el desarrollo del modelo. Los recuentos de levadura se realizaron por microscopia en cámara de Neubauer, y se compararon las concentraciones de microorganismo y los parámetros cinéticos propuestos en el modelo. Los resultados de la validación mostraron diferencias significativas entre los datos observados y los predichos, sin embargo estas diferencias se pudieron explicar por diferencias en los inóculos iniciales de los dos ensayos, factor de variabilidad que no se tuvo en cuenta en el modelo propuesto por Cáceres et.al. [6]. Un ajuste en la ecuación del modelo para modificar el inóculo inicial, permitió establecer una tendencia a subestimar el crecimiento de levaduras [12]. 4 OTRAS APLICACIONES GARCÉS, F.J . –KLOTZ, B. HERRAMI ENTAS EN MI CROBI OLOGÍ A PREDI CTI VA ReCiTeIA - v.11n.1b 100 La aplicación de metodologías de minería de datos permitió desarrollar un modelo para la inactivación de L. monocytogenes, en tratamientos moderados de temperatura [10]. Este desarrollo utilizó la información disponible en la base de datos ComBase (www.combase.cc) para desarrollar un modelo a partir de 300 series de datos reportadas por otros autores. Este tipo de aplicaciones permite el desarrollo de modelos de aplicación general útiles en la aproximación a solución de problemas industriales, como la validación de procesos y el aseguramiento de la calidad de productos. Figura 4. Superficie de respuesta para el parámetro km en procesos de inactivación de L.monocytogenes. Fuente: Garcés et al. (2010) Con estos trabajos se muestra la posibilidad de desarrollar proyectos exitosos en microbiología predictiva, con aplicaciones puntuales y de interés para la academia y la industria. Entre los retos asociados a la divulgación de este tipo de herramientas esta la necesidad de darlas a conocer a los usuarios y consumidores y demostrar su aplicabilidad y confiabilidad. La facultad de Ingeniería de la Universidad de La Sabana continua desarrollando proyectos relacionados y soportados en microbiología predictiva con éxito en diferentes frentes, como son indicadores de vida útil para productos refrigerados, análisis de resigo microbiológico y fenómenos de interacción entre microorganismos. 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] M. H. Zwietering y H. M. den Besten. Modeling: one word for many activities and uses. Food Microbiology, doi: 10.1016/j.fm.2010.04.015. 2010. [2] T. A. McMeekin, J. Brown, K. Krist, D. Miles, K. Neumeyer, D.S. Nichols, et al. Quantitative microbiology: a basis for food safety. Emerging Infectious Diseases, Vol. 3 (4), pp. 541-549. 1997. [3] J. Baranyi, y T. A. Roberts. Predictive Microbiology - Quantitative Microbial Ecology. Culture. 2004. 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Zimmermann y B. Klotz. Evaluación de Desempeño de un Modelo de Crecimiento para Saccharomyces cerevisiae en Jugos de Fruta. Proyecto de Semillero de Investigación, Facultad de Ingeniería, Universidad de La Sabana, Bogotá D.C. 2002. CONTENIDO DE POLIFENOLES, CAROTENOS Y CAPACIDAD ANTIOXIDANTE EN FRUTOS DE UCHUVA (Physalis Peruviana) EN RELACIÓN A SU ESTADO DE MADURACIÓN Autoras: HELEN J. MIER G., GABRIELA CÁEZ R UNIVERSIDAD DE LA SABANA BOGOTÁ – COLOMBIA 2011 MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 103 Información de los Autores Helen J. Mier G. Facultad de Ingeniería – Universidad de La Sabana. e-mail:
[email protected] Gabriela Cáez R. Doctorado en Biociencias Facultad de Ingeniería – Universidad de La Sabana. e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 104 Contenido de polifenoles, carotenos y capacidad antioxidante en frutos de uchuva (Physalis Peruviana) en relación a su estado de maduración Helen J. Mier G., Gabriela Cáez R. Universidad de La Sabana – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas ............................................................................................................................ 104 Lista de Figuras ........................................................................................................................... 104 Lista de Ecuaciones .................................................................................................................... 104 Resumen...................................................................................................................................... 105 1 Introducción ....................................................................................................................... 106 2 Materiales y métodos ......................................................................................................... 106 2.1 Selección de la fruta .................................................................................................................... 106 2.2 Caracterización físico-química .................................................................................................... 107 2.3 Cuantificación de polifenoles ...................................................................................................... 107 2.4 Capacidad antioxidante DPPH .................................................................................................... 107 2.5 Contenido de carotenos ............................................................................................................... 108 2.6 Análisis estadístico ...................................................................................................................... 108 3 3. Resultados y discusión ................................................................................................... 108 3.1 Caracterización físico-química .................................................................................................... 108 3.2 Contenido de carotenoides .......................................................................................................... 110 3.3 Contenido de polifenoles ............................................................................................................. 111 3.4 Capacidad antioxidante DPPH .................................................................................................... 111 4 Agradecimientos ................................................................................................................ 112 5 Referencias ......................................................................................................................... 112 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Caracterización físico-química de uchuva ecotipo Colombia para seis estados de maduración 1 108 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Tabla de color de la uchuva. 107 Figura 2. Características físico-químicas de frutos de uchuva. Comportamiento de los SST y ATT en los seis estados de maduración por color (A). Comportamiento del pH en relación al IM (SST/ATT) (B). Las barras en los puntos indican la desviación estándar. 109 Figura 3. Contenido de carotenos expresados como β-caroteno en frutos de uchuva en relación al IM (SST/ATT). Las barras en los puntos indican la desviación estándar. 110 Figura 4. Relación entre el contenido de polifenoles y capacidad antioxidante en frutos de uchuva. Las barras en los puntos indican la desviación estándar. 111 LISTA DE ECUACIONES % de inhibición DPPH ........................................................................................................ 108 MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 105 Contenido de polifenoles, carotenos y capacidad antioxidante en frutos de uchuva (Physalis Peruviana) en relación a su estado de maduración RESUMEN La maduración implica cambios en los compuestos antioxidantes y su capacidad antioxidante en diferentes frutas. La uchuva (Physalis peruviana) es reconocida por sus propiedades medicinales y antioxidantes, asociadas al contenido de polifenoles y carotenoides. El objetivo del estudio fue determinar la influencia del estado de madurez respecto del contenido de carotenoides evaluado por método espectrofotométrico, contenido de polifenoles totales por Folin-Ciocalteu y capacidad antioxidante por DPPH en uchuva ecotipo Colombia. El Índice de maduración se evaluó como el cociente entre sólidos solubles totales y acidez total titulable como % ácido cítrico, y se comparó frente a carta de color del fruto. Los resultados mostraron una tendencia creciente en sólidos solubles totales, índice de madurez, contenido de carotenoides expresados como β- caroteno, contenido de polifenoles totales y capacidad antioxidante, en relación al estado de madurez. En frutos completamente maduros, se encontraron valores máximos de polifenoles totales (240,16 mg EAG/100 g fm.f), carotenoides totales (310 μg EBC/100 gmf) y capacidad antioxidante (91% inhibición DPPH). La correlación entre contenido de polifenoles y capacidad antioxidante sugiere que los compuestos fenólicos de la uchuva tienen efecto significativo (p<0,05) en la capacidad antioxidante. El estado de madurez influye directamente en el contenido carotenoides y compuestos fenólicos en uchuva. La presencia de compuestos bioactivos en mayor cantidad en el fruto produce mayor capacidad antioxidante, por lo cual esta propiedad funcional se incrementa también con la maduración del fruto. Estos resultados son indicio del uso potencial de uchuva como fuente de antioxidantes naturales con prometedoras aplicaciones industriales. Palabras clave: Antioxidantes, capacidad antioxidante, carotenos, polifenoles, uchuva. MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 106 1 INTRODUCCIÓN Algunas investigaciones han demostrado que los compuestos fitoquímicos de frutas y verduras contribuyen a su capacidad antioxidante [1, 2]. En ese sentido se ha generado un gran interés por los alimentos que contienen compuestos fenólicos a causa de sus propiedades antioxidantes, asociadas a potenciales efectos positivos en la salud humana [3]. Los carotenos también están entre los fitoquímicos más citados como responsables de reducir el riesgo de desarrollar enfermedades degenerativas como el cáncer [4]. La Physalis peruviana, conocida en Colombia como uchuva, pertenece a la familia de las solanáceas en el género physalis [5]. Muchas propiedades medicinales han sido atribuidas a esta planta de origen andino [6], usada empíricamente en la medicina tradicional peruana para tratar el cáncer y otras enfermedades [7]. Existe evidencia de que algunas de estas propiedades se asocian a la capacidad antioxidante de los polifenoles presentes en la fruta [8, 9]. También los carotenos parecen tener un importante papel en los beneficios del consumo de uchuva. El principal caroteno de la uchuva es el β-caroteno [10], responsable de su color naranja [11]. La maduración de las frutas envuelve una serie de reacciones bioquímicas tales como la hidrólisis de almidón, la síntesis de carotenoides, polifenoles y compuestos volátiles [12]. Esto conlleva a cambios en los compuestos fitoquímicos y su capacidad antioxidante durante la maduración [13]. Fischer y Martínez (1999) evaluaron el comportamiento de variables físico-químicas y contenido de β-caroteno en uchuvas colombianas de diferentes grados de maduración, encontrando cambios crecientes en sólidos solubles totales, pH y contenido de β-caroteno a medida que incrementan los estados de maduración [14]. Sin embargo, pocos reportes han sido publicados a cerca de los cambios en las sustancias bioactivas en relación a su capacidad antioxidante durante la maduración. El propósito del presente estudio fue investigar la influencia del estado de maduración en las características físico-químicas, contenido de carotenoides, contenido de polifenoles totales y su capacidad antioxidante en uchuva ecotipo Colombia. 2 MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 SELECCIÓN DE LA FRUTA Se evaluaron uchuvas (physalis peruviana) Ecotipo Colombia, nativas de Cundinamarca. Los frutos se cosecharon en seis estados de madurez, provenientes de un cultivo ubicado en el municipio de Villapinzón, a una altura de 2650 msnm. y una temperatura promedio de 13°C. Los frutos de uchuva fueron clasificados según el color, teniendo en cuenta la carta de color establecida por la Norma Técnica Colombiana 4580 (fig.1). Se tomaron cinco frutos por estado y por medición [15]. MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 107 2.2 CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA Se determinó sólidos solubles totales (SST) como porcentaje de °Brix mediante el método refractométrico según AOAC 932.12/ 90 con corrección por temperatura. El pH se determinó con el método potenciométrico con un autotitulador METROHM 702 SM Titrino. La acidez total titulable (ATT), mediante la titulación con NaOH 0,1 N con autotitulador METROHM 702 SM Titrino y se expresó como % ácido cítrico, según AOAC 942.15/90. El Índice de maduración (IM) se estableció como el cociente entre los SST y la ATT [16]. Figura 1. Tabla de color de la uchuva. Fuente: NTC 4580 2.3 CUANTIFICACIÓN DE POLIFENOLES Se cuantificó el contenido de polifenoles presentes en extractos metanólicos de uchuva de los seis grados de maduración por el método espectrofotométrico Folin-Ciocalteu [17, 18] A un balón aforado de 25 mL se le adicionaron 1 mL del extracto de polifenoles, 5 mL de agua destilada y 1 mL de reactivo de Folin- Ciocalteu ((Merck). Después de cinco minutos de reacción, se adicionó 1 mL de carbonato de sodio (Merck) al 7%, se aforó a 25 mL con agua destilada y se dejó reaccionar durante 90 minutos protegido de la luz. Se determinó la absorbancia a una longitud de onda de 750 nm en un espectofotómetro Cary Varian 100 UV-Vis, y el contenido de polifenoles se expresó en mg de ácido gálico (AG)/100 g de muestra frente a curva de calibración. 2.4 CAPACIDAD ANTIOXIDANTE DPPH La capacidad antioxidante fue determinada por la la técnica de decoloración del radical libre 2,2-difenil-1-picrilhidracilo (DPPH), propuesto por Brand-Willams,et al. (1995) [19]. El radical DPPH se reduce en presencia de antioxidantes manifestándose un cambio de color en la solución. Se mezclaron 2850 μL de reactivo DPPH (0,024 mg/mL metanol) con MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 108 150 μL de extracto metanólico de uchuva. Después de una reacción de 16 minutos se determinó la absorbancia a una longitud de onda de 515 nm en un espectofotómetro Cary Varian 100 UV-Vis, El % de inhibición fue calculado con la Ec. (1) y expresado como % de inhibición DPPH. % de inhibición DPPH Ec (1) 2.5 CONTENIDO DE CAROTENOS Los carotenoides expresados como β-caroteno fueron cuantificados espectrofotométricamente de acuerdo al AOAC No. 938.04. Se maceraron 5 g de muestra con acetona analítica (Merck®) - hexano (Merck®) (1:9), durante dos horas. Luego se adicionaron 20 ml de acetona - hexano (1:9), seguidos de filtración y aforo a 25 ml. En un tubo de ensayo se adicionaron 0.6 ml de la muestra aforada y 4 ml de éter de petróleo (Merck®), y se agitó por 30s. Se determinó la absorbancia a una longitud de onda de 449 nm en un espectofotómetro Cary Varian 100 UV-Vis, usando éter de petróleo como blanco. El contenido de sustancias carotenoideas se expresó en mg β-caroteno/100 g de muestra frente a curva de calibración con β-caroteno analítico[20, 21]. 2.6 ANÁLISIS ESTADÍSTICO Los ensayos se evaluaron por triplicado y fueron expresados como promedio ± desviación estándar. Los datos fueron analizados por un análisis de varianza y comparación de medias por la prueba de Tukey (p< 0,05) utilizando el software Minitab versión 16. 3 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA Para caracterizar los estados de maduración seleccionados por color, se determinó pH, SST, ATT y el índice de maduración (IM) correspondiente a cada estado (tabla 1). Tabla 1. Caracterización físico-química de uchuva ecotipo Colombia para seis estados de maduración 1 Estado de maduración por color pH ATT SST IM Villapinzón NTC Villapinzón NTC Villapinzón NTC 1 3,88 ± 0,16 a 5,01 ± 0,77 ab 2,7 6,28 ± 0,37 d 11,4 1,29 ± 0,27 c 4,22 2 3,47 ± 0,23 b 5,80 ± 1,52 ab 2,56 9,30 ± 2,36 cd 13,2 1,61 ± 0,07 c 5,16 3 3,54 ± 0,07 b 6,02 ± 0,64 a 2,34 14,05 ± 0,97 ab 14,1 2,36 ± 0,38 b 6,03 4 3,63 ± 0,19 ab 4,87 ± 1,36 ab 2,03 13,20 ± 2,45 bc 14,5 2,82 ± 0,47 b 7,14 5 3,71 ± 0,07 ab 4,46 ± 0,16 ab 1,83 17,13 ± 1,14 a 14,8 3,84 ± 0,31 a 8,09 6 3,59 ± 0,07 ab 3,25 ± 0,11 b 1,68 13,4 ± 0,42 abc 15,1 4,25 ± 0,01 a 8,99 a, b, c, d Las letras distintas indican diferencia significativa (ANOVA p< 0,05). 1 Todos los datos son el promedio (n = 3) ± desviación estándar. MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 109 La variación de SST y ATT en los diferentes estados de maduración se presenta en la Fig. 2A. Se aprecia un aumento constante de la cantidad de azúcares a medida que el fruto madura, hasta el estado de maduración 4, en el cual los valores presentan una disminución, seguida de un aumento leve. Un comportamiento similar encontró Fisher y Martínez (1999) en uchuvas cultivadas en Ubaté (Cundinamarca) en las que se observó un descenso de la concentración de SST a partir de la fase de maduración cuatro [14]. Si bien los SST aumentan a medida que el fruto de uchuva madura, la acidez (ATT) en general presenta una clara tendencia decreciente con el incremento de la maduración (Fig. 2A), aunque se observa un leve incremento hasta el estado de maduración 3, pero los valores alcanzados no presentan diferencias estadísticamente significativas (ANOVA p< 0,05). Se ha observado una disminución de la acidez durante la maduración de muchos frutos lo que indica una alta tasa metabólica en esta fase [22]. Los ácidos orgánicos contribuyen en gran parte al sabor, en una relación típica entre azúcares y ácidos en las diferentes especies de frutales [23]. El índice de maduración (IM) o Ratio es una relación entre SST y AT, que proporciona una indicación de la calidad organoléptica de los frutos. Esta relación aumenta conforme el fruto madura. Los valores oscilan entre 1,29 y 4,25 en los frutos estudiados, valores que representan casi la mitad de los IM establecidos en la NTC 4580. Márquez et al (2009) también obtuvo valores inferiores a los de la norma en uchuvas cultivadas en Medellín (Antioquía), provenientes de semillas de diferentes regiones de Colombia [24]. A B Figura 2. Características físico-químicas de frutos de uchuva. Comportamiento de los SST y ATT en los seis estados de maduración por color (A). Comportamiento del pH en relación al IM (SST/ATT) (B). Las barras en los puntos indican la desviación estándar. El pH disminuye del estado 1 al estado 2, y posteriormente presenta un leve aumento hasta el estado 6, sin embargo los valores de pH no presentan diferencias estadísticamente significativas (ANOVA p< 0,05) entre los estados de maduración 2 al 6. Al contrastar esta disminución de pH con el IM, se observa claramente un comportamiento estable de esta variable a medida que el fruto avanza en la maduración (fig. 2B). La disminución del pH en los primeros estados puede relacionarse con el aumento que se da en la concentración de ácidos orgánicos. [25]. MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 110 3.2 CONTENIDO DE CAROTENOIDES Los carotenoides son el más amplio grupo de pigmentos en la naturaleza, presentes en todos los organismos fotosintéticos y son los responsables de los colores amarillos a rojos de las frutas [26]. Los valores de carotenoides expresados como β-caroteno para los estados de maduración estudiados se encuentran en la tabla 2. Tabla 2. Contenido de carotenoides, polifenoles totales y capacidad antioxidante de frutos de uchuva ecotipo Colombia Estado de maduración por color mg β-caroteno/100g de muestra mg ácido gálico/100g de muestra Fresca % Inhibición DPPH 1 0,15 ± 0,10 a 149,29 ± 25,56 ab 68,46 ± 0,01 c 2 0,14 ± 0,04 a 121,33 ±9,37 b 72,17 ± 0,02 bc 3 0,18 ± 0,06 a 131,19 ± 0,00 ab 79,61 ± 0,10 abc 4 0,23 ± 0,03 a 127,31 ± 53,10 ab 78,03 ± 10,72 abc 5 0,22 ± 0,00 a 195,94 ± 0,00 ab 86,14 ± 0,00 ab 6 0,31 ± 0,00 a 240,16 ± 0,00 a 91,70 ± 0,00 a a, b, c Las letras distintas indican diferencia significativa (ANOVA p< 0,05). 1 Todos los datos son el promedio (n = 3) ± desviación estándar. Figura 3. Contenido de carotenos expresados como β-caroteno en frutos de uchuva en relación al IM (SST/ATT). Las barras en los puntos indican la desviación estándar. Se observa como el contenido de carotenos se incrementa a medida que avanza el estado de maduración. Este aumento se da hasta el estado de maduración 4 en el que se alcanzan 230 μg de β-caroteno/100 g muestra fresca, luego se presenta una ligera disminución y finalmente un incremento hasta 310 μg de β-caroteno/100 g muestra fresca en el estado de sobremaduración (fig. 3). Este mismo comportamiento fue encontrado por Fisher y Martínez (1999) para uchuvas colombianas cultivadas en Boyacá, en el cual se alcanzó durante el cuarto estado de maduración un contenido de β-caroteno de 230 μg de β- caroteno/ 100 g muestra fresca, que luego disminuyó y aumentó a niveles similares al final de la maduración [14]. Luego Fisher y Lüdders (2000) encontraron valores inferiores de contenido de este pigmento en frutos sobremaduros colombianos cultivados también en Boyacá, con valores de 149,9 μg β-caroteno/100 g muestra fresca y 157,3 μg de MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 111 carotenoides totales/100 g muestra fresca [10, 27]. Como ya fue reportado antes, la cantidad de β-caroteno incrementa en los frutos maduros. La mayoría de los frutos, presentan durante sus procesos de maduración una mayor síntesis de carotenoides, como en el albaricoque [28], mango [29] y papaya [30]. 3.3 CONTENIDO DE POLIFENOLES El contenido de polifenoles totales tiene un comportamiento casi constante hasta el cuarto estado de maduración y luego incrementa hasta alcanzar un valor de 240,2 Equivalentes ácido gálico (EAG)/100 g muestra fresca, en el último estado de maduración (tabla 2). Este valor es superior al encontrado por Repo y Encina (2008), quienes estudiaron el contenido de polifenoles totales de uchuva peruana en frutos maduros y determinaron un contenido de 154 mg EAG/100 g muestra [13]. En uchuva la quercitina es el principal compuesto fenólico, seguido de miricetina y kaempferol [31] Ramadan y Mörsel, (2007) encontraron cantidades de polifenoles del orden de 6.30 mg de equivalentes de ácido cafeico /100 g de jugo, por lo cual destacaron su potencial como bebida funcional [32]. 3.4 CAPACIDAD ANTIOXIDANTE DPPH La capacidad antioxidante también presentó una tendencia creciente con el incremento de la maduración pasando de 68,5% en el primer estado a 91,7 % en el estado final (tabla 2). Estos valores indican una alta capacidad de la uchuva de inhibir radicales libres causantes de la oxidación. Esta tendencia creciente de la capacidad antioxidante durante la maduración se evidenció también en uchuvas peruanas, que presentaron una capacidad antioxidante de 489,05 μg equivalente trolox/g de tejido por la técnica DPPH y 520,72 μg equivalente trolox/g de tejido por ABTS en frutos completamente maduros [13]. Figura 4. Relación entre el contenido de polifenoles y capacidad antioxidante en frutos de uchuva. Las barras en los puntos indican la desviación estándar. MI ER G., H.J . – CÁEZ R., G. COMPOSI CI ÓN DE UCHUVA EN RELACI ÓN A SU MADURACI ÓN ReCiTeIA - v.11 n.1b 112 Ramadan (2007) destaca que la presencia de un alto contenido de polifenoles en el jugo de uchuva podría contribuir al alto nivel de capacidad antioxidante alcanzándose una inhibición del DPPH del 78% [32]. Al graficar el contenido de polifenoles contra la capacidad antioxidante (fig. 4), se observó una alta correlación (r2=0,9064), lo que sugiere que los compuestos fenólicos de la uchuva tienen una gran efecto en la capacidad antioxidante, como esta reportado para otras frutas [33, 34]. En conclusión, el estado de madurez influye directamente en el contenido de compuestos bioactivos en la uchuva, dado que durante la maduración se generan procesos de biosíntesis de sustancias como lo son los carotenoides, los compuestos fenólicos, el ácido ascórbico, entre otros. La presencia de estos compuestos en mayor cantidad en el fruto produce una mayor capacidad antioxidante, por lo cual esta propiedad funcional se incrementa también con la maduración del fruto [13]. Comparado con otras frutas, el contenido de polifenoles encontrado en la uchuva es equivalente o superior en casos como acerola, níspero, cereza, kiwi, limón y naranja con contenidos de 123, 170, 200, 172, 128 y 152 mg EAG/100 g muestra fresca, respectivamente [35, 36 y 37]. La capacidad antioxidante en la uchuva es alta y está claramente relacionada con el contenido de polifenoles. Estos resultados son un indicio del uso potencial de este ecotipo de uchuva como una fuente de antioxidantes naturales con prometedoras aplicaciones industriales. 4 AGRADECIMIENTOS Este estudio fue realizado en el marco de un proyecto 04-2009 ejecutado gracias a la financiación de Colciencias, Cámara de Comercio de Bogotá, Universidad de La Sabana y la empresa CI Riek Ltda. Los autores agradecen también la colaboración de Jacqueline Valenzuela por su apoyo en el proyecto. 5 REFERENCIAS [1] P. T. Gardner, T. A. C. White, D. B. McPhail, and G. G. Duthie. The relative contributions of vitamin C, carotenoids, and phenolics to the antioxidant potential of fruit juices. Food Chemistry, 68, pp 471–474, 2000. [2] V.L.A.G. Lima, E.A. Melo, M.I.S. Maciel, F.L. Prazeres, R.S. Musser, and D.E.S. Lima. Total phenolic and carotenoid contents in acerola genotypes harvested at three ripening stages. Food Chemistry, 90, pp. 565–568, 2005. [3] I. Martinez-Valverde, M. J. Periago, y G. 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[email protected] Gerardo González Alpina productos alimenticios S.A. e-mail: gerardo.gonzá
[email protected] Johanna P. Abella Universidad de La Sabana e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ PRI ETO, R.E. – GONZÁLEZ, G. – ABELLA, J .P. EXTRACCI ÓN CON ULTRASONI DO ReCiTeIA - v.11 n.1b 118 Extracción con ultrasonido de compuestos fenólicos presentes en la cáscara de uva variedad Isabella (Vitis labrusca) Rosa E. Prieto, Gerardo González, Johanna P. Abella Universidad de La Sabana, Alpina productos alimenticios S.A. – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas ............................................................................................................................ 118 Lista de Figuras ........................................................................................................................... 118 Resumen...................................................................................................................................... 119 Abstract ....................................................................................................................................... 119 1 Introducción ....................................................................................................................... 120 2 Materiales y métodos ......................................................................................................... 121 2.1 Obtención de la Uva Isabella ....................................................................................................... 121 2.2 Adecuación de la muestra ............................................................................................................ 121 2.3 Aplicación del tratamiento con ultrasonido y obtención del extracto .......................................... 121 2.4 Contenido total extractable .......................................................................................................... 121 2.5 Contenido de Polifenoles Totales ................................................................................................ 121 2.6 Actividad Antioxidante ............................................................................................................... 122 2.7 Determinación de composición química por HPLC .................................................................... 122 3 Resultados .......................................................................................................................... 122 3.1 Contenido Total Extractable ........................................................................................................ 122 3.2 Polifenoles Totales ...................................................................................................................... 122 3.3 Actividad Antioxidante ............................................................................................................... 123 3.4 Composición química .................................................................................................................. 123 4 Discusión ............................................................................................................................ 125 5 Referencias ......................................................................................................................... 125 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Contenido Total Extractable obtenido para cada tratamiento de extracción con HIUW sobre muestras de uva variedad Isabella. 122 Tabla 2. Contenido de Polifenoles Totales cuantificado para cada muestra sometida a extracción con HIUW en diferentes tiempos de exposición. 123 Tabla 3. Actividad antioxidante cuantificado para cada muestra sometida a extracción con HIUW en diferentes tiempos de exposición. 123 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Efecto de la aplicación de HIUW como método de extracción sobre la composición química de los extractos. 124 PRI ETO, R.E. – GONZÁLEZ, G. – ABELLA, J .P. EXTRACCI ÓN CON ULTRASONI DO ReCiTeIA - v.11 n.1b 119 Extracción con ultrasonido de compuestos fenólicos presentes en la cáscara de uva variedad Isabella (Vitis labrusca) RESUMEN El tratamiento con ultrasonido se viene implementando en la extracción de compuestos de interés a partir de material biológico para aumentar el rendimiento final. Se evaluó el efecto de ondas de ultrasonido como tratamiento de extracción de polifenoles presentes en la cáscara de uva variedad Isabella; para lo cual se variaron parámetros de frecuencia (35 y 130 kHz) y tiempo de tratamiento (0, 15, 30, 45, 60 y 75 minutos). Los extractos obtenidos luego de ser sometido a los tratamientos de extracción fueron caracterizados mediante la cuantificación del contenido total extractable, polifenoles totales por el método Folin- Cicolteau, actividad antioxidante por el método ABTS +. y composición química por cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) analizando seis compuestos polifenólicos (ácido gálico, catequina, epicatequina, ácido ferúlico, ácido clorogénico y resveratrol). Los resultados evidencian que la extracción con ultrasonido a 35 kHz y 45 minutos aumentan significativamente el contenido total extractable cuando es comparado con las muestras sin tratamiento. Entre tanto, el contenido de polifenoles totales incrementa frente a las muestras sin tratamiento con ultrasonido alcanzando su máxima concentración a los 75 minutos y 35 kHz de extracción. La actividad antioxidante presenta una disminución en los tratamientos de extracción a 130 kHz en los diferentes tiempos de estudio, debido al desarrollo de reacciones redox catalizadas por las ondas de ultrasonido. En cuanto al contenido de los seis polifenoles evaluados se observa que en un tiempo de extracción de 75 minutos y 35kHz se alcanza la mayor concentración de compuestos de interés industrial tales como resveratrol, ácido ferúlico y ácido clorogénico, presentes en la cáscara de uva. Con esto, se presenta la aplicación de ondas de ultrasonido como tratamiento alternativo al proceso de extracción convencional que aumenta el rendimiento, sin alterar las características del extracto final. Palabras clave: actividad antioxidante, compuestos fenólicos, extracción, ultrasonido, uva. ABSTRACT Ultrasound waves treatment in compounds extraction from biological material is being implemented. The effect of ultrasound waves as polyphenols extraction treatment contained in the Isabel variety grape skin (Vitis labrusca) was evaluated. Frequency parameters (35 and 130 kHz) and treatment time (0, 15, 30, 45, 60 and 75 minutes) were varied. After extraction treatment, the obtained extracts were evaluated by total extractable content, total polyphenols content by Folin-Cicolteau method, antioxidant activity by ABTS+. method and extract chemical composition obtained by HPLC. The content of six phenolic compounds (gallic acid, catechin, epicatechin, ferullic acid, chlorogenic acid and resveratrol) was analyzed. The results show that 35 kHz and 45 minutes of treatment PRI ETO, R.E. – GONZÁLEZ, G. – ABELLA, J .P. EXTRACCI ÓN CON ULTRASONI DO ReCiTeIA - v.11 n.1b 120 increase the total extractable content compared with no treatment samples. At 75 minutes and 35 kHz, an increase in total polyphenols content was observed alike. Antioxidant activity shows a decrease at 130 kHz at different times, because ultrasound waves could act as a catalyst for redox reactions. Chemical content of the six analyzed compounds shows the highest content of industrial interesting compounds like resveratrol, ferulic acid and chlorogenic acid at 35 kHz and 75 minutes. With these results, ultrasound waves can be presented as an alternative treatment to conventional extraction processes that improve yields without changing the final extract properties. Keywords: antioxidant activity, phenolic compounds, extraction, ultrasound, grape. 1 INTRODUCCIÓN La uva variedad Isabella (Vitis labrusca) proveniente de Estados Unidos; y adaptada en Colombia, donde se cultiva principalmente en las regiones del Valle del Cauca, Boyacá y Santander; es usada comúnmente en la producción de vino rojo, jugo de uva y derivados tales como vinagre, mermelada y gelatina [1,2]. Para el 2008, Colombia alcanzó una producción de uva de 39493 toneladas de las cuales se estima que su procesamiento generó 9873 toneladas de subproductos entre los cuales se encuentran la cáscara y las semillas [3], siendo estos considerados como la fuente principal para la obtención de compuestos bioactivos como los polifenoles [4]. Tradicionalmente, la extracción de polifenoles se ha realizado mediante técnicas convencionales donde emplean solventes orgánicos tales como agua, metanol, etanol, acetato de etilo, entre otros; obteniendo un bajo rendimiento del proceso. A partir de estas investigaciones se han implementado otros métodos de extracción con los cuales se busca mejorar el rendimiento, aprovechando el uso de subproductos generados en el procesamiento industrial de la uva. Dentro de las técnicas no convencionales de extracción se pueden mencionar el uso de fluidos supercríticos, extracción asistida con microondas y extracción asistida con ultrasonido [5-8]. La aplicación de ondas de ultrasonido y específicamente de alta intensidad (High Intensity Ultrasound Waves HIUW) ha sido considerada como una técnica que aumenta el rendimiento en la extracción al facilitar la transferencia de compuestos desde el interior de la célula al solvente de extracción [9]. En el presente estudio, se evaluó la composición química de los extractos obtenidos luego de la aplicación de ondas de ultrasonido de alta intensidad como tratamiento alternativo para el proceso de extracción de compuestos fenólicos presentes en la cáscara de uva Isabella (Vitis labrusca). PRI ETO, R.E. – GONZÁLEZ, G. – ABELLA, J .P. EXTRACCI ÓN CON ULTRASONI DO ReCiTeIA - v.11 n.1b 121 2 MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 OBTENCIÓN DE LA UVA ISABELLA La uva cultivada en el Valle del Cauca, fue adquirida en el supermercado local. Inmediatamente fueron sometidas al proceso de separación del material sólido, el cual resulta similar al obtenido por procesos industriales. 2.2 ADECUACIÓN DE LA MUESTRA Las uvas fueron sumergidas en agua, para eliminar cualquier tipo de impureza presentes en ellas. Posteriormente, fueron trituradas en un extractor para jugos Oster modelo 3157, obteniéndose la separación de los subproductos (cáscara y semilla). El residuo fue separado en muestras de 10,00 g ± 0,02 g los cuales fueron sometidos al tratamiento con ultrasonido de alta intensidad. 2.3 APLICACIÓN DEL TRATAMIENTO CON ULTRASONIDO Y OBTENCIÓN DEL EXTRACTO Las muestras de 10,00 g ± 0,02 g de cáscara de uva fueron empacadas en bolsas de polietileno y puestas en contacto con 20,0 mL de metanol. Cada bolsa fue sellada herméticamente e introducida en baño de ultrasonido ELMA Transsonic TIH5 con el cual se realizó la aplicación de ondas en dos frecuencias (35 y 130 kHz) y exposición de períodos de tiempo entre 15 y 75 minutos. Cada tratamiento se llevó a cabo por triplicado. Los resultados obtenidos en los análisis de caracterización del extracto fueron comparados con una muestra control que corresponde a la extracción convencional de los polifenoles con metanol. Luego de aplicar los tratamientos, cada muestra fue filtrada con el objetivo de separar el residuo sólido del extracto orgánico; el cual fue secado por rotaevaporación del solvente. 2.4 CONTENIDO TOTAL EXTRACTABLE La determinación corresponde a la relación entre la masa de muestra y el extracto luego de ser sometido al proceso de evaporación del solvente. Este análisis se realizó para los tratamientos con aplicación de frecuencias de 35 y 130 kHz y tiempo de 15, 45 y 75 minutos. 2.5 CONTENIDO DE POLIFENOLES TOTALES Se realizó mediante el método Folin-Cicolteau descrito por Vásquez et. al. [10] Este análisis se desarrolló en un espectrofotómetro Perkin Elmer Lambda 35 UV-Vis. Los resultados son expresados como equivalentes de ácido gálico. Esta medición se realizó en muestras con aplicación de frecuencias de 35 y 130 kHz y tiempo de tratamiento de 15, 45 y 75 minutos. PRI ETO, R.E. – GONZÁLEZ, G. – ABELLA, J .P. EXTRACCI ÓN CON ULTRASONI DO ReCiTeIA - v.11 n.1b 122 2.6 ACTIVIDAD ANTIOXIDANTE Para la determinación de la actividad antioxidante se aplicó el método ABTS +. descrito por Miller et al. [11] La actividad antioxidante fue evaluada en todos los extractos obtenidos con aplicación de frecuencias de 35 y 130 kHz y tiempos de tratamiento de 15, 45, y 75 minutos. 2.7 DETERMINACIÓN DE COMPOSICIÓN QUÍMICA POR HPLC Se evaluo el contenido de ácido gálico, catequina, epicatequina, ácido clorogenido, ácido ferúlico y resveratrol en cada extracto mediante el análisis por HPLC de 20 µL de muestra con las siguientes características cromatográficas : columna Luna C18 5u (250mm x 4.60 mm x 5 μm) Phenomenex, temperatura de 25 °C, flujo de 1 mL/min, fase móvil que consta de solución de ácido acético 2% (A) y metanol (B). La elución se realizó con el siguiente gradiente: A:B: (95:5) mantenido por 10 min, incremento lineal a 50% B hasta 60 min y en 75 recuperación de las condiciones iniciales. La detección se realizó a una longitud de onda de 280 nm, con base en los tiempos de retención de los estándares. La cuantificación se realizó mediante estándar externo, con curvas de calibración para cada polifenol analizado. 3 RESULTADOS 3.1 CONTENIDO TOTAL EXTRACTABLE La tabla 1 muestra el efecto del tratamiento con ultrasonido sobre el contenido total extractable para cada extracto evaluado. Se observó que en un tiempo de exposición al ultrasonido de 45 minutos y una frecuencia de 35 kHz se obtuvo el mayor contenido total extractable al ser comparado con la muestra control (tiempo 0 min) aumentando un 7,42 % dicho contenido. Tabla 1. Contenido Total Extractable obtenido para cada tratamiento de extracción con HIUW sobre muestras de uva variedad Isabella. Frecuencia Tiempo 0 min 15 min 45 min 75 min CONTENIDO TOTAL EXTRACTABLE (%) 35 kHz 5,79 12,2 13,21 11,01 130 kHz 11,96 10,31 10,75 3.2 POLIFENOLES TOTALES El contenido de polifenoles totales presente en los extractos obtenidos bajo las condiciones de tratamiento evaluadas (tabla 2), presenta un incremento en las muestras sometidas a extracción con frecuencia de 35 kHz y 75 minutos de exposición; mientras que a 130 kHz para los casos estudiados se presenta una disminución en la concentración, siendo esto explicado con base en lo citado por algunos autores quienes sustentan que está frecuencia PRI ETO, R.E. – GONZÁLEZ, G. – ABELLA, J .P. EXTRACCI ÓN CON ULTRASONI DO ReCiTeIA - v.11 n.1b 123 favorece el desarrollo de reacciones redox secundarias entre el medio de extracción y los analitos [12-14]. Tabla 2. Contenido de Polifenoles Totales cuantificado para cada muestra sometida a extracción con HIUW en diferentes tiempos de exposición. Frecuencia tiempo 15 min 45 min 75 min CONTENIDO DE POLIFENOLES TOTALES (mg ácido galico /g) 0 kHz 0,777 ± 0,025 1,00 ± 0,21 0,803 ± 0,11 35 kHz 0,467 ± 0,133 1,02 ± 0,23 1,42 ± 0,18 130 kHz 0,339 ± 0,03 0,767 ± 0,07 0,600 ± 0,02 3.3 ACTIVIDAD ANTIOXIDANTE Los resultados obtenidos en la cuantificación de la actividad antioxidante de los extractos (Tabla 3), no presentan diferencias significativas entre los tratamientos. Al comparar la actividad antioxidante de las muestras sometidas a frecuencia de 130 kHz frente a las muestras control, se observa una disminución en su valor, la cual puede ser atribuida a la degradación de los compuestos fenólicos favorecida por las condiciones de extracción evaluadas. Esto debido a que los compuestos fenólicos activos presentes en el extracto disminuyen su concentración al reaccionar con productos de la sonolisis del agua y del solvente orgánico formados por la acción de las ondas de ultrasonido [14]. Tabla 3. Actividad antioxidante cuantificado para cada muestra sometida a extracción con HIUW en diferentes tiempos de exposición. Frecuencia Tiempo 15 min 45 min 75 min Actividad Antioxidante (µM Trolox / g) 0 kHz 1,763 ± 0,186 2,208 ± 0,059 2,161 ± 0,032 35 kHz 1,435 ± 0,255 2,124 ± 0,065 2,219 ± 0,086 130 kHz 1,315 ± 0,247 1,914 ± 0,042 1,661 ± 0,190 3.4 COMPOSICIÓN QUÍMICA Los resultados obtenidos en cuanto a la composición química (figura 1) evidencian que, de los compuestos fenólicos analizados por HPLC; resveratrol, catequina y epicatequina, presentan afectación en su contenido por los diferentes tratamientos con ultrasonido como método de extracción. El ácido gálico fue detectado en bajas concentraciones si se compara con el contenido de los compuestos fenólicos evaluados. A excepción del ácido gálico, todos los polifenoles analizados disminuyen su concentración comparado con los tratamientos con ultrasonido a 35 kHz y el control. Esto puede ser explicado por el efecto químico de la exposición de solventes orgánicos y medios acuosos a ondas de ultrasonido que favorecen la formación de radicales libres, como el radical hidroxilo, participando en reacciones secundarias con los compuestos presentes en el extracto, disminuyendo su concentración y a su vez su actividad antioxidante. PRI ETO, R.E. – GONZÁLEZ, G. – ABELLA, J .P. EXTRACCI ÓN CON ULTRASONI DO ReCiTeIA - v.11 n.1b 124 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 1. Efecto de la aplicación de HIUW como método de extracción sobre la composición química de los extractos. La identificación se realiza así : a) ácido gálico, b) catequina, c) ácido clorogénico, d) epicatequina, e) ácido ferúlico, f) resveratrol. Con base en esto, se puede establecer que las mejores condiciones para extracción de polifenoles se tienen con extracción asistida con ultrasonido a bajas frecuencias, en este caso 35 kHz, corroborando así lo evidenciado por Novak et. al. [9], y a su vez favoreciendo la extracción de compuestos de interés industrial [15], ya que bajo esta frecuencia y tiempo 0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0 15 30 45 60 75 A c i d o g á l i c o ( μ g / g ) tiempo de tratamiento (min) Control US 35 kHz US 130 kHz 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0 15 30 45 60 75 C a t e q u i n a ( μ g / g ) tiempo de tratamiento (min) Control US 35 kHz US 130 kHz 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 0 15 30 45 60 75 Á c i d o c l o r o g é n i c o ( μ g / g ) tiempo de tratamiento (min) Control US 35 kHz US 130 kHz 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 0 15 30 45 60 75 E p i c a t e q u i n a ( μ g / g ) tiempo de tratamiento (min) Control US 35 kHz US 130 kHz 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 0 15 30 45 60 75 Á c i d o f e r ú l i c o ( μ g / g ) tiempo de tratamiento (min) Control US 35 kHz US 130 kHz 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 0 15 30 45 60 R e s v e r a t r o l ( μ g / g ) tiempo de tratamiento (min) Control US 35 kHz US 135 kHz PRI ETO, R.E. – GONZÁLEZ, G. – ABELLA, J .P. EXTRACCI ÓN CON ULTRASONI DO ReCiTeIA - v.11 n.1b 125 de extracción de 75 minutos se obtiene un aumento significativo en la extracción de resveratrol, ácido ferúlico y ácido clorogénico , presentes en el extracto. 4 DISCUSIÓN Este estudio presenta la aplicación de ondas de ultrasonido como una alternativa apropiada para la extracción de compuestos fenólicos, debido a que aumentan el rendimiento de la extracción frente al procedimiento convencional con solventes orgánicos, sin alterar significativamente las propiedades del extracto; permitiendo la separación de compuestos de interés medicinal e industrial de residuos de uva. En el caso particular de la actividad antioxidante, cuya propiedad es de gran importancia, hay que tener en cuenta la influencia de la aplicación de ondas de ultrasonido sobre el medio de extracción y la matriz; ya que el aumento de la frecuencia favorece, no sólo la extracción de compuestos, sino el desarrollo de reacciones secundarias que generan disminución en la concentración de analitos presentes, siendo este un efecto no deseado en aplicaciones a nivel industrial. Por lo tanto, la caracterización realizada permite evidenciar que la aplicación de una frecuencia de 35 kHz resulta apropiada para la extracción de polifenoles presentes en la cáscara de uva, ya que se aumenta el rendimiento y no altera significativamente las propiedades del extracto. Adicional a esto, se presentan los subproductos del procesamiento de uvas, específicamente la cáscara de uva variedad Isabella, como una fuente rica en polifenoles de la cual se pueden aislar compuestos de gran importancia por sus propiedades químicas, como lo son resveratrol, catequina, epicatequina y ácido clorogénico. 5 REFERENCIAS [1] J. Hernández, D. Duran y Y. Trujillo, Potencial fenólico de la variedad Isabella (Vitis labrusca L.) producida en Villa del Rosario Norte de Santander – Colombia, Revista Bistua, vol. 8(1), pp 88, 2010. [2] M.T Bordignon-Luiz, C. Gauche, E.F. Gris y L.D. Falcao, Colour stability of anthocyanins from Isabel grapes (Vitis labrusca L.) in model systems, LWT – Food Sci Technol, vol 40, pp 594, 2007. [3] S.A. Vergara, Perfil de Mercado de la uva fresca de Cascas en Colombia y Ecuador. Junio 2010. [4] A. Schieber, P. Hilt, P. Streker, H-U. Endresz, C. Rentschler y R. 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Ultrasonics Sonochemistry, vol 17, pp 1066, 2010 HIDRÓLISIS DEL ALMIDÓN DE YUCA (Manihot Sculenta) Y DE ÑAME (Dioscorea rotundata) PARA PRODUCIR JARABES GLUCOSADOS Autores: LESLY TEJEDA BENITEZ, ANGIE RIVERA, JAIME ROSALES, LUIS TEJEDA, ELAINE TORDECILLA UNIVERSIDAD DE CARTAGENA CARTAGENA – COLOMBIA 2011 TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 128 Información de los autores: Lesly Tejeda Benitez Ingeniera Química Docente, Ingeniería Química, Universidad de Cartagena e-mail:
[email protected] Angie Rivera Universidad de Cartagena e-mail:
[email protected] Jaime Rosales Universidad de Cartagena e-mail:
[email protected] Luis N. Tejeda Universidad de Cartagena e-mail:
[email protected] Elaine Tordecilla Universidad de Cartagena e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
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[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 129 Hidrólisis del almidón de yuca (Manihot Sculenta) y de ñame (Dioscorea rotundata) para producir jarabes glucosados Lesly Tejeda Benitez, Angie Rivera, Jaime Rosales, Luis Tejeda, Elaine Tordecilla Universidad de Cartagena – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas ............................................................................................................................ 129 Lista de Figuras ........................................................................................................................... 129 Resumen...................................................................................................................................... 130 Abstract ....................................................................................................................................... 130 1 Introducción ....................................................................................................................... 131 2 Materiales y Métodos ......................................................................................................... 132 2.1 Extracción y caracterización del almidón .................................................................................... 132 2.2 Proceso de hidrólisis ácida .......................................................................................................... 132 2.3 Proceso de hidrólisis enzimática ................................................................................................. 132 3 Resultados y discusión ....................................................................................................... 134 3.1 Caracterización del almidón ........................................................................................................ 134 3.2 Hidrólisis ácida ............................................................................................................................ 134 3.3 Hidrólisis enzimática ................................................................................................................... 135 4 Conclusiones y recomendaciones ....................................................................................... 136 5 Referencias ......................................................................................................................... 136 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Algunas enzimas comunes de uso comercial. [5] 131 Tabla 2. Datos de la caracterización del almidón obtenido. 134 Tabla 3. Resultados de la hidrólisis ácida 134 Tabla 4. Resultados del análisis de varianza 134 Tabla 5. Resultados de la hidrólisis enzimática 135 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Gráfico de medias para pH y tipo de almidón 135 Figura 2. Gráfico de medias para tipo de hidrólisis 136 TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 130 Hidrólisis del almidón de yuca (Manihot Sculenta) y de ñame (Dioscorea rotundata) para producir jarabes glucosados RESUMEN La glucosa es el segundo compuesto orgánico más abundante de la naturaleza, después de la celulosa, es la fuente principal de energía de las células, y es el componente principal de polímeros de importancia estructural y almacenamiento energético como el almidón. Además de esto, tiene amplias aplicaciones industriales. Una de las formas en las que se presenta este importante producto son los jarabes glucosados. En este trabajo se muestra el proceso de obtención de dichos jarabes, mediante la hidrólisis ácida y enzimática del almidón de yuca Manihot Sculenta y ñame Dioscorea Rotundata. Al concluir las hidrólisis, se obtuvieron jarabes con alto contenido de azúcares reductores, azúcares totales y equivalente dextrosa o ED, notando que, para ambos jarabes, el porcentaje de azúcares fue mayor con la hidrólisis ácida que con el proceso enzimático. De acuerdo a estos resultados y al ED calculado para cada uno, es posible afirmar que se produjeron jarabes glucosados de conversión alta al emplear el método ácido y de conversión media o estándar con el proceso enzimático, lo cual puede ser debido a la necesidad que plantean otros estudios de emplear tres o más enzimas y sus correspondientes licuefacciones para un mejor resultado. Palabras clave: almidón, azúcares, Discorea Rotundata, equivalente dextrosa, hidrólisis ácida, hidrólisis enzimática, Manihot Sculenta. ABSTRACT Glucose is the second most abundant organic compound in nature after cellulose, is the main energy source of cells, and is the main component of polymers of structural importance and energy storage as starch. One of the ways in which this important product features is glucose syrups. This paper shows the process of obtaining such syrups by acid and enzymatic hydrolysis of starch from Manihot Sculenta cassava and Dioscorea rotundata yam. Once the hydrolysis was completed, there were obtained syrups high in reducing sugars, total sugars and dextrose equivalent or DE, noting that for both syrups, sugar percentage was higher with acid hydrolysis than with the enzymatic process. According to these results and calculated DE for each one, we can state that there were high conversion glucose syrups by using the acid method and average conversion or standard enzymatic process, which may be due to the need arise other studies using three or more enzymes and their liquefaction for best results. Keywords: starch, sugars, Discorea Rotundata, dextrose equivalent, acid hydrolysis, enzymatic hydrolysis, Manihot Sculenta. TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 131 1 INTRODUCCIÓN La Costa Atlántica de Colombia, debido a su clima tropical, cuenta con una amplia producción de cereales y tubérculos, como el maíz, el plátano, el ñame y la yuca, los cuales se emplean en su mayoría con fines alimenticios a nivel doméstico, y si bien la industria aprovecha esta materia prima y ha sacado innumerables y muy variados productos al mercado, basados en estos tipos de cosecha, hay ciertos derivados de los cereales y tubérculos que aún no tienen un uso generalizado a pesar de las ventajas que ofrecen; derivados como los distintos tipos de azúcares que provienen del almidón como la glucosa, la fructosa o la dextrina, obtenidos mediante tratamientos casi naturales, eficaces y seguros como las hidrólisis, en particular la hidrólisis enzimática, que ha desplazado a la hidrólisis ácida debido a las grandes ventajas que tiene frente a la segunda, como son: una mayor flexibilidad del producto obtenido y el control de la formación de productos no deseados [1]. Hoy en día la industria es consciente de las numerosas ventajas que presenta la utilización de enzimas en lugar de catalizadores químicos, pues además de la índole económica o tecnológica, la especificidad de acción que tienen, hace que no se produzcan reacciones laterales imprevistas. Así mismo se puede trabajar en condiciones moderadas, especialmente de temperatura [2]. El almidón más importante desde el punto de vista industrial es el maíz. Al año se utilizan unos 60 millones de toneladas de maíz para fabricar almidón, bien para su uso como tal o como materia prima para la obtención de glucosa y fructosa [3]. En lo que respecta a la obtención de estas dos últimas, a partir de 1930 comenzó a tomar auge la aplicación de enzimas transformando la tecnología de la hidrólisis hasta desplazar el proceso ácido, (aunque en un principio la obtención de las enzimas adecuadas era un poco más difícil para el investigador). Como resultado de esta nueva tecnología, en la década de los 70 se comenzó a producir un jarabe aún más dulce que la glucosa: jarabe de alto grado de fructosa, cuya producción ha elevado el crecimiento de la industria del almidón en varios países. Ahora bien, el jarabe que se obtenga del almidón no depende tanto del origen del mismo, como del tipo de enzima empleada, debido a que estas actúan sobre diferentes tipos de enlaces presentes en la macromolécula [4]. Tabla 1. Algunas enzimas comunes de uso comercial. [5] Tipos Nombre Común Fuente Especificidad pH Temperatura Óptima (°C) Endoamilasas Amilasa Bacterial B. Subtilis α - 1,4 – Glicosil 6,0 65 – 70 B. lincheniformes α - 1,4 – Glicosil 5,0 - 7,0 90 α -amilasa fúngica Aspergilus orizae α - 1,4 – Glicosil 4,5 50 – 60 Exoamilasas Amiloglucosidasa A. Niger α - 1,4 – Glicosil 4,0 - 5,0 60 β-amilasa bacterial Bacillus spp. α - 1,4 – Glicosil 5,0 55 – 60 Clostridium spp. α - 1,4 – Glicosil 5,5 – 6,0 75 – 85 α- 1,6 – amilasa Pululanasa K. aerogenes α - 1,6-Maltotriosa 5,0 60 Isoamilasa Pseudomonas spp. α -1,6 – Heptasacárido 4,0 50 – 55 Isomerasas Glucosa Isomerasa B. Circulans Aldo/keto pentosa 8,2 65 Aldo/keto hexosa Glucanotransferasa Ciclodextrinasa B. Macerans α - 1,4 – Glicosil 5,0 50 Thermoanaerobacter α - 1,4 – Glicosil 4,5 90 TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 132 La tabla 1 muestra los tipos de enzimas más comunes involucradas en la producción comercial de jarabes, su nombre común, la fuente de la que se obtiene cada una, el tipo de enlace sobre el que trabaja y las condiciones físicas en las que debe trabajarse para que ésta se active y tenga un óptimo desempeño. 2 MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 EXTRACCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL ALMIDÓN La extracción del almidón se realizó de acuerdo al método descrito en [6] para la extracción de almidón de tubérculos como la yuca y el ñame. Luego de pesar cada tubérculo, éstos se lavaron y pelaron. Se emplearon 900g de yuca y 895g de ñame. Posteriormente se ralló y tamizó el producto, retirando el afrecho o fibra. Una vez pasado el tiempo de sedimentación, que en este caso se estableció en doce horas, se retiró el agua sobrenadante y el almidón obtenido se sometió a un proceso de secado debido a la alta humedad que este presenta luego de su extracción. El proceso de secado se realizó en un horno entre 40 y 50°C durante diez horas aproximadamente, hasta obtener un almidón de ñame con una humedad del 15% y del 20% para el almidón de yuca. Se determinó también el porcentaje de amilosa y amilopecina, y el pH presentes en este almidón obtenido. 2.2 PROCESO DE HIDRÓLISIS ÁCIDA La hidrólisis ácida en este caso se llevó a cabo empleando un montaje experimental con un balón plano al baño maría con reflujo y agitación continua a 300rpm aproximadamente (gracias a un agitador magnético). Para ambos almidones se ajustó el pH a 1, empleando una solución de ácido sulfúrico al 20% p/v. La temperatura se mantuvo entre 90 y 95°C según lo recomendado en la literatura. El montaje experimental se puede apreciar en la figura 1. Tanto para el ñame como para el almidón de yuca, se preparó una muestra de 34g/200ml empleando, por supuesto, agua destilada. Esta hidrólisis, con temperatura y agitación controladas tuvo una duración de 5 horas para cada muestra. Se repitió el experimento dos veces para cada tipo de almidón, tomando una muestra al final de cada proceso para la posterior determinación de azúcares reductores, verificando así, un aumento de estas al finalizar la hidrólisis. (Tabla 3). 2.3 PROCESO DE HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA Debido a la propiedad de especificidad que poseen las enzimas, éstas deben seleccionarse de acuerdo a las propiedades del sustrato que se desea hidrolizar, para el caso particular del almidón de yuca Manihot sculenta y de ñame Dioscorea rotundata se necesitan las enzimas alfa-amilasa y glucoamilasa fungica para cuyas condiciones óptimas de operación se TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 133 controlarán el pH, la temperatura, la concentración y el porcentaje o la cantidad que se usará en la hidrólisis, de acuerdo a la cantidad de sustrato. [1] Las enzimas mencionadas y las fichas de aplicación de las mismas fueron suministradas por la compañía Coldanzimas, Bogotá, Colombia El proceso se llevó a cabo en tres etapas o licuefacciones con una enzima para las primeras dos etapas y otra para la tercera, en el orden siguiente: Liquozyme Supra 2.2X para la primera y segunda licuefacción y Dextrozyme DX 1,5 para la última. Esto, debido a que se necesita al menos una enzima (liquozyme) para romper las cadenas largas presentes en el almidón y otra (Dextrozyme) para romper las ramificaciones que quedan luego de que la primera de ellas es desactivada. Ahora, el procedimiento para cada uno de los tipos de almidón fue prácticamente igual: antes de comenzar con las licuefacciones se preparó una solución con agua destilada y almidón al 40%, teniendo en cuenta la humedad presente en el mismo, para luego calcular la cantidad de enzima necesaria, de acuerdo al peso de la solución, teniendo como referencia la ficha de aplicación de la enzima según la cual se debe emplear 0,55Kg de enzima por tonelada de almidón seco. [7] Primera licuefacción: luego de ajustar el pH del ñame a 5,23 y el de la yuca a 5,21 (pues la enzima necesita un pH entre 5,2 y 5,6), se adicionó la cantidad de enzima adecuada y se sometió cada solución a una temperatura máxima de 105°C durante 5 minutos con agitación manual continua. Se pudo observar que la viscosidad de las soluciones disminuyó casi inmediatamente y al pasar de los 90°C éstas se tornaron color caramelo. Segunda licuefacción: con la misma enzima, liquozyme, de la etapa anterior las soluciones se sometieron ahora a una temperatura de 95°C durante una hora. En este punto no hay necesidad de contar con una agitación constante debido a que la viscosidad del líquido bajó considerablemente gracias a la acción enzimática. Luego de los 60 minutos, se desactivó la acción enzimática bajando la temperatura de las soluciones. Tercera licuefacción: se ajustó nuevamente el pH de las soluciones a 4,27 para la yuca y 4,14 para el ñame, empleando ácido clorhídrico, puesto que la enzima Dextrozyme necesita un pH entre 4,1 y 4,3. Una vez ajustado el pH, se sumergieron las soluciones en un baño maría a 60°C durante 70 horas . El tiempo recomendado en la literatura para el desempeño óptimo de esta enzima está entre 40 y 100 horas. Una vez retirados los recipientes del baño maría, se tomaron sendas muestras para su posterior análisis y determinación de azúcares reductores, azúcares totales, grados Brix, sólidos totales y equivalente dextrosa. (Tabla 5). TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 134 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 CARACTERIZACIÓN DEL ALMIDÓN Los resultados de la caracterización del almidón se observan en la tabla 2. Tabla 2. Datos de la caracterización del almidón obtenido. Almidón %Amilosa %Amilopectina %Azucares reductores %humedad pH Yuca 42 58 12,87 20 5,8 Ñame 39 59 2,05 15 4,6 Al final, se obtuvieron 208,5g de almidón de ñame seco y 224,4g de almidón de yuca. La presencia de alto contenido en fibra en el ñame es la causa de esta diferencia, que es importante porque de la cantidad de almidón extraído depende el rendimiento en la obtención de jarabes glucosados. Se observa un mayor contenido de azúcares reductores en el almidón de yuca que en el de ñame. Sin embargo, en cuanto al contenido de amilosa y amilopectina, los dos tubérculos son semejantes, por lo tanto tienen el mismo potencial para obtener azúcares por medio de la hidrólisis. 3.2 HIDRÓLISIS ÁCIDA Tabla 3. Resultados de la hidrólisis ácida % Azúcares Reductores pH 1 2 Almidón Yuca 77,86 68,18 Ñame 54,22 44,53 Estos datos fueron analizados estadísticamente por medio del software Statgraphics Centurion sin tener en cuenta las interacciones que se presentan entre el tipo de almidón y el pH, y se tiene el siguiente análisis de varianza: Tabla 4. Resultados del análisis de varianza Fuente Suma de Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P EFECTOS PRINCIPALES A:pH 93,7992 1 93,7992 3751968,99 0,0003 B:Tipo 559,086 1 559,086 22363440,95 0,0001 RESIDUOS 0,000025 1 0,000025 TOTAL (CORREGIDO) 652,885 3 Se observa que el valor P para los dos factores: tipo de almidón y pH son menores de 0,05, por lo que se puede decir que son altamente significativos con un nivel de confianza del 95%. Esto quiere decir que el tipo de almidón usado y el pH al cual se llevó a cabo la hidrólisis ácida influyen en el porcentaje de azúcares reductores que se obtenga finalmente en los jarabes glucosados. TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 135 Los gráficos de medias mostrados en las siguientes figuras comprueban que con un pH de 1,0 el contenido de azúcares reductores en los jarabes glucosados es mayor. De acuerdo a lo reportado por Monsalve en el 2006 [8] con un pH de 0,8 en 5 horas lograron una conversión completa a azúcares reductores. Con relación al tipo de almidón usado, se puede concluir que con el almidón de yuca se obtuvo un mayor contenido de azúcares. Figura 1. Gráfico de medias para pH y tipo de almidón 3.3 HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA De acuerdo a los resultados reportados por el laboratorio de la facultad de química, y aplicando la ecuación (2) para hallar el ED, se tiene la siguiente tabla: Tabla 5. Resultados de la hidrólisis enzimática Almidón %Az. Red %Az. Tot. %Sólidos Totales ED °Bx Yuca 33,21 50,80 8,2 45 56 Ñame 31,02 52,03 15,20 20,5 58 Estos resultados se comparan con los de otros autores: Vidal [3] reportó valores de ED entre 18,82% y 78,99% para el ñame debido al uso que el autor empleó de numerosos tipos de enzimas y sus licuefacciones correspondientes. El resultado que obtuvo con la Licozyme al 36% es similar al obtenido en este trabajo con la misma enzima. Los mejores resultados los obtuvo con la enzima Promozyme al 46%. Por otro lado, Mera en el 2005 [1] obtuvo un ED de 40,72% para la yuca debido a la deficiente cristalización del jarabe. Así mismo, en la investigación realizada por Salcedo en el 2009 para CORPOICA [9] se llevó a cabo la hidrólisis enzimática de diferentes tipos de yuca obteniendo concentraciones de fructosa entre 4,2 y 22,4 %. Cuando se comparan estadísticamente los dos tipos de hidrólisis usadas se encuentra una diferencia estadística significativa entre los dos métodos y resulta que por medio de la hidrólisis ácida se obtienen jarabes glucosados con mayor contenido de azúcares reductores que con la hidrólisis enzimática. 1 2 Medias y 95,0% de Fisher LSD pH 56 58 60 62 64 66 68 % A R Yuca Ñame Medias y 95,0% de Fisher LSD Tipo 49 54 59 64 69 74 % A R TEJ ADA ET AL. PRODUCCI ÓN DE J ARABES POR HI DRÓLI SI S DE ALMI DONES ReCiTeIA - v.11 n.1b 136 Figura 2. Gráfico de medias para tipo de hidrólisis 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La obtención de jarabes glucosados a partir de materiales amiláceos como la yuca y el ñame es una buena alternativa que da como resultado un jarabe con alto contenido de azúcares reductores. La hidrólisis ácida resultó con un mayor rendimiento que la enzimática y puede ser usada debido a que el jarabe glucosado producido es para fines de obtener ácido poliláctico y no productos alimenticios. Para no afectar el balance de alimentos en las tierras cultivables adicionando un valor agregado a los productos agrícolas de la región, se recomienda el estudio de estas materias primas cuando se trate de productos que no cumplen las especificaciones de calidad requeridas para su consumo como comestible. 5 REFERENCIAS (1) MERA, I; CARRERA, J. Obtención de Glucosa a Partir de Almidón de yuca Manihot sculenta. Facultad de Ciencias Agropecuarias 3 (2005) 54-63 (2) FENNEMA, O. Química de los alimentos. Ed. Acribia s. a. 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Oficina 2007. Calle 13 No. 100 – 00. Ciudad Universitaria Meléndez. Tel. 321 21 00 ext. 2777, 321 23 92 e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 140 Visión general de la nanotecnología y sus posibilidades en la industria de alimentos Cristina Inés Álvarez Barreto Universidad del Valle – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas ............................................................................................................................ 141 Lista de Figuras ........................................................................................................................... 141 Resumen...................................................................................................................................... 142 1 Introducción ....................................................................................................................... 142 2 Justificación ....................................................................................................................... 143 3 Nanotecnología .................................................................................................................. 144 3.1 Definiciones ................................................................................................................................ 144 3.2 Objetivo general de la nanotecnología ........................................................................................ 145 3.3 Aplicaciones generales de la nanotecnología .............................................................................. 147 3.3.1 Producción de materiales y productos con nuevas propiedades. ........................................ 147 3.3.2 Mejoramiento de tecnologías existentes y desarrollo de nuevas aplicaciones. .................. 147 3.3.3 Optimización de principales condiciones para aplicaciones prácticas. .............................. 150 3.3.4 Otras aplicaciones .............................................................................................................. 150 3.4 Herramientas para fabricar nanoestructuras ................................................................................ 151 3.4.1 Instrumentos de detección por barrido ............................................................................... 151 3.4.2 Síntesis molecular .............................................................................................................. 152 3.4.3 Autoensamblaje ................................................................................................................. 152 3.4.4 Crecimiento de cristales a nanoescala ................................................................................ 153 3.4.5 Polimerización ................................................................................................................... 153 3.4.6 Nanoladrillos y construcción de bloques ........................................................................... 154 3.5 Herramientas para la medición de nanoestructuras ..................................................................... 154 3.5.1 Instrumentos de detección por barrido ............................................................................... 154 3.5.2 Espectroscopia ................................................................................................................... 155 3.5.3 Electroquímica ................................................................................................................... 156 3.5.4 Microscopia electrónica ..................................................................................................... 156 3.6 Aplicaciones de la nanotecnología en sector de alimentos .......................................................... 156 3.6.1 Procesamiento de alimentos ............................................................................................... 158 3.6.2 Empaques y recubrimientos ............................................................................................... 165 3.6.3 Liberación nutracéutica ...................................................................................................... 170 3.6.4 Seguridad y percepción ...................................................................................................... 174 3.7 Ventajas y riesgos ecológicos de la nanotecnología .................................................................... 175 3.7.1 Problemas de seguridad y riesgos potenciales de la nanotecnología. Nanotoxicidad de partículas nanofabricadas no alimentarias. ....................................................................................... 176 3.7.2 Riesgos potenciales a la salud en nanomateriales para alimentos ...................................... 178 3.8 Regulaciones de la nanotecnología y los nanoproductos ............................................................. 178 4 Conclusiones ...................................................................................................................... 180 5 Referencias bibliográficas .................................................................................................. 181 5.1 Urls recomendadas ...................................................................................................................... 182 6 Anexos ............................................................................................................................... 183 6.1 Glosario ....................................................................................................................................... 183 ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 141 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Aplicaciones de la nanotecnología en las tecnologías de la información ....... 148 Tabla 2. Aplicaciones de la nanotecnología en los sectores farmacéutico y médico ... 148 Tabla 3. Aplicaciones de la nanotecnología en el campo de la energía ....................... 149 Tabla 4. Vistazo de las potenciales aplicaciones de nanotubos de -lactoalbúmina en alimentos y productos farmacéuticos ................................................................................. 165 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Escala de tamaño y ejemplos de micro y nanocomponentes .......................... 146 Figura 2. Esquema de cómo una punta hace el barrido sobre una muestra (no está a escala) 155 Figura 3. Aplicación de una matriz de nanotecnología en la ciencia de alimentos. ...... 157 Figura 4. Esquema del proceso de electrospinning (HILLS) ......................................... 160 Figura 5. Nanotubos de carbón enrollados vistos con AFM. ......................................... 161 Figura 6. Nanotubos ....................................................................................................... 161 Figura 7. Micrografías de transmisión electrónica ......................................................... 163 Figura 8. Ejemplo de un posible material nanolaminado formado desde una proteína globular y un polisacárido. ................................................................................................. 167 Figura 9. Representación esquemática del cubrimiento de un objeto con multicapas usando un procedimiento sucesivo de inmersión y lavado. ............................................... 168 Figura 10. Posibles componentes que podrían ser usados para ensamblar películas comestibles multicapa o recubrimientos. ........................................................................... 169 Figura 11. Esquema para la formación de un número de nanocapas alrededor de partículas. 173 Figura 12. Resumen de métodos de manufactura de nanopartículas. .......................... 174 ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 142 Visión general de la nanotecnología y sus posibilidades en la industria de alimentos RESUMEN El objetivo principal del presente trabajo fue establecer el estado actual de la nanotecnología y sus posibilidades para la industria de alimentos, para lo cual se realizó una búsqueda de información que fuera de lo general a lo particular, es así como en la construcción del documento, se incluyen definiciones, aplicaciones, existencia de reglamentaciones y posibles riesgos de esta tecnología, desde un contexto global, para luego hacer una identificación de las principales aplicaciones en el sector de los alimentos. Con relación a la industria alimentaria, la nanotecnología ofrece interesantes posibilidades de aplicación, en aspectos relacionados con la producción, elaboración de materiales, investigación y desarrollo de productos, así como en el manejo de alimentos seguros, aunque puede observarse, que el campo de acción es amplio para este sector, la nanotecnología se ha ocupado en mayor medida, de otras áreas del conocimiento, en especial las que presentan fuertes fundamentos en las ciencias naturales. Es importante anotar, que el mundo nano, puede proveer respuestas a la solución de problemas o situaciones del mundo macro, por lo que esta “revolución diminuta” se está haciendo presente poco a poco en la cotidianidad humana, ayudando a sentar las bases para el continuo desarrollo, pero de la misma manera, podría ser promotora de condiciones de destrucción, es entonces cuando se hace necesario evidenciar las ventajas, desventajas y riesgos que puede acarrear, así como también fomentar la construcción de directrices legales que le den soporte, de tal manera, que las incertidumbres que se creen frente a su uso sean cada vez menores. Palabras clave: 1 INTRODUCCIÓN Desde el siglo pasado, grandes físicos como Richard Feynman, auguraban una gran cantidad de nuevos descubrimientos si se pudiera fabricar materiales de dimensiones atómicas o moleculares, por lo que con el transcurrir de los años se hizo posible inicialmente, observar las estructuras a escala atómica y, después, manipular átomos individuales. Estos procesos de fabricación son similares a los que ocurren en la naturaleza en donde se hace un amplio uso de mecanismos de autoensamblaje para crear estructuras a niveles muy pequeños, los cuales son optimizados disminuyendo la disposición del sistema a gastar grandes cantidades de energía, disminuyendo así las energías de activación requeridas. El trabajo que a continuación se presenta, hace una recopilación bibliográfica de una tendencia tecnológica que se está abriendo camino en la época más reciente y es aquella que lanza una mirada hacia las estructuras que no logramos percibir, las cuales están sujetas ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 143 a una manipulación creativa para la transformación o creación de diversos elementos, se está haciendo referencia a la Nanotecnología. Su importancia no sólo radica en la promoción del uso de materiales novedosos con fines particulares, sino también y por qué no decirlo, realizar un redescubrimiento a aquellas estructuras de tamaño nanométrico que han estado presentes desde los períodos más remotos de la evolución terrestre. La estructura dada de este documento, busca que quien lo lea, cuente con una visión general de la nanotecnología y sus múltiples aplicaciones en disciplinas que van desde las ciencias básicas hasta las aplicadas, para luego hacer una revisión más puntual en las potencialidades de esta tecnología en el sector de los alimentos como principal área de interés, ya que este campo ofrece todas las posibilidades para ser explorado. Como objetivo general se planteó establecer el estado actual de la nanotecnología y sus posibilidades para la industria de alimentos. 2 JUSTIFICACIÓN Quizás la más grande virtud de la nanotecnología es su versatilidad, lo que significa que puede estar a la disposición de cualquier ciencia o industria, por sus prometedoras aplicaciones que brindan la posibilidad de contar con resultados satisfactorios, además, por el trabajo que se realiza con ésta a nivel atómico y molecular, sus formas de utilización serían prácticamente infinitas. Es así, que el empleo de la nanotecnología podría conducir a la solución de muchos de los problemas del mundo actual. Con base en lo anterior, se indica que mediante técnicas de manipulación molecular, se podrían resolver situaciones de escasez de agua, optimización y desarrollo de procedimientos médicos, avances considerables en las tecnologías de la informática y las comunicaciones y curiosamente desde lo nano, apoyar la exploración del universo. Esto evidencia el gran valor de la nanotecnología, pero igualmente hay que ser cautos en el adecuado manejo que debe dársele, ya que se involucra una relación directa o indirecta con la naturaleza y con el manejo del sentido ético, que independiente del caso, debe conducir al sostenimiento armónico de la vida. Teniendo en cuenta además, que la industria alimentaria no es ajena a los procesos cambiantes de la humanidad, pues ha sido a partir de ésta donde muchos desarrollos para el mejoramiento de la calidad de vida se han dado y considerando que la nanotecnología está siendo considerada como la próxima revolución industrial, ésta se constituye en herramienta de inmensa utilidad para un continuo avance en los diferentes procesos que en este sector se adelantan. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 144 3 NANOTECNOLOGÍA “Hay infinidad de posibilidades en lo más profundo de la materia” Feynman (1960) 3.1 DEFINICIONES El término nanotecnología fue introducido por primera vez por el ingeniero japonés Norio Taniguchi. Originalmente, el término implicó una nueva tecnología que iba más allá del control de los materiales y la ingeniería a escala micrométrica, la cual tuvo dominio en el siglo XX. Sin embargo, el significado actual de la palabra, se relaciona más cercanamente a la formulación visionaria de Eric Drexler y corresponde a la manipulación átomo por átomo, metodología del procesamiento de tecnología dura. Aunque debido a muchos conceptos erróneos, más tarde la aproximación al nanodiseño está hoy generalmente referida al “ensamblaje molecular” (Uskokovic, 2007). A continuación se presentan algunas definiciones para esta tecnología: 1. La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican a un nivel de nanoescala, esto es, unas medidas extremadamente pequeñas "nanos", que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis, llevar a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala. Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas (Euroresidentes, 2000). 2. Nanotecnología es el arte y ciencia de fabricación de materiales, aparatos y sistemas con muy pequeña, pero muy precisa arquitectura, que son invisibles a los microscopios ópticos (Munshi et al., 2007). 3. Nanociencia y nanotecnología son el entendimiento y manipulación de materiales en escalas atómica, molecular y macromolecular (Chau et al., 2007). 4. La nanotecnología se enfoca en la caracterización, fabricación y manipulación de estructuras biológicas y no biológicas más pequeñas que 100 nm. Las estructuras en esta escala han mostrado tener propiedades funcionales novedosas. Consiguientemente, el interés y actividades en esta área de investigación, se han incrementado enormemente en comparación con años anteriores. De acuerdo con el National Nanotechnology Initiative (NNI) (2006); “Nanotecnología es el entendimiento y control de la materia en dimensiones de aproximadamente 1 a 100 nanómetros, donde aplicaciones nuevas de fenómenos únicos ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 145 se hacen posibles. Abarcando ciencia a nanoescala, ingeniería y tecnología, la nanotecnología implica imaginación, medición, modelamiento y manipulación de la materia en esta escala de longitud. Con el incremento en la consolidación de oportunidades e intereses en este campo, el término “nano”, es más frecuentemente y a menudo libremente usado, el cual ha conducido a críticas entre la comunidad científica. Ya sea justificado o no, podría ser entendido que el campo entero de la nanociencia es esencialmente un derivado ecléctico de disciplinas establecidas, tales como química, tecnologías de microfabricación, entre otras. Sin embargo, usar el término “nano” conduce a los investigadores a lo más notable, al hecho que procesos (por ejemplo, nanomanufacturados) o materiales estructurales (por ejemplo, nanomateriales), sean diseñados y optimizados al usar propiedades específicas y comportamientos en longitudes de 10 -7 a 10 -9 m (Weiss et al., 2006). Para complementar las definiciones dadas sobre nanotecnología, en la figura 1 se establece una comparación entre tamaños de diferentes materiales. 3.2 OBJETIVO GENERAL DE LA NANOTECNOLOGÍA El objetivo actual de los científicos que investigan los nanomateriales, es controlar la morfología (nanoclusters, nanoondas, nanotubos), estructura, composición y las características de tamaño que definen las propiedades físicas de los materiales resultantes. El creciente interés en los nanomateriales, es la consecuencia natural de los avances y refinamientos del conocimiento acerca de la manipulación creativa de la materia. Y más precisamente, las propiedades de los nanomateriales son magnificadas, emergiendo las características más inusuales e inesperadas. Sin embargo, mientras la habilidad científica para realizar cambios artificiales en las características de la naturaleza, se ha incrementado con el paso del tiempo, y los científicos se han capacitado para producir nanoestructuras extraordinariamente complejas, es de recordar, que las nanopartículas han estado presentes desde el inicio de la vida planetaria y aparece más recientemente en la destreza de la humanidad de producir arte, herramientas y maquinaria (Uskokovic, 2007). Otro aspecto a tener en cuenta, es que las nanotecnologías se enfocan en el diseño, caracterización, producción y aplicación de sistemas y componentes a nanoescala. Los límites entre las regiones físicas de lo macroscópico, microscópico y nanoscópico no están bien definidas y ellos dependen de los efectos a ser considerados. No obstante, la reducción del tamaño del grano de un material por debajo de ciertos límites, resulta en la aparición de cualquier novedad o cambio en el material. Por otro lado, disciplinas específicas dentro de la ciencia de materiales, están normalmente divididas con base en las propiedades de los mismos, un desconocimiento de la transición ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 146 de lo macro a lo nano, ofrece la oportunidad de salvar las brechas impuestas y crear un nuevo campo multidisciplinario de nanociencia (Uskokovic, 2007). Figura 1. Escala de tamaño y ejemplos de micro y nanocomponentes ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 147 3.3 APLICACIONES GENERALES DE LA NANOTECNOLOGÍA Considerando que la nanotecnología representa una de las tecnologías con mayor potencial para promover el desarrollo de la humanidad en diferentes áreas, a continuación se presentan diferentes campos donde ésta puede ser aplicada. 3.3.1 Producción de materiales y productos con nuevas propiedades. Se puede citar para este caso, que sustancias insolubles llegan a solubilizarse, o que aislando compuestos, llegan a ser conductivos cuando sus partículas constitutivas son reducidas a nanotamaño. Por ejemplo, el oro es un material inerte y no reactivo en un volumen atómico simétrico, pero llega a convertirse en un catalizador altamente eficiente cuando la transición a nanoescala es introducida; nanopartículas de plata exhiben propiedades bioactivas, que no tienen cuando están como partículas de mayor tamaño. La suavidad del carbón maleable en la forma de grafito, llega a ser tan fuerte como el acero, y el aluminio puede espontáneamente actuar como combustible o aún, ser usado como carburante de cohetes siguiendo su transición a nanoescala. Algunos experimentos han conducido a enormes cantidades de datos sobre las transiciones de lo micro a lo nano, y aún no hay un esquema teórico por el cual podría ser posible predecir, cómo los materiales en general podrían comportarse cuando se reducen a nanorangos (Uskokovic, 2007). Contribución a soluciones de problemas ambientales. Como aplicaciones se encuentran: Membranas selectivas capaces de filtrar contaminantes o la sal del agua, trampas nanoestructuradas para retirar los contaminantes de los desechos industriales, caracterización de los efectos de las nanoestructuras en el medio ambiente, reducción importante en el uso de materiales y energía, reducción de las fuentes de contaminación, nuevas posibilidades de reciclaje (CST, 2006). 3.3.2 Mejoramiento de tecnologías existentes y desarrollo de nuevas aplicaciones. En cuanto al desarrollo de nuevas aplicaciones, una prospectiva de las aplicaciones de la nanotecnología se muestra a continuación: ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 148 Tabla 1. Aplicaciones de la nanotecnología en las tecnologías de la información Previo al 2015 Materiales / técnicas Aplicaciones Escala temporal (comercialización) Estructuras de pozos cuánticos Telecomunicaciones / industria de la óptica. Potencial para aplicaciones en el desarrollo de lásers utilizados en la transmisión de datos. Láser de pozos cuánticos utilizada en los lectores de CD. No ha sido optimizada para el campo de las comunicaciones (en 4-6 años). Estructuras de puntos cuánticos Utilización de comunicaciones por fibras ópticas para construir computadoras. Puntos cuánticos en la etapa de la investigación (en 7-8 años). Tecnologías de cristales fotónicos Sector de las comunicaciones por fibras ópticas. Los circuitos fotónicos integrados pueden, en teoría, ser mil de veces más densos que los circuitos electrónicos. Las nuevas propiedades y la contención crean la posibilidad de crear dispositivos que consuman mucho menos energía. En la etapa de la investigación y desarrollo. Gran interés comercial. Nanotubos de carbono en nanoelectrónica Memoria y almacenamiento: prototipos comerciales de memorias vivas (RAM), de pantallas y de papel electrónico (E-paper). Pantallas planas disponibles. Prototipos comerciales de memorias vivas. Pronta comercialización del papel electrónico. Spintrónica : uso del « spin » del electrón en electrónica Discos rígidos de capacidad ultra- alta y memorias de computadoras. Demostración de cabezales de lectura. Posterior al 2015 Electrónica molecular (incluyendo computadoras con ADN) Circuitos basados en una molécula y transistores de un electrón. Demostración de un transistor de un electrón. Tecnología inmadura pero de gran potencial. Fuente: Commission de l’Ethique de la Science et de la Technologie, 2006. Tabla 2. Aplicaciones de la nanotecnología en los sectores farmacéutico y médico Materiales / técnicas Propiedades Aplicaciones Escala temporal (comercialización) Diagnóstico Marcadores nanométricos Detección de pequeñas cantidades de una substancia, hasta una molécula. Detección de células cancerígenas. Largo plazo. Laboratorio en un chip (lab- on-a-chip) Miniaturización y aumento de la velocidad del proceso de análisis. Laboratorios portátiles miniatura para la industria química, control y prevención de enfermedades, medio ambiente. Comercializado, alto costo. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 149 Tabla 2. Aplicaciones de la nanotecnología en los sectores farmacéutico y médico Materiales / técnicas Propiedades Aplicaciones Escala temporal (comercialización) Liberación de medicamentos Nanopartículas (50-100 nm) Capaces de penetrar los poros de las células cancerígenas. Tratamiento del cáncer Largo plazo. Polímeros Estas moléculas pueden ser moduladas con gran precisión. Transporte nanobiológico de medicamentos. Largo plazo. Ligandos sobre nanopartículas Estas moléculas pueden ser moduladas con gran precisión. Los ligandos son capaces de reconocer tejidos dañados y liberar medicamentos en ese lugar preciso. Largo plazo. Nanocápsulas Capaces de atravesar el sistema inmunitario para transportar directamente el agente terapéutico hacia el lugar indicado. Tratamiento del SIDA y del cáncer. Ensayos clínicos sobre los fullerenos de Buckminster («buckyballs») para el tratamiento del SIDA. Materiales nanoporosos Capaces de atravesar el sistema inmunitario para transportar directamente el agente terapéutico hacia el lugar indicado. Implantes para la liberación controlada de medicamentos. Nivel pre-clínico del tratamiento de la diabetes. Membranas nanoporosas Selección de biomoléculas. Análisis de genes y secuencias. Comercializado. Regeneración, crecimiento y reparación de tejidos Prótesis Miniaturización, pérdida de peso, aumento de resistencia, mejor biocompatibilidad. Retina, columna vertebral. Primeros productos comerciales serán probablemente injertos para tejidos externos. Luego, dientes, implantes óseos, tejidos internos. Manipulación celular Manipulaciones y contención de células. Reemplazo de tejidos nerviosos, crecimiento de órganos de reemplazo. 6-7 años. Fuente: Commission de l’Ethique de la Science et de la Technologie, 2006. Tabla 3. Aplicaciones de la nanotecnología en el campo de la energía Materiales / técnicas Aplicaciones Escala temporal (comercialización) Producción de energía Materiales poliméricos Células solares. 5 años. Combinación de moléculas orgánicas e inorgánicas Células solares. Tratamiento fotocatalítico del agua. El proceso de fabricación podría ser muy poco costoso. Comercialización actual, pero limitada. Las aplicaciones con poca utilización de energía serán comercializadas antes. Pozos cuánticos Células solares de pozos cuánticos. La absorción de una mayor proporción del espectro solar permitiría aumentar la eficiencia de las células solares. Investigación fundamental. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 150 Tabla 3. Aplicaciones de la nanotecnología en el campo de la energía Materiales / técnicas Aplicaciones Escala temporal (comercialización) Conversión de carburante / almacenamiento Catalizadores nanoestructurados Conversión de carburante. Actual – 5 años. Nanotubos Almacenamiento de carburante: hidrógenos, metano para pilas de combustible. 2-5 años. Nanopartículas Mejora de la capacidad de las baterías. Largo plazo. Hidruros metálicos nanoestructurados Almacenamiento de hidrógeno para pilas de combustible. 1-5 años Fuente: Commission de l’Ethique de la Science et de la Technologie, 2006. 3.3.3 Optimización de principales condiciones para aplicaciones prácticas. Para este aspecto se citan dos casos: 1. Industrias química y de materiales: Como ejemplos de aplicación están: Catalizadores que aumentan la eficiencia energética de las fábricas de transformación química y que aumentan la eficiencia de la combustión de los vehículos a motor (lo que disminuye la contaminación), herramientas para cortar más duras y resistentes, fluidos magnéticos inteligentes para lubricantes, filtros para separar moléculas (CST, 2006). 2. Exploración del espacio: Entre las aplicaciones se encuentran: Vehículos espaciales más ligeros, producción y gestión más eficiente de energía, sistemas de robots pequeños y eficaces (CST, 2006). 3.3.4 Otras aplicaciones Otras aplicaciones incluyen: Materiales inteligentes: Como ejemplos de estos materiales se tienen: Materiales compuestos multifuncionales que absorben las vibraciones (con lo que reduce la contaminación sonora). Están equipados con sensores que se activan cuando el material comienza a vibrar. La señal del sensor es entonces procesada por un regulador, el cual controla los actuantes integrados, de manera de que absorban las vibraciones. Milimétricas fibras cerámicas son utilizadas para convertir la tensión mecánica o térmica en señales eléctricas (Discovery-Channel). Así mismo, también se encuentran: Polímeros piezoeléctricos: Cambian su forma o se deforman ante un impulso eléctrico, ante la presión de deformación, producen un impulso eléctrico; y Metales con efecto de memoria: Tienen la capacidad de cambiar su forma o deformarse de forma controlada al alcanzar cierta temperatura (Wikipedia, 2004). Sensores: Los sensores son estructuras que responderán en una forma reconocible a la presencia de algo que se desee detectar. Hay sensores para temperatura, agua, luz, sonidos, electricidad, moléculas particulares y objetivos biológicos específicos, tales como bacterias, toxinas, explosivos o ADN (Ratner et al., 2002). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 151 Bioestructuras a nanoescala: Estructuras diseñadas a nanoescala, que pueden imitar o simular procesos biológicos o interactuar con entidades biológicas (Ratner, et al., 2002). Captura, transformación y almacenamiento de energía. Se tienen aplicaciones como: Nuevos tipos de baterías, fotosíntesis artificial capaz de producir energía de manera ecológica, almacenamiento seguro del hidrógeno para su utilización como combustible limpio, economía de energía resultante del uso de materiales más ligeros y más pequeños circuitos, recubrimientos nanoestructurados, pilas con combustible, pilas solares, catalizadores (CST, 2006). Electrónica y comunicaciones: El empleo de la nanotecnología en esta área incluye: Grabación de datos con métodos que utilizan nanocapas y puntos cuánticos, pantallas planas, tecnología inalámbrica, captores, nuevos aparatos y procesos en el campo de las tecnologías de la información y de la comunicación, velocidad de tratamiento y capacidad de grabación menos costosas, millones de veces más rápidas que los métodos actuales y que consumen menos energía (CST, 2006). Milicia: En este sector se tiene: Detectores y correctores de agentes químicos y biológicos, circuitos electrónicos mucho más eficientes, materiales y recubrimientos nanoestructurados mucho más resistentes, textiles ligeros que se autorreparan, reemplazo de la sangre, de los sistemas de vigilancia en miniatura, nuevos tipos de armas (CST, 2006). Es importante mencionar, que los materiales de tamaños muy pequeños, tienen en algunos casos propiedades novedosas notables. En campos como la óptica, mecánica, electricidad, estructuras y magnetismo, se han encontrado comúnmente estos elementos con significativa importancia. Algunos atributos clave incluyen: Tamaño de grano en el orden de 10 -9 m (1 – 100 nm). Extremadamente amplia área superficial específica. Aplicaciones estructurales y no estructurales. Materiales más fuertes y dúctiles. Materiales químicamente muy activos. Y manifiesta fascinación y propiedades útiles (Lines, 2008). 3.4 HERRAMIENTAS PARA FABRICAR NANOESTRUCTURAS 3.4.1 Instrumentos de detección por barrido Los instrumentos de detección por barrido pueden ser usados no sólo para ver las estructuras, sino también para manipularlas. Generalmente, objetos pequeños (los cuales podrían ser átomos individuales o moléculas individuales) pueden ser movidos sobre una superficie, ya sea empujándolos o recogiéndolos sobre la punta del detector, el cual se mueve alrededor y los coloca de nuevo en posición. Para ambos casos, el barrido actúa como una especie de retroexcavadora a nanoescala. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 152 Este método presenta dos limitaciones: es relativamente costoso y relativamente lento. Es excelente para investigar, pero si la nanotecnología llega a ser una fuerza real, podría ser capaz de fabricar nanoestructuras muy económicas (Ratner, et al., 2002). 3.4.2 Síntesis molecular La producción de moléculas con estructuras moleculares particulares es una de las partes más activas y maravillosas de la química. La síntesis molecular es la fabricación de moléculas específicas para propósitos determinados, ya sea con un objetivo puramente científico o con fines de aplicación muy especiales. Hay un extenso trabajo en síntesis molecular en compañías de drogas, y muchos de los medicamentos modernos incluyendo Penicilina, Lipitor, Taxol y Viagra, son los productos de una síntesis química compleja. Además de las propiedades químicas y de composición de una molécula, la síntesis a nanoescala debe estar relacionada con la disposición física y de construcción de nanoestructuras. Es una técnica que involucra la manipulación de átomos uno por uno, lo que resulta que sea claramente lenta y engorrosa, especialmente si se desea hacer materiales voluminosos como drogas encapsuladas para tratar a las personas (Ratner, et al., 2002). 3.4.3 Autoensamblaje La idea detrás del autoensamblaje es que las moléculas siempre buscarán los niveles de energía más bajos de los que disponen. Si uniéndose a una molécula adyacente se alcanza este propósito, las moléculas se unirán. Si reorientando su posición física se satisface el nivel de energía deseado, ellas se reorientarán. Una forma de imaginar el autoensamblaje es imaginar una brújula. Si se sacude, puede causarse que la aguja esté en un punto en al menos cualquier dirección por un instante, pero una vez se detiene su movimiento, la aguja finalmente se reorienta en un punto de sur a norte. Hay un pequeño imán en la aguja, y esta orientación sur a norte minimiza su energía con respecto al campo magnético de la Tierra. No se necesita hacer ningún trabajo sobre la aguja para conseguir esto, lo hace naturalmente. Las técnicas de autoensamblaje están basadas en la idea de la fabricación de componentes que como la aguja de la brújula, naturalmente se organicen a si mismas en la forma en que se desee (Ratner, et al., 2002). Las fuerzas involucradas en el autoensamblaje, son más débiles que las fuerzas de unión que mantienen a las moléculas juntas. Ellas corresponden a aspectos más débiles de las interacciones de Coulumb y se han establecido en muchos sitios en toda la naturaleza. En el autoensamblaje, el nanoconstructor introduce átomos particulares o moléculas dentro de una superficie o dentro de una nanoestructura preconstruida. Entonces, las moléculas se alinean (ellas mismas) dentro de posiciones particulares, algunas veces formando uniones débiles y otras veces formando uniones covalentes fuertes, en orden de minimizar la energía total. Una de las enormes ventajas de tal ensamblaje, es que pueden prepararse grandes estructuras de esta forma, así no es necesario cortar o formar individualmente las nanoestructuras específicas. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 153 El autoensamblaje, al menos será el método preferido para la fabricación de grandes arreglos estructurales, tales como memorias para computador. Pero este método, no se limita a aplicaciones electrónicas, estructuras autoensambladas pueden ser usadas para algunas cosas tan triviales como la protección de una superficie contra la corrosión o la fabricación de una superficie resbaladiza, pegajosa, húmeda o seca. El autoensamblaje, es probablemente la más importante técnica de la fabricación a nanoescala, por su generalidad, ofrecer habilidad para producir estructuras en diferentes longitudes de escala y su bajo costo (Ratner, et al., 2002). 3.4.4 Crecimiento de cristales a nanoescala El crecimiento de cristales es otra clase de autoensamblaje. Cristales como la sal, están hechos de átomos llamados cristales atómicos, u otro tipo de compuestos, están basados en moléculas, llamadas cristales moleculares. Así la sal (cloruro sódico) es un cristal iónico y el azúcar (sacarosa C 12 H 22 O 11 ) es un cristal molecular. El crecimiento de cristales es en parte arte y en parte ciencia. Los cristales pueden ser desarrollados desde soluciones usando semillas de cristales, las cuales implican poner un pequeño cristal en la presencia de más de sus materiales componentes (usualmente en solución) y permitiendo a estos componentes imitar el modelo del pequeño cristal o semilla. Realizando una hábil selección de las semillas de cristales y de las condiciones de crecimiento, es posible provocar que los cristales asuman formas inusuales para diferentes fines (Ratner, et al., 2002). 3.4.5 Polimerización Los polímeros son moléculas muy grandes. Ellos pueden ascender a millones de átomos en tamaño, y son el resultado de la unión repetitiva de pequeñas unidades moleculares (monómeros). La polimerización es un esquema muy comúnmente usado para la fabricación de materiales a nanoescala y de otras aún más grandes. Ordinariamente, polímeros industriales como poliestireno, polietileno o polivinilcloruro, están hechos por la construcción de moléculas extremadamente grandes, con numerosos pasos que ocurren secuencialmente. La polimerización controlada, en la cual un monómero en el tiempo es adicionado hasta el siguiente, es muy importante para obtener estructuras específicas. Por ejemplo, la construcción de secuencias de ADN es crucial por muchas razones. En la biotecnología moderna, estas secuencias específicas son usadas para construir nuevas estructuras biológicas (drogas, materiales, proteínas), basados en la habilidad de las bacterias para reproducirse a sí mismas. Una plantilla sintética de ADN es introducida dentro del ADN bacteriano y la bacteria produce entonces muchas copias de esa proteína en particular. La modificación del ADN de la bacteria es efectuada, usando una serie de reacciones químicas y se emplean además, máquinas de ensamblaje para preparar los cortos ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 154 oligonucleótidos para modificar el ADN bacteriano. Un buen ejemplo de cómo podría usarse esto, es la fabricación de la proteína insulina para el tratamiento de la diabetes. Igualmente, se usa en forma amplia, la combinación de secuencias específicas cortas de ADN y autoensamblaje, para hacer materiales en los cuales un hilo simple de ADN se une a otro hilo simple de ADN, este proceso es llamado hibridización; este tipo de autoensamblaje está presente en la naturaleza y es así, como las réplicas de ADN pueden multiplicar las células. Muchas aplicaciones sintéticas de este reconocimiento molecular complementario son usadas en nanociencia (Ratner, et al., 2002). 3.4.6 Nanoladrillos y construcción de bloques Usualmente las nanoestructuras son construidas empezando con el montaje de grandes bloques, moléculas o componentes. A menudo, se emplea la débil interacción del grupo sulfuro con la superficie del oro, para construir adherentes, adhesivos y películas regulares de grandes moléculas, estas moléculas son llamadas tioles alcalinos. Alcalino significa, una larga cadena de uniones de carbono de exactamente la misma clase, como la presente en el polietileno. El tiol, se refiere al sulfuro en la parte final de esos enlaces (autoensambles) sobre la superficie del oro para formar una monocapa. La monocapa puede ser de nanómetros de espesor y más grande en las otras dos dimensiones. Además de la clase individual de moléculas que podrían ser establecidas en laboratorios de química, algunos bloques muy nuevos de construcción semimolecular, son usados para ensamblar nanoestructuras. Dos de estas nanoestructuras son así llamadas nanotubos de carbón (preparado por primera vez por Sumio Iijima en Tokio) y nanovarillas, estas últimas, pueden estar hechas por fuera de silicona, otros semicondutores, metales o aislantes. Estas nanovarillas son hechas usando con destreza métodos de solución química, pero ellas pueden autoensamblarse en estructuras más grandes a nivel nanoescala (Ratner, et al., 2002). 3.5 HERRAMIENTAS PARA LA MEDICIÓN DE NANOESTRUCTURAS 3.5.1 Instrumentos de detección por barrido Algunos de los primeros instrumentos que pusieron en operación la revolución de la nanociencia fueron los instrumentos de detección por barrido. En mediciones de detección por barrido, el instrumento se desliza sobre la superficie como lo harían los dedos al frotar un material. Por ejemplo, en microscopía de fuerza atómica (AFM), se sondea la superficie de una muestra con una punta fina, de varias micras de longitud y menos de 100 de diámetro; la punta está en el extremo libre de un soporte (cantilever), de 100 a 200 micras de longitud. Fuerzas entre la punta y la superficie de la muestra, producen deflexiones en el soporte que son medidas mientras la punta rastrea la muestra, o la muestra es movida debajo de la punta. Las medidas de las deflexiones del soporte permiten a un computador construir la imagen de la topografía de la muestra (Castellanos G., 2006). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 155 En la microscopía de barrido de túnel (STM), la superficie de la muestra se barre en un rastreo programado mediante una punta metálica muy fina; la punta se mantiene a una distancia constante por encima de la superficie durante todo el barrido. El movimiento de la punta hacia arriba y hacia abajo refleja, por tanto, la topografía de la superficie. Para mantener constante la distancia de la punta a la muestra, se aplica una corriente por efecto túnel entre la punta y la superficie de la muestra, que se controla y se mantiene constante, la corriente por efecto túnel se genera mediante un voltaje, que se aplica entre la muestra y la punta (Castellanos G., 2006). Dependiendo de la forma de la medición hecha, el STM puede ser usado para cualquier evaluación de geometría local o medir las características puntuales de conducción eléctrica (Ratner, et al., 2002). También existen otros tipos de microscopía de barrido, como la microscopía de fuerza magnética (MFM), donde la punta que barre a través de la superficie es magnética y es usado para percibir la estructura magnética local en una superficie. En todas estas técnicas de microscopía, la idea importante es que una punta nanoescala se deslice o barra por encima de la superficie, y son usadas para investigar la estructura nanoescala por la medición de fuerzas, corrientes, identidad química u otras propiedades específicas. Los instrumentos de detección por barrido, hacen posible ver objetos de dimensiones atómicas por primera vez, los cuales han sido básicos para la medición y entendimiento de estructuras a nanoescala (Ratner, et al., 2002). En la figura 2, se muestra un esquema del funcionamiento en general de este tipo de instrumentos. Figura 2. Esquema de cómo una punta hace el barrido sobre una muestra (no está a escala) Fuente: (Cross, 2003). 3.5.2 Espectroscopia La espectroscopia se refiere al efecto de la luz brillante (de un color específico) sobre una muestra y observar la absorción, dispersión u otras propiedades del material bajo esas condiciones. La espectroscopia es una técnica más vieja y general que la microscopia de barrido y ofrece muchas apreciaciones complementarias. En el análisis de nanoestructuras, son usadas muchas clases de instrumentos de espectroscopia de diferentes energías lumínicas. La dificultad usual es que todas las luces tienen una longitud de onda característica y esto no es de mucho uso en el estudio de estructuras más pequeñas que su longitud de onda. Como la luz visible tiene un longitud de onda aproximadamente entre 400 y 900 nm, es claro que tampoco ayuda mucho al observar ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 156 un objeto de unos pocos nanómetros en tamaño. La espectroscopia es de gran importancia para la caracterización de estructuras en masa, pero la mayoría de tipos de espectroscopios no explican acerca de la estructura en la escala de nanómetros (Ratner, et al., 2002). 3.5.3 Electroquímica La electroquímica se relaciona con la manera como procesos químicos pueden ser cambiados por la aplicación de corrientes eléctricas y como corrientes eléctricas, pueden ser generadas de reacciones químicas. Los aparatos electroquímicos más comunes son baterías que producen energía de reacciones químicas. El proceso opuesto es visto en el galvanizado, en donde los metales están hechos para formarse sobre superficies por iones metálicos cargados positivamente, que absorben electrones de la corriente que fluye a través de la superficie a ser recubierta y convertirse en metales neutrales. La espectroquímica es ampliamente usada en la manufactura de nanoestructuras, pero también puede ser empleada en su análisis. Usando la electroquímica, se puede medir directamente la naturaleza de un arreglo de átomos superficiales, así mismo, a menudo se emplean técnicas avanzadas de electroquímica tanto para la construcción, como la investigación de nanoestructuras (Ratner, et al., 2002). 3.5.4 Microscopia electrónica Antes del desarrollo de las técnicas de detección por barrido, estaban disponibles métodos que podían mostrar nanoestructuras individuales. Estos métodos se basaban en el uso de electrones más bien luminosos, para examinar la estructura y el comportamiento del material. Hay diferentes tipos de microscopia electrónica, acordes con la misma idea general. Los electrones son acelerados y pasados a través de la muestra. Así los electrones encuentran el núcleo y otros, se esparcen. Al colectar los electrones que no se esparcieron, se puede construir una imagen que describa en donde estaban las partículas que no atravesaron los electrones. Las imágenes de la microscopia de transmisión electrónica (TEM) pueden tener una resolución suficiente para ver átomos individuales, pero las muestras podrían ser coloreadas antes de obtenerse las imágenes. Adicionalmente, el TEM puede sólo medir estructura física, no fuerzas como la de los campos magnéticos o eléctricos. Todavía, la microscopia electrónica tiene muchos usos y es extensamente aplicada en el análisis e interpretación de nanoestructuras (Ratner, et al., 2002). 3.6 APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA EN SECTOR DE ALIMENTOS La nanotecnología ha sido recomendada como la próxima revolución en muchas industrias, incluyendo las de procesamiento y empaque de alimentos. Las aplicaciones de la nanotecnología en la industria de alimentos pueden incluir nanopartículas que se liberan en los sistemas (por ejemplo, micelas, liposomas, nanoemulsiones, y nanopartículas biopoliméricas), alimentos seguros y bioseguridad, así como nanotoxicidad. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 157 Las ventas a nivel mundial de los productos nanotecnológicos en el sector de empacado de alimentos y bebidas, dieron un salto en Estados Unidos de US$150 millones en 2002 a US$860 millones en 2004. El valor de la aplicación de la nanotecnología en alimentos se espera que llegue a US$20.4 billones en 2010. Aunque muchos científicos podrían sostener que la industria ha abarcado a su alrededor la nanotecnología, solamente investigaciones limitadas en nanotecnología han sido realizadas en alimentos y productos relacionados y el desarrollo global de nanoalimentos está indicado en su estado inicial. De hecho, la industria de alimentos está empezando a darse cuenta del completo potencial de la nanotecnología (Chau, et al., 2007). A nivel empresarial, Alimentos Kraft fue el primero en dar inicio en el año 2000 de un laboratorio de nanotecnología y su consorcio “Nanotek”, involucra 15 universidades a nivel mundial y laboratorios nacionales de investigación. En 2004 estimó que había más de 180 aplicaciones de la nanotecnología en varios estados de desarrollo en la industria de alimentos mundial. Así en marzo de 2006, un estudio de nanotecnología basado en productos de consumo, estimó que por encima de 200 de los productos de consumo fabricados, identificados como “nano”, están disponibles comúnmente y cerca del 59% y 9% de los productos están categorizados como “Saludables y de mantenimiento a la salud” (categoría más amplia) y “Alimentos y Bebidas”, respectivamente (Chau, et al., 2007). Así mismo, “Nanotek” está desarrollando productos alimenticios personalizados que reconocen el perfil nutricional y de salud de un individuo (osteoporosis, colesterol, alergias, deficiencias vitamínicas) y, en función a estos datos, liberan las moléculas apropiadas y retienen otras. Además, está explorando la posibilidad de fabricar bebidas interactivas que cambian de color y sabor a gusto del consumidor. A través de la siguiente figura se pueden visualizar los campos de aplicación de la nanotecnología en el sector de alimentos. Figura 3. Aplicación de una matriz de nanotecnología en la ciencia de alimentos. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 158 Con base en lo anteriormente esquematizado, se ha hecho para un mayor entendimiento, una división en cuatro campos de los potenciales usos de la nanotecnología en la industria de alimentos, así: Procesamiento de alimentos, Empaques y recubrimientos, Liberación Nutracéutica y Seguridad y Percepción. 3.6.1 Procesamiento de alimentos En forma general se tienen las siguientes aplicaciones: Alimentos y bebidas interactivas que dan los sabores y colores deseados, por la adición de nanocápsulas, las cuales estallan en diferentes frecuencias de microondas. El Centro Nacional de Nanotecnología de Israel y el Centro Nacional de Nanotecnología de Estados Unidos, han explorado las aplicaciones de la nanotecnología en la purificación y tratamiento del agua, con enfoque en áreas tales como membranas y procesos con membranas, bioincrustaciones y desinfección, así como remoción de contaminantes. Desarrollo de formulaciones a nanoescala de diferentes plantas herbales tradicionales, por la reducción de las hierbas a polvos o emulsiones nanoescala. Micronización de esporas de ganoderma a polvos ultrafinos por técnica top-down, resultando en la ruptura de las paredes celulares y la liberación de los ingredientes potencialmente activos. Refinación de aceite de fritura por dispositivo catalítico (hecho de material nanocerámico), inhibe la polimerización térmica del aceite de fritura y reduce malos olores. Nanotubos duros de longitud micrométrica hechos de proteínas lácteas para autoensamblaje, tienen uso potencial como ingredientes novedosos para viscosidad, gelificación, nanoencapsulación y propósitos deseados (Chau, et al., 2007). 3.6.1.1 Caso de aplicación específico en el procesamiento de alimentos: Aceites y grasas. En cuanto a aceites y grasas, el uso de la nanotecnología está descrito de proveer ahorro de costos, prolongando la vida útil del producto e incrementando los beneficios en la salud. En los Estados Unidos, la nanotecnología ha facilitado una rápida respuesta a la nueva legislación sobre producción de alimentos saludables. Desde enero de 2006, productos que contengan al menos 0.5 g / por porción de grasas trans, requieren etiquetas apropiadas. En marzo de 2006, se puso en marcha un aceite de fritura, el cual contiene nanopartículas que extienden significativamente la vida útil del aceite. La descomposición del aceite es suprimida vía partículas catalíticas fundidas de nanocerámica, las cuales reducen la degradación oxidativa. Las grasas basadas en nanotecnología, son útiles probablemente como recubrimientos para productos farmacéuticos, habilitando los medicamentos para ser liberados en el sitio correcto del organismo. Cabe anotar, la notable falta de información toxicológica para nanomateriales (OFI, 2006). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 159 A nivel comercial, existen catalizadores diseñados para prolongar significativamente la frescura de los aceites mientras se están usando en fritura profunda, inhibiendo el proceso de polimerización térmica en el aceite de fritura, con los efectos de disminuir su deterioro y conservando el ascenso de la viscosidad(oilfresh.com, S/A). 3.6.1.2 Caso de aplicación específico en el procesamiento de alimentos: Nanofibras. La producción de fibras con diámetros menores que 100 nm es ahora factible con la invención de procesos de electrospinning. Electrospinning, es una tecnología de manufactura capaz de producir delgados y sólidos hilos de polímeros desde una solución, por la aplicación de un fuerte campo eléctrico a una hilera con un orificio capilar pequeño. Generalmente, las fibras del polímero electrohiladas, tienen un rango de tamaño de 10 a 1000 nm en diámetro y pueden exhibir funcionalidad inusual con respecto a sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas. Por la gran relación superficie – volumen, estas fibras han mostrado ser excelentes materiales para producir prótesis médicas, protectores para ropa y aparatos electrónicos (nanotubos de carbón). Este procesamiento tecnológico puede tener algunas aplicaciones nuevas dentro de la industria de alimentos, en la producción de materiales con propiedades novedosas o mejoradas. La idea general de producir fibras desde una solución polimérica usando una fuerza electrostática, fue propuesta por primera vez en patentes citadas desde 1934 a 1944. Los filamentos poliméricos son formados en la solución entre dos electrodos que están cargados opuestamente, con un electrodo sumergido en la solución polimérica y el otro conectado a un colector. La aplicación de un alto campo de voltaje eléctrico induce una carga en la superficie del líquido alrededor del tubo capilar usado para expulsar el polímero del solvente. Los polímeros mutuamente cargados y las moléculas del solvente subsecuentemente se repelen cada una y son atraídas por el electrodo cargado contrariamente. Como una consecuencia, la superficie hemiesférica del fluido en la punta del capilar es desfigurada para crear un cono de Taylor, el cual es el cono observado en procesos en electrospray e hidrodinámicos, desde los cuales un chorro de partículas cargadas se emanan por encima de un umbral de voltaje. Si las fuerzas de interacción molecular llegan a ser lo bastante grandes para vencer la oposición de la tensión superficial, un chorro de fluido del polímero cargado será expulsado desde la punta del cono de Taylor. Por encima de la expulsión de la solución cargada desde una placa perforada de diámetro pequeño, el solvente rápidamente se evapora, formando fibras sólidas de diámetro de 10 a 100 nm que son depositados en el colector. El chorro de fluido está sujeto al sometimiento de inestabilidades que introducen fuerzas normales y de corte, las cuales causan estiramiento del hilo polimérico. Esto reduce el diámetro efectivo y alinea las moléculas del polímero, de ese modo mejorando las propiedades mecánicas de las fibras (Weiss, et al., 2006). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 160 Figura 4. Esquema del proceso de electrospinning (HILLS) A causa de una fuerza tangencial, un elemento rotacional es introducido en la velocidad del vector del chorro, el que sustancialmente incrementa la longitud vía a la previa deposición en el electrodo a tierra. La mayoría de estudios con compuestos de nanofibras se han referido a la producción y refuerzo de nanotubos de carbón para usar en las próximas generaciones de microprocesadores. Sin embargo, la mayoría de patentes registradas se han enfocado en otras aplicaciones de las ciencias de la vida, por ejemplo, se han usado nanofibras biocompatibles para producir membranas porosas para la piel, ayudar en la limpieza, cicatrización y curado de lesiones, creando fibras tubulares para los vasos sanguíneos y regeneración nerviosa, monturas tridimensionales para huesos y regeneración de cartílagos, así como liberación de matrices de drogas. Más allá de las aplicaciones biomédias, los electrospinning han sido aplicados para producir un medio filtrante para la filtración de líquidos y gases; y proteger la indumentaria militar, que es capaz de atrapar aerosoles y gases biocidas de gran peso molecular, mientras se impide mínimamente el flujo de aire. En la industria de alimentos pueden usarse microfibras electrohiladas en algunos casos: Construcción o reforzamiento de elementos de compuestos verdes (ambientalmente amigables) en materiales de empaque para alimentos. Construcción de elementos de la matriz alimentaria por imitación o alimentos artificiales. Soportes nanoestructurados y microestructurados para cultivos de bacterias (Weiss, et al., 2006). 3.6.1.3 Caso de aplicación específico en el procesamiento de alimentos: Nanotubos hechos de la proteína láctea -lactoalbúmina. En forma general, los nanotubos de carbón han sido ampliamente usados en aplicaciones no alimentarias de la nanotecnología. Estas estructuras han sido empleadas como conductores de baja resistencia o conductos de reacción catalítica, entre otros usos. En la figura 3 puede observarse un ejemplo de nanotubo de carbón enrollado. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 161 Figura 5. Nanotubos de carbón enrollados vistos con AFM. Se ha observado que ciertas proteínas globulares de la leche, tales como -lactoalbúmina, pueden ser hechas por autoensamblaje dentro de nanotubos de similar estructura bajo las condiciones ambientales apropiadas. Esta técnica es aplicable para otras proteínas y ha sido también explorada, para asistir la inmovilización de enzimas o construir estructuras análogas a la fibra muscular (Weiss, et al., 2006). Las estructuras nanotubulares pueden estar divididas en dos grupos: nanotubos biológicos, que están presentes en la naturaleza, como el virus mosaico del tabaco y los microtubos; y los nanotubos artificiales, que se han hecho en el laboratorio. El virus mosaico del tabaco es uno de los virus conocidos más simples y es el clásico ejemplo de un virus en forma de barra. Los nanotubos de carbón pueden hacerse de materiales no biológicos y son los más famosos ejemplos de este tipo. En cuanto a nanotubos hechos por proteínas alimentarias o sus derivados, sólo hasta ahora han sido reportados los de -lactoalbúmina. Los nanotubos hechos de la proteína láctea -lactoalbúmina son formados por autoensamblaje de la molécula parcialmente hidrolizada. La hidrólisis es necesaria para que la -lactoalbúmina esté predispuesta al autoensamblaje. La construcción de estos bloques autoensamblados para formar tubos de longitud micrométrica con un diámetro de solamente 20 nm, se da a pH neutro y en presencia de un catión apropiado, de acuerdo con lo mostrado en la figura 6 (Graveland-Bikker et al., 2006). Figura 6. Nanotubos (Izquierda) Presentación esquemática del autoensamblaje de -lactoalbúmina parcialmente hidrolizada dentro de nanotubos en presencia de Ca 2+ . (Derecha) Micrografía de transmisión electrónica de nanotubos negativamente coloreados de -lactoalbúmina (el coloreado negativo fue logrado con uranil acetato al 3% por 1 min.). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 162 La hidrólisis de la -lactoalbúmina por una proteasa del Bacillus licheniformis (BLP), conduce a diferentes productos de hidrólisis. La enzima BLP es específica para enlaces peptídicos Asp-X y Glu-X, porque del múltiple potencial de sitios activos (13 Asp-X y 7 Glu-X), se pueden producir diferentes productos de la hidrólisis, al inocularse la - lactoalbúmina con BLP. Sin embargo, el ajuste enzimático no necesariamente lleva a la liberación del péptido, pues la molécula contiene cuatro puentes disulfuro, los cuales pueden encadenarse al pétptido liberado en la cadena principal. Para determinar cuáles de los productos de la hidrólisis realmente forman los nanotubos por autoensamblaje, se determinan las masas molares de los bloques de tubos construidos. Los nanotubos de -lactoalbúmina consisten de algunos productos de hidrólisis con masa molar en un rango entre 10 a 14 kDa. Esta mezcla de productos de hidrólisis se autoensamblan, vía un mecanismo de nucleación y crecimiento, hacia estructuras helicoidales con 10 vueltas en el sentido de las manecillas del reloj. Es notable que el ensamblaje de algunas moléculas diferentes, puede resultar en una estructura regular, tal como el nanotubo de -lactoalbúmina. Solamente en condiciones específicas, se obtienen estructuras tubulares por autoensamblaje de los productos de hidrólisis de -lactoalbúmina. La concentración mínima para la formación de nanotubos de esta proteína es 20 g/L (a 50°C, 75 mM buffer Tris, pH 7.5, 2 moles de iones Ca 2+ / mol -lactoalbúmina). Debajo de 20 g/L son obtenidos agregados fibrilares o de forma aleatoria. Como una cantidad sustancial de monómeros (cerca del 40%) no autoensamblan en nanotubos (dentro de una escala de tiempo de medida), permanecen en forma monomérica (o dimérica / oligomérica) en la solución, teniendo en cuenta que el sistema es congelado, debido a procesos de gelificación. Además, la presencia de bajas concentraciones de otras proteínas, como la -lactoglobulina, perturba el proceso de autoensamblaje en nanotubos, un 2% de la fracción proteica de -lactoglobulina (en un contenido proteico de 30 g/L) induce un incremento en la agregación aleatoria (Graveland- Bikker, et al., 2006). Otro prerrequisito para formar estructuras tubulares, es la presencia de un ión adecuado. Varios iones di o trivalentes han provocado el autoensamblaje en nanotubos, a saber, Ca 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ y Al 3+ . En presencia de Ba 2+ y Mg 2+ , no hay nanotubos, pero se forman agregados aleatorios o fibrilares. A 30 g/L, se pueden formar nanotubos de -lactoalbúmina en una relación de concentración molar del ión / proteína, entre 1 y 3. Por debajo de esta relación, la concentración del ión sería muy baja para una suficiente nucleación, resultando en una agregación aleatoria. Por encima de 3, el incremento de la fuerza iónica presumiblemente suprime algunas interacciones electrostáticas. La estequiometría fue determinada para que sea 1 (mol Ca 2+ / mol -lactoalbúmina), lo que implica que un ión Ca 2+ conecta la construcción de dos bloques vía un puente iónico Ca 2+ . Además, hay Ca 2+ ligado a la proteína nativa de -lactoalbúmina, pero este ión parece no tener parte en el mecanismo de autoensamblaje. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 163 Un factor importante para las aplicaciones, es la estabilidad de los tubos de - lactoalbúmina bajo una variedad de condiciones. Al parecer los nanotubos podrían resistir algunos tratamientos importantes, encontrados en los procesos y aplicaciones de manufactura de alimentos. Primero que todo, ellos resisten condiciones similares a una pasterización (40 s a 72°C). Usando microscopía de transmisión electrónica, no se observaron diferencias con una muestra sin calentamiento, como se muestra en la figura 7A, los nanotubos también resisten tratamientos de criosecado, como se aprecia en la figura 7B. Figura 7. Micrografías de transmisión electrónica (A) nanotubos de -lactoalbúmina calentados en condiciones un poco más severas de pasteurización (40 s a 72ºC) y (B) nanotubos de - lactoalbúmina redispersados en crioenfriamiento en solución Tris buffer 75 mM y pH 7.5 con Ca 2+ 4.2 mM. Se muestra una magnificación del nanotubo con cavidad intacta. En la figura anterior (7B) el centro del hueco del nanotubo aún es visible (se ve su interior), lo que implica que la estructura es algo fuerte y no colapsa bajo el criosecado. Algunas propiedades mecánicas de los nanotubos se han determinado por pruebas de dureza o por microscopía de fuerza atómica (AFM). Comparando el módulo de Young de los nanotubos (0.1 GPa aproximadamente) con el de otras estructuras biológicas, los nanotubos de -lactoalbúmina son claramente más resistentes, por ejemplo, que las miofibrillas y micelas de caseína (ambos con módulo típico de 10 -1 MPa). Pero nanotubos no proteicos como los de carbón, son significativamente más resistentes, su módulo de Young puede ser tan alto como 1TPa. La característica más especial de los nanotubos de -lactoalbúmina es quizás, que sean huecos, porque por su cavidad (de 8 nm), estos nanotubos sirven como vehículos para drogas u otras moléculas encapsuladas, tales como vitaminas y enzimas, o componentes protegidos o enmascarados. En los últimos años, el concepto de la liberación controlada de ingredientes encapsulados en el lugar correcto y en el tiempo adecuado, ha sido cada vez de mayor interés en las industrias de alimentos y farmacéutica. Las características de los nanotubos de -lactoalbúmina los hace un potencial agente encapsulante, además cuentan con desensamblaje controlado. Porque la -lactoalbúmina es una proteína láctea, justamente facilitará aplicar los nanotubos a los alimentos o medicamentos. En general, la hidrólisis de la proteína incrementa su digestibilidad. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 164 Con relación a los nanotubos de -lactoalbúmina, hay un número interesante de aplicaciones, además, esta proteína tiene significativas propiedades nutricionales y está asociada con algunos efectos positivos sobre la salud de los consumidores. La - lactoalbúmina es una pequeña proteína ácida unida a Ca 2+ . Esta representa cerca del 20% de la proteína del suero bovino (3.5% del total de la proteína láctea) y es la principal proteína en la leche humana. La -lactoalbúmina tiene una importante función en la secreción de las células mamarias y es uno de los dos componentes de la biosíntesis de lactosa en la glándula mamaria. Su composición de aminoácidos parece ser óptimo para los requerimientos de los infantes y tiene una alta digestibilidad. Es relativamente rica en triptófano (cuatro residuos por molécula) y el consumo de -lactoalbúmina incrementa este componente en el plasma, el cual es conocido de tener un efecto positivo sobre la sensación de hastío y ánimo. Con el consumo en la tarde de -lactoalbúmina, se ha mostrado un incremento en la disponibilidad del triptófano en el plasma y mejoría en la mañana de los procesos de alerta y atención cerebral. En otros estudios, el consumo de -lactoalbúmina han mostrado mejorar el desempeño anímico y cognitivo en sujetos vulnerables. Por si misma, la -lactoalbúmina (o sus fragmentos) posee actividad bactericida (Graveland- Bikker, et al., 2006). En otros estudios se mencionan aplicaciones de la -lactoalbúmina fuera de la industria de alimentos, se encuentra que son estructuras anisotrópicas unidireccionales, tales como varillas y tubos, que pueden proveer una conexión entre nanoestructuras y el mundo macroscópico. Por ejemplo, estructuras lineales pueden ser fijadas por enlaces con anticuerpos al contacto con una superficie sólida, lo que podría servir como sensor para moléculas en una fase fluida o como una antena para ondas electromagnéticas. Se cree que las estructuras lineales proteicas hacen fibras rígidas y fuertes, las cuales podrían estar entretejidas, enlazadas o embebidas en una matriz, resultando en materiales resistentes, actuando por ejemplo, como una barrera frente a la propagación de grietas. Una desventaja de las nanoestructuras proteicas es que pueden ser inestables cuando se exponen a ambientes rigurosos, tales como altas temperaturas, soluciones fuertemente ácidas o alcalinas o degradación enzimática. Sin embargo, una degradación controlada, puede ser ventajosa para una variedad de aplicaciones tales como en ingeniería de materiales, donde la matriz extracelular reemplaza la fabricada desde péptidos autoensamblados o proteínas que podrían ser potencialmente degradadas a una velocidad similar a la regeneración del tejido. A modo de resumen, en la tabla 4, se establecen las principales aplicaciones de los nanotubos de -lactoalbúmina, tanto para la industria de alimentos como para el sector farmacéutico. Con respecto a la conclusión más significativa obtenida del estudio de los nanotubos de - lactoalbúmina se tiene: El autoensamblaje de proteína hidrolizada de leche -lactoalbúmina conduce a nanotubos rectos y largos que resisten algunos tratamientos importantes como el calentamiento o la deformación mecánica. Por su linealidad, cavidad de tamaño nanométrico y desensamblaje controlado, los nanotubos de -lactoalbúmina tienen ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 165 potencial para su uso en nanotecnología con aplicaciones alimentarias y no alimentarias. Estos nanotubos muestran que es posible crear interesantes nanoestructuras con base en proteínas alimentarias. Ellos ilustran las prometedoras aplicaciones que la nanotecnología podría tener en la ciencia de los alimentos (Graveland-Bikker, et al., 2006). Tabla 4. Vistazo de las potenciales aplicaciones de nanotubos de -lactoalbúmina en alimentos y productos farmacéuticos Nanotubos de -lactoalbúmina Material convencional Agentes espesantes (Viscosidad) La alta proporción aspecto – rigidez, hace eficiente a los tubos en otorgar viscosidad: es necesario bajo material proteico para incrementar la viscosidad. Los agregados aleatorios son ineficientes para incrementar la viscosidad. Agentes gelificantes Alto módulo de almacenamiento en bajas concentraciones: es necesario bajo material proteico para incrementar la viscosidad. Formación de geles transparentes. Formación de geles reversibles debido a interacciones físicas. Desensamblaje controlado de los tubos podrían inducir una reducción controlada de la fuerza del gel. Los agregados aleatorios son ineficientes como agentes gelificantes: es necesaria alta concentración para geles firmes. Los geles de agregados no fibrilares son turbios. Enlaces entrecruzados covalentes hacen imposible la reversibilidad. Solamente métodos en crudo pueden reducir la fuerza del gel. Agentes encapsuladores Cavidades de 8 nm de diámetro y pocos nanómetros en longitud proporcionan espacios definidos para moléculas específicas. Arreglo estructural específico permite manipular las propiedades del nanotubo (tanto interna como externamente) y permite el desarrollo de capas. El desensamblaje controlado es una importante propiedad para liberación controlada. La mayoría de los agentes encapsulantes convencionales tienen espacios mal definidos para las moléculas encapsuladas. Manipulación de la encapsulación ambiental difícil. Fuente: J. F. Graveland – Bikker y C. G. de Kruif, 2006. 3.6.2 Empaques y recubrimientos A pesar de las incertidumbres existentes, la industria alimentaria sigue con interés los beneficios potenciales de las nanociencias, y las predicciones apuntan a que el uso de esta tecnología puede estar más o menos generalizado en un plazo de diez años. Uno de los campos que mayor interés ha despertado la nanotecnología es el del envasado de alimentos. En este sentido se trabaja en el desarrollo de nanomateriales con características realzadas que aseguren una mayor protección de los alimentos contra efectos externos de tipo mecánico, térmico, químico o microbiológico. En el Reino Unido, esta técnica se está aplicando en el sector de las bebidas, con el desarrollo de un material con propiedades antibacterianas, acústicas y táctiles, más ligero que el cristal y con capacidad para fortalecer la frescura y el gusto de los productos. Como aplicaciones generales se encuentran: Adición de nanocompuestos o nanopartículas (por ejemplo: plata, dióxido de titanio, dióxido de silicona y nano-arcilla) dentro de los materiales de empaque para garantizar una mejor protección de los alimentos por la modificación del comportamiento permeable de las películas, desodorización, incremento de las propiedades de barrera, ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 166 bloqueo de la luz ultravioleta, mejoramiento de las propiedades mecánicas y termoresistencia, así como desarrollo de superficies antimicrobianas y antifúngicas. Nanocompuestos de nylon proveen barreras al flujo de oxígeno y dióxido de carbono que han sido usados en el empaque de alimentos (por ejemplo: multicapas PPT en botellas para cerveza y otras bebidas alcohólicas), conservando la frescura y bloqueando olores. 3.6.2.1 Caso de aplicación específico en empaques. Empaque para carne: Un nuevo material sintético con partículas de plata ha sido desarrollado para empaque de carne. Este material es antibacteriano, permitiendo una vida útil más larga para la carne. Las partículas de plata usadas para el empaque son mucho más pequeñas de lo normal, denominas nanopartículas. La principal ventaja es un producto con vida útil más larga, las desventajas incluyen incertidumbre en la parte de los expertos, acerca de sí las partículas de plata podrían migrar desde el material de empaque hasta la carne. Impactos negativos sobre la salud y el medio ambiente durante la disposición de los procesos también son posibles (Siegrist et al., 2007). Almidón y derivados: El almidón es una materia prima prometedora por su disponibilidad cíclica en muchas plantas, su amplia producción y bajo costo. Se sabe que es completamente degradable en el suelo y en el agua y puede promover la biodegradabilidad de un plástico cuando son mezclados. Como material de empaque, el almidón por sí solo no forma películas con propiedades mecánicas apropiadas, a menos que primero sea plastificado o modificado químicamente. Los plastificantes comunes para polímeros hidrofílicos como el almidón, son el glicerol y otras moléculas de tipo polihidroxi de bajo peso molecular, poliéteres, úrea y agua. Cuando el almidón es tratado en un extrusor con la aplicación de energías térmica y mecánica, se convierte en un material termoplástico. En la producción de almidones termoplásticos, se espera que los plastificantes reduzcan los puentes intramoleculares de hidrógeno para proveer propiedades de estabilidad al producto. Hay muchas oportunidades para el uso del almidón como material de empaque, debido a su naturaleza higroscópica, por ejemplo, papeles absorbentes con base en almidón, proporcionarían una alternativa viable para la absorción del exudado en carnes. Así mismo, el almidón también puede ser empleado para el empaque de frutas y vegetales, pasabocas o productos secos. Sin embargo, en estas aplicaciones, se necesita eficiencia mecánica y protección frente al oxígeno y la humedad, por lo que el almidón termoplástico (TPS) con frecuencia por sí solo, no puede reunir todos estos requerimientos, debido a su carácter hidrofílico, que representa cambios durante y después del procesamiento, por las variaciones en el contenido de agua. Para sobrepasar estos inconvenientes, se han planteado diferentes rutas. La arcilla como un potencial material de relleno, ha sido escogida para el mejoramiento de las propiedades del TPS para el desarrollo de estas funciones, ya que ha mostrado, que la fuerza de tensión y la elongación a la fractura del TPS se incrementaron ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 167 con la presencia de pequeñas cantidades de montmorillonita de sodio (menos del 5%), además, la temperatura de descomposición se aumentó, mientras el coeficiente relativo de difusión del vapor de agua del TPS disminuyó. Actualmente, nanocompuestos de películas almidón / arcilla, son obtenidos por una dispersión de nanopartículas de montmorillonita, a través de técnicas de fusión polimérica. Igualmente, los resultados de la caracterización mecánica muestran un incremento de la fuerza de tensión y con base en la directrices europeas sobre materiales biodegradables, hubo conformidad de los resultados para pruebas de migración en las muestras evaluadas (Sorrentino et al., 2007). 3.6.2.2 Casos de aplicación específicos en recubrimientos Tomates: Una capa a base de nanotecnología protege los tomates de la humead y el oxígeno. Los tomates cubiertos tienen larga vida útil. Otra ventaja es que los tomates pueden ser cosechados cuanto están maduros, resultando en mayor sabor. Las desventajas incluyen la incertidumbre de los expertos acerca de los efectos de este material en la salud humana y en el medio ambiente (Siegrist, et al., 2007). Nanoláminas: Una nanolámina consiste en dos o más capas de material con dimensiones nanométricas que están física o químicamente unidas la una a la otra, como se muestra en la figura 8. Figura 8. Ejemplo de un posible material nanolaminado formado desde una proteína globular y un polisacárido. (Cada capa es aproximadamente de 1 a 10 nm) Uno de los métodos más eficaces, está basado en la técnica de deposición LbL, en el cual las superficies cargadas están recubiertas con películas interfaciales consistentes de múltiples nanocapas de diferentes materiales. En este caso, polielecrolitos, causan una atracción electrostática y otras sustancias cargadas, son depositadas sobre las superficies con carga contraria. La tecnología LbL, proporciona un control preciso sobre el espesor y las propiedades de las películas interfaciales, lo cual permite la creación de películas delgadas (1 a 100 nm por capa). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 168 Respecto a las películas y capas comestibles, éstas corrientemente se usan para una amplia variedad de alimentos, incluyendo frutas, vegetales, carnes, chocolates, dulces, productos de panadería y papitas a la francesa. Estas capas o películas podrían servir como barreras para la humedad, grasas y gases. Igualmente, mejorarían las propiedades de textura o servirían como transportadores de componentes funcionales tales como colores, saborizantes, antioxidantes, nutrientes y agentes antimicrobianos. Las propiedades funcionales básicas de las capas o películas comestibles, dependen de las características de los materiales usados en su preparación. Hasta el momento, los principales materiales manejados para fabricarlos son polisacáridos, proteínas y lípidos. Generalmente, las películas basadas en lípidos, constituyen buenas barreras contra la humedad, pero ellas ofrecen poca resistencia a la transferencia de gases y tienen pobre fuerza mecánica. En cambio, las películas basadas en biopolímeros, a menudo son buenas barreras para el oxígeno y el dióxido de carbono, pero ofrecen poca protección contra la migración de la humedad. Consecuentemente, ha sido un gran negocio de investigación, la identificación de aditivos que puedan ser usados para mejorar las propiedades funcionales de las películas y recubriemientos comestibles (por ejemplo, polioles, gotas de emulsión, micelas de surfactantes, o fibras). Las nanoláminas son usadas como cubiertas que están adheridas a las superficies de los alimentos más que como películas autopermanentes, pues su naturaleza extremadamente delgada las hace muy frágiles (Weiss, et al., 2006). Figura 9. Representación esquemática del cubrimiento de un objeto con multicapas usando un procedimiento sucesivo de inmersión y lavado. En la figura 9, se observa un procedimiento de recubrimiento multicapas de un objeto, el cual al ser cubierto con una nanolámina y sumergirse en una serie de soluciones que contienen diferentes sustancias, éstas pueden ser adsorbidas por la superficie del objeto. Además, las soluciones que contienen las sustancias adsorbentes podrían asperjarse sobre la superficie de la muestra. La fuerza impulsora para la adsorción de una sustancia en la ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 169 superficie, podría depender de la naturaleza de ésta y la naturaleza de la sustancia adsorbente. Una variedad de sustancias adsorbentes podrían ser usadas para crear las diferentes capas, incluyendo polielectrolitos naturales (proteínas, polisacáridos), lípidos cargados (fosfolípidos, surfactantes) y partículas coloidales (micelas, gotas), como se esquematiza en la figura 10. Figura 10. Posibles componentes que podrían ser usados para ensamblar películas comestibles multicapa o recubrimientos. Al escoger el tipo de sustancia adsorbente usada para crear cada capa, el número total de capas incorporadas en la película en general, la secuencia de las diferentes capas y la preparación de las condiciones usadas para elaborar cada una de éstas, determinará la funcionalidad de las películas finales (por ejemplo, su permeabilidad a gases, sustancias orgánicas, minerales o agua, sus propiedades mecánicas, tales como rigidez, flexibilidad o fragilidad, sus características de hinchamiento y humedecimiento y su sensibilidad ambiental al pH, fuerza iónica y temperatura). Además, el procedimiento mencionado puede ser usado para encapsular varias sustancias hidrofílicas, anfifílicas o lipolíticas entre las películas, incorporándolos a ellas, por ejemplo, en gotas de aceite en asociación con coloides. Como un resultado, podría ser posible incorporar agentes funcionales activos, tales como antimicrobianos, agentes antipardeamiento, antioxidantes, enzimas, saborizantes y colores dentro de las películas. Estos agentes funcionales podrían incrementar la vida útil y calidad de los alimentos recubiertos. Estos recubrimientos nanolaminados, podrían ser creados enteramente desde ingredientes grado alimentario (proteínas, polisacáridos, lípidos) usando operaciones de procesamiento simples como la inmersión y el lavado (Weiss, et al., 2006). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 170 3.6.3 Liberación nutracéutica La nanotecnología ha mostrado gran potencial en alimentos nutracéuticos y funcionales, por la liberación de componentes bioactivos en este tipo de alimentos, con el fin de mejorar la salud humana. A la fecha, entre los productos de consumo de base nanotecnológica, los de salud y mantenimiento del estado físico, forman una gran categoría, seguidos por los productos electrónicos y computadores, así como los de categoría para el hogar y jardinería. Estados Unidos es el líder comercial más poderoso, teniendo al menos tres veces más nanoproductos en el mercado en comparación con el Este de Asia y Europa (Chau, et al., 2007). Los ingredientes funcionales (por ejemplo, drogas, vitaminas, antimicrobianos, antioxidantes, saborizantes, colorantes y preservantes) son componentes esenciales de un amplio rango de productos industriales, incluyendo medicamentos, productos para el cuidado de la salud, cosméticos, agroquímicos y alimentos. Estos ingredientes, vienen en una variedad de formas moleculares y físicas, tales como polaritos (polar, no polar y anfifílico), masas molecualres (altas o bajas) y estados físicos (sólido, líquido, gaseoso). Los ingredientes funcionales rara vez son utilizados directamente en su forma pura. En lugar de ello, son incorporados dentro de algunos sistemas de liberación o entrega. Un sistema de liberación o entrega debe llevar a cabo un número diferente de roles. Primero, sirve como vehículo para el transporte del ingrediente funcional al sitio de acción deseado. Segundo, proteger el ingrediente funcional de la degradación química y biológica (por ejemplo, oxidación) durante el procesamiento, almacenamiento y utilización, esto mantiene el ingrediente funcional en su estado activo. Tercero, ser capaz de controlar la liberación controlada del ingrediente funcional, así como la velocidad de liberación o las condiciones ambientales específicas que lo liberan (pH, fuerza iónica o temperatura). Y cuarto, el sistema de liberación tiene que ser compatible con los otros componentes en el sistema, así como con los atributos fisicoquímicos y de calidad (como apariencia, textura, sabor y vida útil) del producto final. Las características del sistema de liberación son uno de los más importantes factores que influyen en la eficacia del ingrediente funcional en muchos productos industriales. Una amplia variedad de sistemas de liberación han sido desarrollados para encapsular estos elementos, incluyendo soluciones simples, asociaciones coloidales, emulsiones, o matrices biolpoliméricas. Cada tipo de sistema tiene sus propias ventajas y desventajas específicas para la encapsulación, protección y liberación de los ingredientes funcionales, así como costo, condiciones regulatorias, facilidad de uso, biodegradabilidad y biocompatibilidad (Weiss, et al., 2006) . Con respecto a las aplicaciones de la nanotecnología en la liberación nutracéutica se tienen: La nanotecnología entrega sustancias hidrofílicas, liposolubles y lipofílicas, permitiendo a las nanopartículas de algunos ingredientes funcionales (por ejemplo: ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 171 carotenoides, fitoesteroles y antioxidantes), ser dispersados en agua o en bebidas de frutas para mejorar su biodisponibilidad. Nanopartículas sintéticas de licopeno son desarrolladas y aceptadas como GRAS, afirmado por la FDA, para uso en alimentos en los Estados Unidos. Micelas diminutas (nanocápsulas) son usadas para transportar aceites esenciales, saborizantes, antioxidantes, coenzima Q 10 , vitaminas, minerales y fotoquímicos para mejorar su biodisponibilidad. Encapsulación de nanopartículas de ingredientes activos (por ejemplo: polifenoles, minerales y micronutrientes) para protegerlos de la oxidación y llegar al sitio receptor del sabor, así se reduce su indeseable mal sabor en la aplicación final. Encapsulación y sistemas de entrega que transporta, protege y libera ingredientes funcionales alimentarios a su sitio específico o de acción (Weiss, et al., 2006). Aplicación en la industria de alimentos de nanobolsas liposomales para la encapsulación y liberación de nutrientes e ingredientes funcionales, tales como proteínas, enzimas, saborizantes y componentes antimicrobianos. Nanoesferas (40 nm) de proteínas de suero lácteo, las cuales son asimiladas por las células y degradadas en su interior para liberar compuestos nutracéuticos, que pueden ser usados como transportadores para administración oral de agentes nutracéuticos, mejorando su biodisponibilidad. Por otro lado, a nivel empresarial también se han adelantado desarrollos en este sentido, como lo ha hecho Nanotek (Alimentos Kraft), que explora la encapsulación de alimentos para enmascarar el sabor de alimentos amargos, proteger durante el procesado nutrientes frágiles como la vitamina C o añadir características deseables a los alimentos tradicionales. Estas técnicas están detrás de alimentos enriquecidos ya existentes en el mercado como las barras nutritivas, que aportan las cantidades diarias necesarias en hierro y ácido docosahexaenoico, fundamental para el desarrollo neuronal del bebé. También la empresa Ocean Nutrition, con sede en Nueva Escocia, ha empleado la nanotecnología en la fabricación de pan de molde con omega-3 procedente de pescado, que no tiene ningún resquicio de olor o sabor a estos animales. Otro caso de aplicación general es en jugos, donde, se toma como base que el organismo convierte -caroteno en vitamina A, la cual es importante para el cuerpo humano. El - caroteno entonces, se divide en pequeñas partículas y se encapsulan en almidón, permitiendo que este nuevo material pueda ser adicionado a estos productos. Las ventajas son que el -caroteno pueda disolverse mejor en agua, el cuerpo también lo absorba mejor y la vida útil de los jugos sea más larga. Una desventaja, es que los expertos no conocen mucho acerca del efecto de la utilización de este tipo de productos en la salud humana (Siegrist, et al., 2007). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 172 3.6.3.1 Caso de aplicación específico: Nanoemulsiones. El uso de homogeneizadores de válvula de alta presión o microfluidizadores, causan con frecuencia emulsiones con diámetros de gota de menos de 100 a 500 nm. En la literatura moderna tales emulsiones con frecuencia son referidas a nanoemulsiones. Las nanoemulsiones han sido producidas y estudiadas por muchos años, así, un gran conjunto de revisiones están relacionadas con su preparación, caracterización y utilización. Los componentes funcionales de los alimentos pueden ser incorporados dentro de las gotas, que muchas veces son capaces de retardar procesos de degradación química, dirigiendo las propiedades de la capa interfacial alrededor de ellas (Weiss, et al., 2006). 3.6.3.1.1 Emulsiones nanoestructuradas múltiples El uso de emulsiones múltiples, puede crear sistemas de liberación con encapsulasión y propiedades de entrega novedosas. El ejemplo más común de éste, son emulsiones aceite - en agua - en aceite (O/W/O) y agua - en aceite - en agua (W/O/W). Por ejemplo, una emulsión nanoestructurada W 1 OW 2 , podría consistir de gotas de agua de tamaño nanométrico o micelas invertidas (W 1 ) contenidas dentro de grandes gotas de aceite (O) que están dispersas en una fase acuosa continua (W 2 ). Los componentes funcionales alimentarios podrían ser encapsulados en el interior de la fase acuosa, la fase oleosa o por fuera de la fase acuosa, de este modo haciendo posible desarrollar un sistema de liberación simple que contiene múltiples componentes funcionales. Esta tecnología podría emplearse para separar dos componentes en la fase acuosa, que tendrían una reacción adversa entre ellos en la misma fase. Así mismo, esto podría ser usado para proteger y liberar un componente en la fase acuosa atrapado en el interior de las gotas de agua (W 1 ) a un sitio específico, tal como la boca, el estómago o el intestino delgado (Weiss, et al., 2006). 3.6.3.1.2 Emulsiones nanoestructuradas multicapa Estudios recientes han mostrado que el uso de emulsiones multicapa pueden crear sistemas de liberación novedosos. Estos sistemas típicamente consisten de gotas de aceite (el núcleo) rodeadas por capas de espesor nanométrico (la cubierta) comprendido de diferentes polielectrolitos. Estas capas están formadas, usando un método de deposición electrostática capa por capa (LbL), que involucra adsorción secuencial de polielectrolitos sobre las superficies de las partículas coloidales cargadas opuestamente. La figura 11 muestra un ejemplo del LbL, aproximación de encapsulación de gotas de aceite en una emulsión O/W (Weiss, et al., 2006). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 173 Figura 11. Esquema para la formación de un número de nanocapas alrededor de partículas. Un emulsificante iónico que rápidamente adsorbe la superficie de las gotas del lípido durante la homogeneización, es usado para producir una emulsión principal conteniendo pequeñas gotas, entonces un polielectrolito cargado contrariamente es adicionado al sistema, el cual adsorbe las superficies de las gotas y produce una emulsión secundaria que contiene gotas cubiertas con una doble capa de interfase. Este procedimiento puede ser repetido para formar gotas de aceite cubiertas por interfases, conteniendo tres o más capas. Se ha encontrado que bajo ciertas circunstancias, las emulsiones que contienen gotas de aceite rodeadas por interfases multicapa, tienen mejor estabilidad contra el estrés ambiental, que emulsiones convencionales de aceite en agua con interfases de capa simple. Además, es posible desarrollar sistemas de liberación inteligentes para el manejo de las propiedades de las cubiertas nanoestructuradas alrededor de las gotas. La liberación de un componente funcional atrapado dentro del núcleo de una emulsión multicapa, se da como respuesta a una acción ambiental, el diseño de esta respuesta, se puede dar de acuerdo con estos dos ejemplos: Completa disociación de la cubierta: Interacciones electrostáticas débiles pueden causar cubiertas completamente disociadas bajo condiciones específicas de solución (pH, fuerza iónica). Modulación de la porosidad de la cubierta: El espesor y porosidad de las cubiertas pueden cambiar con exposición al pH o fuerza iónica. Estos determinan la proporción en la cual el componente funcional estalla en el interior del núcleo, el cual se difundirá a los alrededores del medio. Por la selección del polielectrolito apropiado y las condiciones de ensamblaje, se podrían diseñar sistemas para liberar, bajo condiciones ambientales específicas, componentes funcionales más pequeños. En principio, se podría variar la liberación de uno o más materiales encapsulados usando cualquiera de estos mecanismos, individualmente o en combinación (simultánea o secuencialmente). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 174 Cabe mencionar, que para el manejo interfacial, podrían utilizarse ingredientes grado alimentario (como proteínas, polisacáridos y fosfolípidos) y operaciones de procesamiento (como homogeneización y mezclado) que ya son ampliamente usadas en la manufactura de emulsiones alimentarias. Por lo tanto, este tipo de tecnología podría ser económicamente viable y ser fácilmente implementada por la industria de alimentos. Adicionalmente, mediante la figura 12, se muestra una síntesis de los métodos de manufactura de nanopartículas con bioactividad para ser encapsuladas (Weiss, et al., 2006). Figura 12. Resumen de métodos de manufactura de nanopartículas. 3.6.4 Seguridad y percepción Esta es un área de gran importancia para el mantenimiento de la calidad de los alimentos, tanto en sus atributos organolépticos como en su inocuidad. La nanotecnología en estos aspectos, también presente valiosas aplicaciones, dentro de las que cabe resaltar las siguientes: Identificación de patógenos en alimentos (como virus y bacterias): Proteína cubierta con nanocantilever que vibra naturalmente a una frecuencia específica; cuando los contaminantes se depositan en el dispositivo, pueden causar ligeros cambios de masa, el nanocantilever vibra en una frecuencia diferente y detectarse el patógeno rápidamente. Desarrollo de un microbiodetector miniatura portátil, usando diferentes nanoalambres, anticuerpos patógenos específicos y anticuerpos fluorescentes, para la detección simultánea de toxinas, patógenos y químicos en los productos alimenticios. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 175 Nanopartículas de plata se han incorporado en los diferentes productos para suprimir la proliferación de bacterias y otros microorganismos (Chau, et al., 2007). Incremento en la seguridad de manufactura, procesamiento y embarque de alimentos a través de sensores para patógenos y detección de contaminantes (Weiss, et al., 2006). Mecanismos para mantener records históricos ambientales de un producto particular y seguimiento de envíos particulares. Sistemas que proveen integración de lo sensorial, localizando y reportando a control remoto, productos alimenticios (sistemas inteligentes), los que pueden incrementar eficacia y seguridad en el procesamiento y transporte (Weiss, et al., 2006). Una aplicación relacionada básicamente con la percepción, que cobra un interés particular son las narices electrónicas o artificiales. En la nariz artificial, el reemplazo más común para la membrana nasal es un polímero eléctricamente conductor. Cuando el polímero está expuesto a cualquier molécula en la fase de vapor, su conductividad cambiará un poco. La naturaleza de la detección es interesante, y está basada en las denominadas redes neuronales. La idea, es que cada sensor dé un voltaje y una señal de corriente particulares, que son comparados con un listado de señales estándar que la nariz ha olfateado, siendo necesario para ello, “entrenar” el equipo para lo que justamente se requiera. Para medir la respuesta de la nariz electrónica a una serie de moléculas estándar ingresadas, se determina la señal eléctrica causada por analitos particulares (Ratner, et al., 2002). 3.7 VENTAJAS Y RIESGOS ECOLÓGICOS DE LA NANOTECNOLOGÍA Las potenciales ventajas de las nanotecnologías incluyen: Oportunidades para producir artefactos que podrían seleccionar y reorganizar átomos y moléculas de la biosfera con el propósito de remediar las desbalanceadas relaciones ambientales. La posibilidad de la preparación tecnológica de productos con la técnica bottom – up, sin la producción de desperdicios y productos secundarios dañinos, como típicamente ocurre con la mayoría de los procesos actuales de manufactura corrientes. La habilidad de producir más materiales funcionalmente eficientes y aparatos con más altas relaciones fuerza – peso. Esto podría eventualmente eliminar la necesidad de infraestructura para sistemas masivos de generación de energía, estimular la introducción de fuentes renovables y más eficientes de energía y conducir a una reducción de las huellas ecológicas humanas (Uskokovic, 2007). Algunos efectos desventajosos también existen para la nanotecnología, como: Es posible que la autorreplicación de nanorobots (en un caso extremo) podría ya sea agresivamente o través de una supremacía lentamente creciente destruir toda la biosfera. Un escenario insostenible más real de aplicaciones de nanoproductos podrían además desestabilizar los alrededores y poner en riesgo la diversidad de la biosfera. Podrían también extender la brecha existente entre ricos y pobres (Uskokovic, 2007). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 176 3.7.1 Problemas de seguridad y riesgos potenciales de la nanotecnología. Nanotoxicidad de partículas nanofabricadas no alimentarias. La nanotecnología ha provocado alrededor del público interés y debate. Los nanomateriales exhiben propiedades no encontradas en la escala macro y resultarían ser impredecibles en problemas y riesgos para la seguridad. Hay limitada evidencia científica acerca de los peligros potenciales que podrían existir o los riesgos para las personas que están siendo expuestas a éstas. En general, el impacto de las nanopartículas en el organismo (nanotoxicidad), depende de propiedades tales como el tamaño de la partícula, masa, composición química, propiedades de superficie y la manera de agregación de las nanopartículas individuales. Se pueden considerar además algunos criterios que indican nanotoxicidad: a) Contribución de la exposición a las nanopartículas. b) Toxicología de las nanopartículas. c) Habilidad para extrapolar la toxicidad de las nanopartículas usando las bases de datos existentes. d) Destino ambiental y biológico, transporte, persistencia y transformación de las nanopartículas. e) Sostenibilidad general y reciclaje de los nanomateriales. En lo que concierne a los posibles efectos adversos de las nanopartículas sobre la salud, están la relativa persistencia (por ejemplo, algunos meses) de éstas en el tejido pulmonar, su potencial paso de la barrera sangre – cerebro, al incrementarse en los tejidos cerebrales e inducir daños; y su absorción a través de la piel dentro del sistema sanguíneo, vía canales linfáticos. De aquí se plantean tres posibles rutas de ingreso al organismo de las nanopartículas que pueden causar lesiones internas, las que incluyen: exposición dérmica, inhalación e ingestión (Chau, et al., 2007). 3.7.1.1 Exposición dérmica: El impacto de los nanomateriales sobre el organismo depende de su habilidad para penetrar a través de las capas externas protectoras y alcanzar la epidermis o la dermis. La epidermis de una piel saludable e intacta, podría proveer una excelente protección contra las partículas nanoestructuradas. El tejido córneo, el cual está compuesto de células muertas queratinizadas unidas por lípidos, actúa como una barrera de limitada capacidad (10 m) para la absorción cutánea de la mayoría de compuestos químicos, moléculas hidrosolubles, y componentes iónicos. Los hallazgos de Tinkle et al (2003), mostraron que microesferas fluorescentes finas de glóbulos de dextrano (hasta 1 m), en conjunción con el movimiento, podrían penetrar el tejido córneo y alcanzar la epidermis y ocasionalmente la dermis. Las nanopartículas penetrarían el interior de la dermis y trasladarse vía linfática a los nodos regionales linfáticos. Además, la fotogeneración de radicales hidroxilo por nanomateriales ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 177 (por ejemplo, dióxido de titanio y óxido de zinc), conducirían a un daño oxidativo en la piel. Hasta ahora, hay muy poca información sobre los peligros de los nanomateriales en la piel y las discusiones sobre los mecanismos de interacción y posibles consecuencias en la salud son más bien especulativas (Chau, et al., 2007). 3.7.1.2 Inhalación Mientras el diámetro aerodinámico de los pequeños materiales sólidos es al menos de 10 m, pueden pasar a través de la cavidad nasal al pulmón. Partículas más pequeñas a 4 m tienen una mayor probabilidad, del 50%, de penetrar en la región alveolar. Las partículas más pequeñas, al penetrar pueden viajar dentro del pulmón. El tamaño de partícula, la masa, composición química, tipo de muestras y velocidades de deposición y espacio ocupado de los materiales inhalados, determinan su toxicidad pulmonar o efectos patógenos. Se indica que por la baja solubilidad de las partículas ultrafinas, son más tóxicas que las partículas de mayor tamaño en masa o con base en la masa, pues por el diminuto tamaño, las nanopartículas pueden depositarse en los pulmones. Cuando se inhalan, algunas nanopartículas (por ejemplo, dióxido de titanio, tubos de carbón) pueden acumularse en el pulmón e inducir enfermedades crónicas tales como inflamación pulmonar, neumonía y estrés oxidativo. Una vez en el torrente sanguíneo, las partículas pueden ser capaces de atravesar la barrera sangre – cerebro. Las nanopartículas pueden evadir los mecanismos específicos de defensa y transportarse por fuera del tracto respiratorio por diferentes vías y mecanismos. De acuerdo con el estado actual de conocimiento, aún no es posible llegar a conclusiones genéricas acerca de la toxicidad, basados solamente en consideraciones de tamaño, el potencial toxicológico de cada nanomaterial en particular, necesita ser evaluado sobre bases de caso por caso (Chau, et al., 2007). 3.7.1.3 Ingestión El tamaño de partícula y el área superficial son características importantes de los materiales desde una perspectiva toxicológica. Como la superficie de las vellocidades (intestino delgado) están cubiertas de microvellocidades que brindan una superficie general disponible para los nutrientes de 200 m 2 , la contribución en seguridad de los materiales entrantes al cuerpo a través de una ruta de ingestión es particularmente importante para los productos alimenticios que contienen nanomateriales. Las nanopartículas pueden dramáticamente prolongar el tiempo de residencia en el tracto gastrointestinal, disminuyendo la influencia intestinal de los mecanismos de movimiento, penetrar profundamente dentro de los tejidos a través de los finos capilares y así permitir una liberación y absorción eficientes de los compuestos en el organismo. Se ha reportado que partículas más grandes que 1 m fueron incapaces de traspasar la barrera de la mucosa intestinal. A nivel experimental del transporte de una partícula, esferas de poliestireno (50 nm – 3 m) fueron suministradas a través de un tubo conectado en forma directa al ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 178 estómago, a ratas hembras (Sprague – Dawley) por 10 días, y los resultados demostraron que cerca del 34 y 26% de nanopartículas (50 y 100 nm, respectivamente) fueron absorbidas, mientras que las partículas más grandes de 300 nm estuvieron ausentes en la sangre, corazón y tejido pulmonar. De acuerdo con observaciones de otros estudios sobre nanopartículas de látex, nanoesferas hidrofóbicas de látex (14 y 415 nm) podrían penetrar la capa de mucosa (30 – 50 m de espesor) en 2 y 30 minutos, respectivamente. Las partículas más pequeñas, podrían atravesar más rápido la barrera de la mucosa, lo que plantea serias inquietudes del efecto por ingestión de las nanopartículas (Chau, et al., 2007). 3.7.2 Riesgos potenciales a la salud en nanomateriales para alimentos En la industria de alimentos muchos materiales se han fabricado en tamaño micro o nano por técnicas top – down o bottom – up. En general, las propiedades fisicoquímicas, incluyendo el tamaño, distribución, estado de aglomeración, forma, estructura cristalina, composición química, área superficial, superficie química, carga superficial y porosidad, podrían ser todas importantes para el entendimiento de los efectos tóxicos de los nanomateriales. Sin embargo, lo que queda por ser determinado, es si propiedades fisicoquímicas únicas de los nanomateriales, introducirán nuevos mecanismos de daño y resulten en efectos perjudiciales impredecibles. La nanotecnología abre un universo de nuevas posibilidades para la industria de alimentos (por ejemplo, empaques de alimentos), pero la introducción de nanopartículas manufacturadas dentro de la cadena alimentaria, podría resultar en una acumulación de contaminantes tóxicos en los alimentos y afectar adversamente la salud humana. Hay preguntas si los materiales alimentarios de tamaño nanométrico (o por encima de unos pocos micrones), se categorizarían como nuevos materiales no naturales comparados con sus formas más grandes. Aunque los nanomateriales podrían ser tóxicos y causar efectos nocivos más allá de lo esperado, los esfuerzos en investigación también han revelado que las formas de fabricación de nanomateriales y el procesamiento, no generarían necesariamente productos con efectos peligrosos. Por ejemplo, la toxicidad de cierta sustancia (como el selenio), podría ser significativamente reducida mientras su tamaño de partícula fuese disminuido a nanoescala. A pesar del hecho, que la mayoría de los estudios existentes en nanotoxicidad, están enfocados generalmente en materiales no alimenticios o en productos de consumo, los hallazgos relevantes de estas investigaciones, pueden ser útiles insinuaciones para el entendimiento del potencial tóxico de la nanotecnología con base en materiales alimentarios (Chau, et al., 2007). 3.8 REGULACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA Y LOS NANOPRODUCTOS El Codex Alimentarius es una agencia intergubernamental establecida conjuntamente por la FAO y la OMS, que promueve trabajar todos los estándares alimentarios bajo organizaciones gubernamentales y no gubernamentales. En orden de prevenir brechas regulatorias, la comisión del Codex está participando en el desarrollo de una regulación internacional para alimentos seguros, que tendría en cuenta el uso de nanopartículas y otras tecnologías a nanoescala en alimentos y agricultura. Hasta ahora, no hay regulación ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 179 internacional de nanotecnología o nanoproductos. Solamente unas pocas agencias gubernamentales u organizaciones de diferentes países, han establecido estándares y regulaciones para definir y regular el uso de la nanotecnología. Estas organizaciones o centros de investigación, están principalmente soportados por fuentes gubernamentales (anexo), y juegan un rol esencial llevando a cabo o soportando investigaciones en nanotecnología, incluyendo estudios básicos, aplicaciones, seguridad de nanomateriales, desarrollo, regulación y control. Ellos también estipulan coherencia a largo plazo y promueven la nanotecnología en el público, así como dan ímpetu a esta tecnología en el sector industrial (Chau, et al., 2007). En forma general, se pueden plantear algunas recomendaciones, que pueden servir como punto de referencia para el desarrollo de regulaciones en nanoproductos: Consideración de criterios que incluyan rango de tamaño de partícula, métodos de medición, métodos de procesamiento, propiedades físicas y químicas y lo concerniente a seguridad. No solamente enfocarse en el tamaño, también en cambios relacionados con la bioactividad, propiedades fisicoquímicas y funciones de materiales a nanoescala de acuerdo con su reducción de tamaño. División de los nanoproductos en diferentes categorías, tales como líquidos, en polvo, aerosoles, suspensiones, o emulsiones, para una clasificación propia y establecer condiciones de manejo y análisis. Requerimiento de etiquetado para identificar la presencia de nanomateriales en el producto y proveer posibles rangos de tamaño de partícula e información relevante sobre seguridad. Llevar a cabo investigaciones sociales y éticas para nanotecnología alimentaria. Proyección de la nanotoxicidad que incluya caracterización fisicoquímica de los nanomateriales, con ensayos in vitro (celular y no celular) y estudios in vivo en animales. Los materiales nanoescala, los cuales no existen en forma natural, podrían ser mantenidos como nuevas sustancias y manipulados con mayor atención (por ejemplo, medidas de control, estudios de nanotoxicidad, equipos de protección personal, y monitoreo en la salud). Identificar riesgos que podrían incluir la potencial liberación de nanopartículas manufacturadas desde los materiales de empaque dentro de los materiales alimentarios. Se necesitan protocolos de laboratorio para la manipulación de materiales a nanoescala y manejo de impurezas para proteger a los trabajadores y científicos de la exposición ocupacional con peligros para la salud. Se recomienda empezar con procedimientos estándar de higiene, incluyendo guantes, ropa protectora y ventiladores altamente eficientes, capaces de remover las nanopartículas y avanzar con nueva información que llegue a estar disponible (Chau, et al., 2007). ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 180 4 CONCLUSIONES Los beneficios de la nanotecnología han sido reconocidos por muchas industrias, incrementándose el número de productos comerciales que hacen uso de ésta alrededor del mundo, por lo que se promueve el desarrollo industrial fundamentado en investigaciones que reúnen principios relacionados con la física, la química o la biología, dándole mayor relevancia a las ciencias naturales como pilares en la construcción de este conocimiento. Es así, como los científicos dedicados a esta área de estudio, cuentan con la posibilidad de medir, controlar y manipular la materia a niveles nanoescala, ejerciendo cambios en sus propiedades para obtener resultados útiles de posterior aplicación. Partiendo del hecho que las nanopartículas son biológicamente más activas comparadas con las partículas de microtamaño de la misma composición química, debido a su mayor área superficial, aumenta el número de alternativas que pueden plantearse para el abordaje de diferentes problemáticas que desde la perspectiva de lo macro no es posible, es así como se crean nuevos espacios para el avance de la biomedicina, electrónica, electricidad y farmacia, por nombrar algunas de las áreas en donde ha suscitado mayor interés, aunque los científicos que han trabajado al respecto, guardan un prudencial respeto en este principio, ya que las nanopartículas podrían tener comportamientos aún impredecibles en especial si su manipulación no es la adecuada. Con respecto a la industria de alimentos, la nanotecnología cuenta con un gran mundo por explorar, pues pese a las investigaciones y desarrollos que se han realizado hasta el momento, sus aplicaciones aún son limitadas comparativamente con las de otros sectores, sin embargo, los logros y descubrimientos están generando impacto en el campo alimentario, que se busca sea positivo, por su influencia en aspectos importantes relacionados con la inocuidad y desarrollo de nuevos productos, materias primas e insumos. Por otro lado, podría decirse que la nanotecnología representa una oportunidad para un mejor entendimiento de los sistemas alimentarios, por la oportunidad de conocer el comportamiento de la materia bajo esquemas no sólo orgánicos, sino también inorgánicos, ya que los procesos involucrados con los alimentos, permiten la convergencia entre lo biológico y lo inerte. Pese a que ya se están dando los primeros pasos en los delineamientos de regulación a la nanotecnolgía, la comunidad científica y el público en general, requieren de la construcción en el corto plazo, de sólidas reglamentaciones que permitan regularla, no sólo a nivel local sino mundial, tanto en sus principios básicos como de aplicación, de tal manera que no primen los intereses económicos sobre los de bienestar de la humanidad, pues contando una normatividad internacional completamente clara, se podría asegurar mayor confianza entre los consumidores y el desarrollo de trabajos con esta tecnología bajo los más exigentes principios éticos. Por último, la existencia de nanopartículas en contacto con el ambiente y los seres vivos, creará comportamientos difíciles de predecir, estas finas partículas están localizadas ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 181 principalmente cerca de la superficie terrestre y en comparación con las micropartículas, pueden viajar grandes distancias por el aire o el agua, lo que podría generar una amplia distribución en el ecosistema de las nanopartículas producidas industrialmente, igualmente, se puede establecer un contacto directo con las nanopartículas, mediante la ingesta o aplicación superficial de productos que las contienen, como rutas adicionales a la exposición. Considerando, que no se cuenta aún con suficientes soportes científicos que den una explicación concisa de los riesgos de las nanopartículas y al ser todavía incipientes las experimentaciones al respecto, los científicos han optado, por el manejo cuidadoso y limitado de estas partículas, especialmente en el rango de tamaño, pues tamaños demasiado pequeños acarrearían mayores riesgos. 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Castellanos G., F. J. (2006). Microscopía Electrónica. Seminario de Investigación II. Escuela de Ingeniería de Alimentos. Universidad del Valle. Cali. Cross, J. W. (2003). Scanning Probe Microscopy (SPM), 2007. Disponible en http://www.mobot.org/jwcross/spm/ CST. (2006). Etica y Nanotecnología: Dotarse de medios para actuar. Resumen, recomendaciones y comentarios del dictamen. Québec: COMMISSION DE L’ÉTHIQUE DE LA SCIENCE ET DE LA TECHNOLOGIES Disponible en http://www.ethique.gouv.qc.ca/IMG/pdf/Resume_nanos-espagnol-nv.pdf. Chau, C.-F., Wu, S.-H. y Yen, G.-C. (2007). 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Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Materiales_inteligentes 5.1 URLS RECOMENDADAS http://www.oilfresh.com/of1000.html http://www.fda.gov/nanotechnology/regulation.html http://www.tecnociencia.es/monograficos/nanotecnologia/nano4.html http://www.wordreference.com/definicion/anisotropía http://www.cancer.gov/Templates/db_alpha.aspx?CdrID=535468&lang=spanish http://www.healthsystem.virginia.edu/UVAHealth/adult_breast_sp/taxol.cfm http://html.rincondelvago.com/conceptos-electronicos.html http://www.monografias.com/trabajos36/alimentos-funcionales/alimentos- funcionales2.shtml http://www.geocities.com/hotsprings/villa/1706/sustbioac.html ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 183 6 ANEXOS 6.1 GLOSARIO Alimento Nutracéutico: Los alimentos nutracéuticos son alimentos o parte de un alimento que proporciona beneficios médicos o para la salud, incluyendo la prevención y/o el tratamiento de enfermedades juntamente con capacidad terapéutica definida, a parte de su papel nutritivo básico desde el punto de vista material y energético; también son productos de origen natural con propiedades biológicas activas. Los nutracéuticos no son nutrientes asociados con deficiencias en la dieta, sin embargo, son compuestos cuyo consumo ha sido asociado con la prevención y el tratamiento de enfermedades. Anisotropía: Característica de algunas sustancias de variar algunas de sus propiedades según la dirección en la que se midan. El fenómeno de la anisotropía se debe a la ordenación particular de los átomos de la red cristalina. Buckyballs: Una nano-estructura compuesta de 60 átomos de carbono (su nombre químico es C60) estructurados en un espacio cerrado y perfectamente simétrico, tienen propiedades extraordinarias, especialmente como superconductores. Además muestran la temperatura crítica más alta que se haya encontrado en compuestos orgánicos y se asocian en nanotecnología a los nanotubos. Cantilever: En ingeniería y en construcción, viga o armazón sujeta por un extremo o por el centro, pero no por los dos extremos, que tiene que soportar las fuerzas aplicadas a toda la estructura, incluso las aplicadas al extremo libre. Un ejemplo típico de cantilever es un trampolín de salto. El cantilever se utiliza en marquesinas, balcones, grandes grúas, hangares y en puentes, en los que el peso suele sostenerse desde el centro, no por los extremos. Muchos puentes levadizos son básicamente cantilever. Es importante considerar que una viga de determinada sección dispuesta en cantilever es más débil que la misma viga, con el doble de longitud, sujeta por los dos extremos. Coenzima Q 10 : Sustancia vitamínica que está presente en la alimentación, pero que también puede sintetizarse por el cuerpo: el hígado produce la coenzima Q10 normalmente y también se puede obtener en carnes rojas, pescado, soya y semillas de canola y ajonjolí. Entre sus funciones están: Estabiliza las membranas celulares, actúa como antioxidante y es un nutriente esencial para la respiración celular. Electrospray: Es un método de generar un aerosol líquido muy fino a través de una carga electrostática, utilizando electricidad en lugar de gas para producir gotitas. Ganoderma: Reishi (Ganoderma lucidum): Hongo que ha sido conocido en Japón, China y otros países como un alimento y materia prima para el desarrollo de drogas. Estudios recientes muestran que el Reishi posee un polisacárido (ß – (1 – 3) – D – ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 184 glucán) que puede ser una promesa como un nuevo tipo de agente carcinostático útil en inmunoterapia. Ley De Coulomb: Cuando se consideran dos cuerpos cargados (supuestos puntuales), la intensidad de las fuerzas atractivas o repulsivas que se ejercen entre sí es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa, dependiendo además dicha fuerza, de la naturaleza del medio que les rodea. Como fuerzas de interacción, las fuerzas eléctricas se aplican en los respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo largo de la línea que los une. Lipitor: Medicamento que se usa para tratar el colesterol alto. También está en estudio para la prevención del cáncer de colon y el tratamiento de algunos tipos de cáncer y otras afecciones. También se llama atorvastatina cálcica y atorvastatina. Máquinas De Ensamblaje: Producción de estructuras moleculares a nanoescala. Un conjunto de moléculas actúan como una "máquina molecular", siendo capaces de construir otras estructuras moleculares. En la realidad no se ha resuelto este problema nada más que en términos teóricos. El MIT señala la Litografía Nano-impresión (Nanoimprint Lithography) como vía para hacer posible la producción a gran escala en el campo de la nanotecnología. Materiales Inteligentes: En nanociencia, el término material inteligente se refiere a cualquier material ingeniado en la escala nano para desempeñar cualquier tarea específica. Los materiales inteligentes pueden funcionar estática o dinámicamente, es decir, que siempre se comportan de la misma forma o que reaccionan a estímulos externos, cambiando activamente sus propiedades respectivamente. Micronización: Micronizar: Pulverizar un material sólido hasta que sus partículas alcancen el tamaño de micrómetros. Montmorillonita: Es una arcilla formada por un silicato complejo cuya composición general es Al2O5•4SiO2•4H2O. Es altamente hinchable en agua. Presenta compatibilidad con la mayoría de los ingredientes, y sinergismo con las gomas orgánicas. Nanociencia: Es definida como el estudio del fenómeno y manipulación de sistemas físicos que produce información significativa sobre una escala espacial conocida como “nano” (10-9 m = 1 nm), con fronteras críticas que no excedan 100 nm en longitud, al menos en una dirección. Nanocompuestos: La definición de materiales nanocompuestos se ha ampliado significativamente para abarcar una extensa variedad de sistemas tales como ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 185 unidimensional. bidimensional, tridimensional y materiales amorfos, hechos a partir de distintos componentes y trabajados a escala nanométrica. Nanolitografía: Se refiere a la fabricación de microestructuras con un tamaño de escala que ronda los nanómetros. Esto implica la existencia de patrones litografiados en los que, al menos, una de sus dimensiones longitudinales es del tamaño de átomos individuales y aproximadamente del orden de 10 nm. La nanolitografía se usa durante la fabricación de circuitos integrados de semiconductores o sistemas nanoelectromecánicos, conocidos como Nanoelectromechanical Systems o NEMS. Nanomaterial Encapsulado: Estructuras en las cuales un nanomaterial es encerrado en una capa o recubrimiento externo. Nanotubos: Se denomina nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono son una forma elemental de carbono, como el diamante o el grafito. National Nanotechnology Initiative (Nni). El Presidente Clinton anunció la Iniciativa Nacional de la Nanotecnología (National Nanotechnology Initiative, NNI) en 2000 y su presupuesto no ha dejado de crecer llegando a los 710 millones de $US en 2003 con G. Bush y constituyéndose en el tercer proyecto estratégico a nivel federal. Una de sus más recientes iniciativas ha sido la creación de la National Nanotechnology Infrastructure Network (NNIN). Pozo Cuántico: Es la denominación que recibe un pozo de potencial que confina, en dos dimensiones, partículas que originalmente tenían libertad para moverse en tres, forzándolas a ocupar una zona plana. Punto Cuántico: Un punto cuántico es una estructura cristalina a nanoescala que puede transformar la luz. El punto cuántico se considera que tiene una mayor flexibilidad que otros materiales fluorescentes, lo que lo hace apropiado para utilizarlo en construcciones a nanoescala de aplicaciones computacionales donde la luz es utilizada para procesar la información. Taxol: El Taxol o Paclitaxel, es una droga usada para tratar ciertas mujeres que tienen cáncer avanzado del seno o del ovario. Es un componente extraído de la corteza del árbol de tejo del Pacífico. Técnica Bottom-Up: Construcción de nanoestructuras empezando con pequeños componentes tales como átomos o moléculas. ÁLVAREZ BARRETO, CRI STI NA NANOTECNOLOGÍ A EN LA I NDUSTRI A DE ALI MENTOS ReCiTeIA - v.11 n.1b 186 Técnica Top-Down: Es el proceso de fabricación de nanoestructuras empezando con las estructuras de mayor tamaño y retiro de las partes. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COLMATACIÓN DE MEMBRANAS DE MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL Y REPRESENTACIÓN MATEMÁTICA Autor: HEIDY LORENA GALLEGO OCAMPO UNIVERSIDAD DEL VALLE CALI – COLOMBIA 2011 GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 188 Autor de correspondencia: Heidy Lorena Gallego Ocampo Ingeniera Química, Aspirante a Doctor en Ingeniería. Escuela de Ingeniería de Alimentos – Universidad del Valle. Calle 13 No 100-00, Edificio 338, Espacio 2016, Ciudad Universitaria Meléndez e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 189 Factores que influyen en la colmatación de membranas de microfiltración tangencial y representación matemática Heidy Lorena Gallego Ocampo Universidad del Valle – Colombia CONTENIDO Lista de Figuras ........................................................................................................................... 189 Lista de Ecuaciones .................................................................................................................... 190 Nomenclatura .............................................................................................................................. 190 Letras griegas ........................................................................................................................................ 190 Símbolos matemáticos .......................................................................................................................... 190 Resumen...................................................................................................................................... 192 1 Introducción ....................................................................................................................... 192 2 Generalidades ..................................................................................................................... 193 2.1 Definición tecnologías membranarias ......................................................................................... 193 2.2 Aplicaciones de la microfiltración tangencial ............................................................................. 194 2.3 Ventajas y desventajas del uso de la microfiltración tangencial.................................................. 195 2.4 Factores que afectan el flux de permeado ................................................................................... 196 2.5 Mecanismo de formación de la capa de torta .............................................................................. 196 3 Efecto del tratamiento enzimático ...................................................................................... 198 3.1 Sobre la microfiltración tangencial.............................................................................................. 198 3.2 Sobre las propiedades físicas y químicas del jugo microfiltrado ................................................. 198 3.3 Teoría de la filtración .................................................................................................................. 198 3.4 Modelos matemáticos utilizados en la microfiltración tangencial ............................................... 200 3.4.1 Modelo de resistencia ........................................................................................................ 200 3.4.2 Modelos macroscópicos ..................................................................................................... 201 3.4.3 Modelo de polarización de la concentración ...................................................................... 201 3.4.4 Modelo de polarización de gel ........................................................................................... 201 3.4.5 Modelos microscópicos ..................................................................................................... 202 3.4.6 Modelo de bloqueo de poro ............................................................................................... 204 3.4.7 Modelo de difusión de corte inducido ................................................................................ 205 3.4.8 Modelos combinados ......................................................................................................... 206 4 Conclusiones ...................................................................................................................... 206 5 Referencias bibliografícas .................................................................................................. 207 6 Anexos ............................................................................................................................... 210 6.1 Glosario ....................................................................................................................................... 210 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Proceso de separación utilizando una barrera selectiva: la membrana. ..................... 194 Figura 2. Mecanismo de formación de la capa de torta. ........................................................... 197 Figura 3. Fuerzas que actúan sobre una partícula ..................................................................... 203 GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 190 LISTA DE ECUACIONES Flux de permeado ............................................................................................................................ 198 Resistencia total .............................................................................................................................. 198 Modelo de polarización de la concentración ................................................................................... 201 Modelo de polarización de gel ........................................................................................................ 201 Fuerza de arrastre ............................................................................................................................ 203 Fuerza de levantamiento de una partícula depositada ..................................................................... 203 Modelo de bloqueo de poro ............................................................................................................. 204 Modelo de torta filtrante .................................................................................................................. 205 Coeficiente de difusión hidrodinámica ........................................................................................... 205 NOMENCLATURA LETRAS GRIEGAS Resistencia específica de la capa de colmatación por unidad de masa c Porosidad del lecho Viscosidad dinámica del producto o permeado (Pa.s) ρ F Densidad del fluido Esfuerzo cortante SÍMBOLOS MATEMÁTICOS a Distancia adherida (0.4 nm) Area superficial de la membrana Concentración volumétrica de floculante ó sólidos rechazados Concentración de partículas o del componente en la alimentación C g Concentración de gel en la capa límite Concentración de partículas o del componente en la superficie de la membrana Concentración de partículas o del componente en el permeado Diámetro de partícula Caída de presión transmembrana (Pa) FRV Factor de reducción volumétrica Constante de Lifschitz-van der Waals J Flux de permeado (L/h.m 2 ) J w Flux del agua que atraviesa la membrana limpia (L/h.m 2 ) Flux de agua pura que atraviesa la membrana después del enjuague con agua (L/h.m 2 ) K Coeficiente de transferencia de masa MFT Microfiltración de flujo tangencial VFT Velocidad de flujo tangencial P tm Presión transmembranal (Pa) Velocidadde flujo volumétrico Q 0 Velocidad inicial de flujo de jugo clarificado (o permeado) r Radio de la partícula Resistencia por adsorción GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 191 Resistencia debida al bloqueo de poro Resistencia causada por la colmatación (m -1 ) o capa de torta Resistencia debida a la polarización de la concentración y capa polarizada (m -1 ) Resistencia hidráulica de la membrana limpia (m -1 ) Resistencia total (m -1 ) Tiempo de procesamiento o de filtración Volumen de permeado o volumen filtrado por unidad de área Velocidad tangencial (m/s) Velocidad de filtración (m/s) VFT Velocidad de flujo tangencial (m/s) GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 192 Factores que influyen en la colmatación de membranas de microfiltración tangencial y representación matemática RESUMEN Con el fin de asegurar un correcto funcionamiento y predecir el proceso de microfiltración tangencial (MFT), es preciso analizar cómo influyen las diferentes variables sobre el mecanismo de microfiltración. Debido a esto, se han propuesto numerosos modelos empíricos y métodos analíticos que tienen en cuenta diferentes factores que influyen en el rendimiento del proceso. La mayoría de los modelos se basan en los mecanismos de la polarización de la concentración de los coloides que se depositan en la superficie de la membrana, y en la polarización de gel; dichos modelos han sido evaluados en términos de su capacidad de predicción y de su aplicabilidad, teniendo en cuenta el tipo de membrana a utilizar y el tipo de material a procesar. Palabras clave: microfiltración tangencial, colmatación de membranas, 1 INTRODUCCIÓN Una de las características importantes de los procesos de filtración con membranas sometidos a un gradiente de presión, es que la separación sólido-líquido ocurre sin cambio de fase (se trabaja con temperaturas que comprenden desde los 4 a 50 ºC), siendo eficientes en la remoción de material orgánico e inorgánico y microorganismos (bacterias y virus) en suspensión. Los procesos membranarios ofrecen ventajas significativas en la industria en general debido a que se minimiza el consumo de energía, se recuperan productos de valor, se requieren bajos costos de inversión y se reduce la emisión de residuos que atentan contra el medio ambiente [Hwang and Lin 2002; Vaillant et al. 2001]. La microfiltración de flujo tangencial se ha aplicado con éxito a jugos de frutas tropicales y no tropicales altamente termosensibles (jugo de melón, piña, maracuyá, mango, lulo, mora de castilla, mandarina, banano, manzana, entre otras) gracias a la minimización de daños térmicos en los componentes sensibles presentes en el jugo [Girard and Fukumoto 2000; Sharma et al. 2003], a la conservación de la mayoría de las propiedades nutricionales y organolépticas, y a la estabilidad microbiológica [Vaillant et al. 2001; [Vaillant et al. 2008]]. Sin embargo, en Colombia y en países productores de frutas tropicales, la MFT para la clarificación de jugos de frutas es una tecnología que se considera aún en desarrollo. El principal limitante para la implantación de las tecnologías de membranas a escala industrial es la reducción continua del flujo de permeado con respecto al tiempo. En la mayoría de los casos, el flujo de permeado disminuye hasta un nivel tan bajo que obliga a detener el proceso de microfiltración con el fin de llevar a cabo una serie de lavados con químicos fuertes a altas temperaturas (60 – 80 ºC) para recuperar la permeabilidad de las GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 193 membranas y asegurar la obtención de altos flujos, dichos lavados pueden modificar la estructura y composición química de las membranas, y hacen que los procesos membranarios a escala industrial sean costosos debido a que se aumentan los tiempos de producción y en algunos casos obliga a la adquisición de nuevas membranas. Para una buena comprensión del mecanismo de colmatación de membranas cerámicas a escala piloto se deberá tener en cuenta la influencia de factores operacionales como la presión transmembranaria, velocidad tangencial, tamaño de poro de la membrana; y la composición del alimento, sobre la reducción del flujo de permeado durante el proceso de filtración de fluidos modelo constituidos por compuestos potencialmente colmatatantes contenidos en los jugos de frutas, por tal razón, se espera que este seminario aporte una luz en su comprensión y que ayude a que el uso de las tecnologías membranarias como proceso de clarificación de jugos a nivel industrial sea factible en Colombia. El Seminario que se presenta a continuación, hace una recopilación bibliográfica de los modelos desarrollados según los fenómenos, condiciones de operación, tamaño de poro de la membrana y de las partículas en suspensión, debido a que esta técnica de separación cada vez está siendo más utilizada en diferentes ámbitos industriales como: procesos químicos, biotecnológicos, cerámicos, materiales y en la industria de los alimentos para la obtención de jugos clarificados. 2 GENERALIDADES 2.1 DEFINICIÓN TECNOLOGÍAS MEMBRANARIAS Las tecnologías membranarias son procesos de separación que utilizan una barrera selectiva constituida por una membrana, la cual actúa como una barrera semipermeable que controla la cantidad de movimiento de varias moléculas entre dos fases líquidas, dos fases gaseosas o una fase líquida y una gaseosa impidiendo el flujo hidrodinámico normal [Geankoplis 1998]. La ventaja de las tecnologías membranarias sometidas a un gradiente de presión, es que los procesos de separación ocurren sin cambio de fase, puesto que se trabaja a temperatura ambiente. En el proceso de microfiltración tangencial, la alimentación fluye de manera paralela a la membrana y se caracteriza por: tener una corriente de permeado, constituida por partículas que por su tamaño pueden pasar la membrana, y una corriente de retenido que es tangencial a la superficie de filtración, la cual se diferencia por poseer sustancias que no pueden pasar los poros (Figura 1). GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 194 Figura 1. Proceso de separación utilizando una barrera selectiva: la membrana. Filtración tangencial (izquierda) y salida de filtración (izquierda). Fuente: Membralox ® El flujo tangencial reduce la formación de una capa filtrante y la mantiene en un nivel bajo, por lo tanto es posible obtener un flujo de permeado cuasi constante por largo tiempo [Ripperger and Altmann 2002]. Sin embargo, durante este proceso ocurre la disminución del flujo de permeado presentándose tres etapas muy bien marcadas, las cuales se diferencian por la velocidad de disminución del flujo y por las causas que la originan. La primera etapa dura solo unos pocos minutos y puede ser causada por la polarización de la concentración y por la capa de torta que se forma debido a la P tm aplicada [Mondor and Moresoli 2000; Wang and Song 1999], durante esta etapa, la resistencia debida a la polarización de la concentración (R p ) aumenta muy rápido alcanzando un valor equivalente al de la resistencia de la membrana (R m ); mientras que la segunda etapa (etapa de ensuciamiento) puede durar horas a medida que disminuye lentamente el flujo de permeado hasta aproximarse a un estado estable controlado por la transferencia de masa la cual depende del tamaño de poro de la membrana. La tercera etapa es casi un período cuasi- estacionario puesto que se presenta una disminución logarítmica constante “lineal” en el que el flujo desciende lentamente debido a la compactación de la capa de torta, en esta etapa, la R p domina el proceso, mientras que el tamaño de poro de la membrana llega a ser irrelevante [Girard and Fukumoto 2000]. 2.2 APLICACIONES DE LA MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL La primera aplicación de las tecnologías membranarias a gran escala fue para separar las colonias de microorganismos presentes en el agua potable. Hoy en día se han establecido como un proceso de separación, remoción o eliminación de: micropartículas (sólidos suspendidos), bacterias, virus de suspensiones y gotas de emulsiones [Kim and Yuan 2005];[Ripperger and Altmann 2002], razón por la cual se ha incrementado el interés técnico y comercial como un método alternativo para la filtración de productos farmacéuticos estériles (producción de soluciones inyectables) y biotecnológicos [Ho and Zydney 2000]; para la obtención de agua ultrapura (industria electrónica), gases reactivos y GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 195 solventes libres de partículas; concentración de suspensiones con el fin de recuperar productos de valor, regeneración de líquidos para procesos industriales, en la recuperación de químicos de curtidos vegetales, licores de cromo [Scholz and Lucas 2003]; para el tratamiento de aguas residuales y reducción de residuos que atentan contra el medio ambiente [Cheryan and Rajagopalan 1998]. Se ha demostrado que las tecnologías membranarias se pueden utilizar en la industria de alimentos y bebidas para la clarificación/pasteurización/esterilización de cerveza y fabricación de cerveza sin alcohol, clarificación de vinos y de jugos de frutas (la clarificación de jugos de frutas permite obtener un jugo estéril, el cual se puede adicionar a bebidas o yogurts, [Chiampo and Conti 1999] o un concentrado fibroso de pulpa que puede ser pasteurizado y añadido al jugo estéril con el fin de obtener un jugo reconstituido [Carneiro et al. 2002] o al jugo concentrado para obtener un jugo de pulpa [Matta et al. 2004]; en la separación de grasa, refinamiento de salsas como la salsa de soya [Furukawa et al. 2008], pasteurización/esterilización de leche, cidra y vinagre, para la separación de lipoproteínas, grasas, fraccionamiento de las proteínas del suero [Ho and Zydney 2000; Ho and Zydney 2002; Marshall et al. 1997], filtración de caldos de fermentación [Ripperger and Altmann 2002], entre otros. Muchas de las aplicaciones industriales de las tecnologías membranarias en el sector de los alimentos se han desarrollado en la industria láctea, siendo utilizadas en el tratamiento de la leche por ultrafiltración (UF), en la producción de queso, en el tratamiento del suero de la leche por UF y en la elaboración de leche fresca microfiltrada [Chacón-Villalobos 2006; Pérez]. A pesar que se ha extendido el campo de las aplicaciones de las tecnologías membranarias, aún existen limitaciones que impiden que las demás industrias de alimentos y bebidas las adopten en sus procesos, puesto que no solo ocurre la reducción continua del flujo de permeado, sino también la pérdida de la permeabilidad y de la selectividad, requiriendo de una serie de lavados con químicos fuertes a altas temperaturas (60 - 80 ºC) que en algunos casos modifican la estructura y la composición química de las membranas. 2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE LA MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL Se alcanza la esterilización comercial del jugo, siendo este proceso efectivo como un proceso alterno para la conservación, sustituyendo de esta forma la pasteurización térmica [Carneiro et al. 2002]. Como la separación es llevada a cabo bajo condiciones moderadas, se mejora la calidad del producto final con respecto a las propiedades sensoriales y nutricionales del jugo [Carneiro et al. 2002];[Matta et al. 2004]. El flux de permeado se ve afectado por la deposición e incrustación de partículas en la superficie y en los poros de la membrana [Carneiro et al. 2002]. GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 196 2.4 FACTORES QUE AFECTAN EL FLUX DE PERMEADO El flux de permeado se ve afectado por una serie de fenómenos que actúan simultáneamente como la polarización de la concentración y el ensuciamiento o “colmatación” de la membrana, los cuales se presentan por la influencia de parámetros o factores como las condiciones de operación [Dornier et al. 1995;[Vyas et al. 2002] las características físicas y químicas de la membrana y del alimento como el tamaño y forma de los macrocompuestos celulares que se depositan sobre la superficie o en el interior de los poros de la membrana según la relación tamaño de poro/tamaño de partícula [Belfort et al. 1994;Girard and Fukumoto 2000;[Seminario et al. 2002], que pueden alterar las interacciones entre solvente, soluto y membrana [Susanto et al. 2009]; los bajos pH de la alimentación [Schäfer et al. 2000]; la desnaturalización de proteínas y la forma de agregación de las mismas [Chan and Chen 2004]. A altas VFT y a bajas presiones se reduce la colmatación de la membrana de MFT, puesto que se disminuye la masa y el grosor de la capa de colmatación y por ende la resistencia a la filtración [Choi et al. 2005; Dornier et al. 1995; Kromkamp et al. 2005]. Sin embargo, un aumento en la P tm , en la temperatura, en el pH y en la velocidad de flujo de alimentación aumenta el flujo de permeado, mientras que un aumento en la concentración de la alimentación lo reduce [D´Souza and Wiley]. Las altas temperaturas disminuyen la viscosidad del permeado, reduce el efecto de la polarización de la concentración y aumenta la difusión molecular, a la vez que se obtienen altos flujos de permeado, para ello, se debe tener en cuenta el no sobrepasar las temperaturas permisibles que aseguren la conservación de las propiedades fisicoquímicas y organolépticas características a cada tipo de jugo. 2.5 MECANISMO DE FORMACIÓN DE LA CAPA DE TORTA Durante la microfiltración (MF), la membrana se somete a tres diferentes patrones del fenómeno de deposición de partículas sobre su superficie, los cuales son: polarización de la concentración seguido por la formación coloidal de torta/gel y la formación de agregados en la torta que crean una resistencia a la filtración [Kim and Yuan 2005], y por tanto reducen la permeabilidad de la membrana disminuyendo el flujo de permeado [Schäfer et al. 2000], véase figura 2. La secuencia de estos patrones es lo que se denomina “mecanismo de formación de la capa de torta”, llamado también mecanismo de colmatación de membranas o ensuciamiento de la membrana, el cual ocurre debido al taponamiento o bloqueo de los poros de la membrana, al aumento de la viscosidad del jugo al retornar solo la corriente de retenido al tanque de alimentación, al tamaño y forma de los coloides [Belfort et al. 1994], a los bajos pH [Schäfer et al. 2000]. La torta que se forma se caracteriza por la acumulación de sólidos insolubles (SIS) sobre la superficie o en los poros de la membrana [Singh and Cheryan 1997] produciendo un taponamiento reversible e irreversible de los poros. El taponamiento reversible se presenta si se mantiene constante la P tm y un bajo flujo [Vyas et al. 2002], éste se puede reducir si se GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 197 disminuye la P tm o la concentración del alimento [Singh and Cheryan 1997], en este caso, se recupera fácilmente la permeabilidad con el procedimiento de limpieza característico a cada tipo de membrana. En el irreversible la recuperación de la permeabilidad es casi imposible, puesto que se requiere de un sinnúmero de lavados que en la mayoría de los casos pueden afectar las características físicas y químicas de la membrana. Figura 2. Mecanismo de formación de la capa de torta. Fuente: S. Rippeger & J. Altmann (2002) GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 198 3 EFECTO DEL TRATAMIENTO ENZIMÁTICO 3.1 SOBRE LA MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL El tratamiento enzimático disminuye las incrustaciones de la membrana durante el proceso [Carneiro et al. 2002], debido a que se reduce el fenómeno de la polarización de la concentración y la formación de la capa de gel; al igual que se aumenta el flux de permeado durante el proceso, el cual puede relacionarse con la presencia de las enzimas que no fueron inactivadas y que presentan una actividad residual cuando la temperatura del proceso alcanza la temperatura óptima de acción [Matta et al. 2004]. 3.2 SOBRE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL JUGO MICROFILTRADO Con el tratamiento enzimático se reduce la viscosidad, el contenido de sólidos suspendidos en el jugo [Carneiro et al. 2002; Matta et al. 2004]. La reducción de la viscosidad altera el comportamiento reológico del jugo durante la microfiltración, el cual cambia de pseudoplástico a Newtoniano [Matta et al. 2004. La licuefacción enzimática con pectinasas y celulasas no solo afecta los valores de los sólidos insolubles suspendidos (SIS), sino también la capacidad de hinchamiento de los polisacáridos insolubles residuales degradados, resultando en una concentración mucho más alta de compuestos polisacáridos para la misma masa de SIS. 3.3 TEORÍA DE LA FILTRACIÓN La teoría de la filtración tradicional se describe por la ley de Darcy [Jegatheesan et al. 2009] en donde el flux de permeado es función de la presión transmembranaria y de la resistencia total: Flux de permeado tm m t P 1 dV J A dt R = = µ Ec (1) En términos generales, la R t se define como: Resistencia total ad b g f m t R R R R R R + + + + = Ec (2) Como se puede ver en la ecuación 1, éste es un modelo simple que describe en forma sencilla la relación caudal de filtración - presión transmembrana. Lo importante de este modelo es que se puede utilizar para estudiar la influencia de la estructura de la membrana sobre la morfología de la capa de torta que se forma durante la clarificación de jugos de frutas [Riedl et al. 1998], y para determinar el desempeño de membranas cerámicas de micro y ultrafiltración al considerar que la R t aumenta proporcionalmente con el volumen de filtrado [Jegatheesan et al. 2009], aunque [Boributh et al. 2009] encontraron que tanto la GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 199 resistencia total como la resistencia reversible e irreversible de colmatación disminuyen a medida que aumenta la concentración de la alimentación. Puesto que la determinación de la R t depende de la forma como se considere, es decir, se pueden considerar todas o algunas de las resistencias que la constituyen, o adicionar otras. [Ushikubo et al. 2007] consideraron que la resistencia total se determina por la suma de las tres primeras resistencias (R m , R f y R g ); experimentalmente [Chiampo and Conti 1999] encontraron que el proceso de ultrafiltración de jugos de pulpa de fruta es controlado por la resistencia de la capa de gel (R g ) que se forma sobre la superficie de la membrana, cuya resistencia la correlacionaron con la caída de presión transmembranaria mediante la ecuación para torta filtrante ( ) ( ) n g P a R A = en donde los valores de a y n dependen sólo de la clase de fruta; por otro lado, [Llanos et al. 2009] observaron que durante la ultrafiltración con membranas cerámicas de polímeros solubles en agua (ethoxylated polyethylenimine), la resistencia de la membrana siempre es mucho mayor que la suma de las resistencias de polarización y de colmatación, lo que implica que la resistencia de la membrana es la que gobierna el flux de permeado a través del sistema, en este caso tan solo se consideraría la resistencia de la membrana. El análisis de resistencia hecho por [Jiraratananon and Chanachai 1996] se basó en el estudio de la reversibilidad e irreversibilidad de la capa polarizada que crea la resistencia al flujo, en donde la resistencia reversible de la capa polarizada consistió de la polarización de la concentración de la capa y de la película depositada o del gel precipitado como resultado de la máxima solubilidad de las macromoléculas presentes en el jugo analizado, mientras que la resistencia irreversible se conformó por la resistencia semirreversible de la capa polarizada y por la resistencia a la colmatación o capa adsorbida que no se removió limpiando la membrana con agua. En otros estudios, [Jiraratananon et al. 1998] expresaron la resistencia total de la membrana como la suma de la resistencia de la membrana (R m ), la resistencia de la colmatación externa (R ef ) y la resistencia debida a la colmatación interna (R if ) la cual surgió del taponamiento interno de los poros de la membrana. Tanto la (R ef ) como la (R if ) se calcularon a partir de los datos del flux de la solución y del flux de agua antes y después de estar limpia la membrana; del análisis de los datos experimentales, encontraron que al utilizar suspensiones coloidales de dextran y PEG, el flux de permeado disminuyó gracias a la colmatación externa debida a la polarización de la concentración y por el depósito de partículas sobre la superficie de la membrana, mientras que el proceso de bloqueo de poro de una suspensión de bentonita siguió el modelo de torta filtrante. De cualquier modo, lo más importante de considerar esta ecuación es estimar el valor real de cada una de las resistencias y determinar su evolución durante el proceso de microfiltración tangencial. Los valores de estas resistencias por lo general se obtienen a partir de datos experimentales, lo que hace que existan muchos criterios como los anteriormente mencionados a la hora de calcular la R t . GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 200 3.4 MODELOS MATEMÁTICOS UTILIZADOS EN LA MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL La predicción del rendimiento y de la evolución del mecanismo de separación que tiene lugar durante la filtración con membranas requiere del uso de modelos matemáticos que permitan describir el sistema. Aunque los modelos que se han desarrollado han ayudado a entender los fenómenos que tienen lugar durante la filtración, cada uno de ellos tiene sus propias limitaciones, como por ejemplo: i) complejidad de las ecuaciones matemáticas involucradas, ii) válidos para estado estacionario y para ciertos alimentos bajo condiciones especiales de operación como también para jugos que presentan la misma concentración volumétrica inicial de partícula (C b ) [Vaillant et al. 2008]; iv) se han validado con equipos muy pequeños en donde el permeado se recircula al tanque de alimentación para mantener constante el factor de reducción volumétrica (FRV). Puesto que aún no se ha desarrollado un modelo matemático general que prediga la variación del flujo de permeado durante el proceso de microfiltración tangencial a diferentes parámetros de operación, según la composición de los compuestos potencialmente colmatantes contenidos en los jugos de frutas, en este aparte se hablará de algunos de los modelos existentes que describen de manera particular muchos de los mecanismos y fenómenos presentes durante la filtración, para lo cual, se tendrán en cuenta los modelos físicos, debido a que los modelos empíricos que se han desarrollado solo son útiles en la práctica y no ayudan a entender el proceso de microfiltración tangencial. Los modelos aquí presentados se han clasificado según la gran división dada por [Ripperger and Altmann 2002], quienes clasificaron los modelos físicos en dos grandes grupos a saber: 1. Modelos macroscópicos (Difusión molecular, difusión de corte inducido, transporte difusivo de partículas) 2. Modelos microscópicos (transporte tangencial de partículas, transporte lateral de partículas, superposición de diferentes efectos). Los modelos macroscópicos consideran el sistema de partículas como un continuo, mientras que los modelos microscópicos consideran el comportamiento de una sola partícula durante la filtración. Ambos modelos reducen un gran número de parámetros influyentes sobre el proceso al tener en cuenta tres mecanismos físicos básicos (hidrodinámica de las partículas, difusión de partículas e interacción de partículas y efectos superficiales). Los modelos que se presentan a continuación son los más utilizados por diferentes investigadores, los cuales han sido validados por sus respectivos autores para diversas aplicaciones. 3.4.1 Modelo de resistencia Se basa en la teoría de filtración descrita por la ley de Darcy (ecuación 1). El modelo de resistencia tiene la ventaja de incluir una descripción de las capas polarizadas no Newtonianas, soluciones concentradas de solutos, los cuales son capaces de formar estructuras vagamente limitadas, capas de torta sólida, de ser fácilmente extendidos para determinar la resistencia de colmatación con respecto al tiempo [Bowen and Jenner 1995], y de utilizarse con el fin de investigar las propiedades anti-colmatantes de membranas modificadas. GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 201 3.4.2 Modelos macroscópicos Se basan en la teoría de la difusión y polarización de la concentración sobre la superficie de la membrana, en donde el movimiento difusivo de las partículas causa un transporte de partículas opuesto al transporte convectivo del flujo filtrado o flujo de permeado, este comportamiento es descrito en el llamado modelo de película. 3.4.3 Modelo de polarización de la concentración Se basa en el mecanismo de “difusión molecular” sobre la membrana, este modelo también se conoce como “teoría de la película”. En el estado estacionario tanto el transporte difusivo como el convectivo están en equilibrio [Ripperger and Altmann 2002], en este caso el flux de permeado puede ser calculado como: Modelo de polarización de la concentración p f p m p f p m c c c c K c c c c D J ÷ ÷ = ÷ ÷ = ln * ln o Ec (3) siendo ( ) ( ) capalímite grosordela n ededifusió coeficient D K o = C p es dado por las características de la membrana, C m es la máxima concentración de un sistema fluido de partículas, K es el coeficiente de transferencia de masa. Los valores de K se ven afectados por factores como la velocidad de flujo tangencial, régimen de flujo, perfil geométrico del módulo membranario, viscosidad del fluido y difusividad de los componentes [Girard and Fukumoto 2000] y se pueden obtener utilizando el número adimensional Sherwood (Sh). La ecuación 3 es válida en cualquier posición axial, x, usando los valores locales de la capa límite y de las concentraciones de soluto. En este modelo no aparece ningún término de presión, por lo que sólo será válido en la región donde el flujo de permeado se vuelve independiente de la presión aplicada, esto es a altas presiones transmembrana, siendo controlado solo por la transferencia de masa [Girard and Fukumoto 2000] 3.4.4 Modelo de polarización de gel Un incremento en la presión durante el proceso de microfiltración produce un incremento temporal en el flux y un aumento en el grosor de la capa de gel que se forma sobre la superficie de la membrana, así como también, un aumento en la resistencia hidráulica que impide el paso al flujo del solvente. Para un rechazo de soluto del 100% 0 = p c , la ecuación 3, se puede escribir como [Bowen and Jenner 1995]: Modelo de polarización de gel GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 202 | | . | \ | = b g c c K J ln * Ec (4) Al igual que el modelo de polarización de la concentración, este modelo es válido en la región donde el flujo de permeado se vuelve independiente de la presión transmembrana, por lo que los fenómenos de transferencia se pueden tratar como un problema de una sola dimensión. El modelo de la polarización de gel presenta la ventaja que solo es necesario un ensayo representativo para determinar los dos parámetros del modelo ( ) K c g , [Vaillant et al. 2008; [Zhong et al. 2007], siendo el más utilizado en la MFT y en la Ultrafiltración de partículas en suspensión, aunque, cuando se trabaja con jugos de frutas se presentan ciertos problemas en la predicción del flujo de permeado, puesto que se debe trabajar con jugos que presentan la misma concentración volumétrica inicial de partículas, por tal razón [Vaillant et al. 2008], modificaron la ecuación 4 al asumir que la concentración volumétrica de partículas en la masa de torta (retenido) ( ) g c es afectado por un factor constante de proporcionalidad ( ) o , por la turbiedad medida ( ) 0 TU y por la fracción de reducción volumétrica (FRV), introduciendo a la vez la turbiedad virtual de la capa de gel ( ) g TU , ecuación 5. | | . | \ | = FRV TU TU K J g * ln * 0 Ec (5) Según [Vaillant et al. 2008] este modelo permite optimizar los parámetros de procesamiento y predecir el flux de permeado en condiciones industriales reales, debido al uso de un solo factor (turbiedad) que refleja el potencial de ensuciamiento del jugo. 3.4.5 Modelos microscópicos En estos modelos se consideran las fuerzas que actúan sobre una sola partícula (ver figura 3) como las fuerzas normales y la fuerza de arrastre. Las fuerzas normales que actúan sobre una partícula suspendida en la vecindad inmediata de la membrana son: la fuerza de arrastre que ejerce el flujo filtrante y la fuerza de levantamiento de la partícula (causada por el flujo cortante), éstas influyen principalmente en la deposición de partículas sobre la membrana [Zhong et al. 2007; [Ripperger and Altmann 2002] GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 203 Figura 3. Fuerzas que actúan sobre una partícula Fuente: Zhong, Xing et al. (2007) La fuerza de arrastre que ejerce el flujo filtrante (F y ) puede ser estimada con la ecuación de stockes [Zhong et al. 2007]: Fuerza de arrastre F p y v d F tµ 3 = Ec (6) Mientras que la fuerza de levantamiento de una partícula depositada se calcula como [Ripperger and Altmann 2002]: Fuerza de levantamiento de una partícula depositada ( ) u q µ t J d F p w L 5 . 0 3 5 . 1 358 . 0 = Ec (7) Con µ t q u w p d 2 = El cálculo se basa en los siguientes parámetros: Pa 001 . 0 = q , 3 / 1000 m kg = µ , Pa w 50 = t , 001 . 0 = µ . o como [Zhong et al. 2007]: µ µ t 5 . 0 3 5 . 1 761 . 0 p w L d F = Ec (8) Después que las partículas se depositan sobre la superficie de la membrana, las fuerzas que actúan sobre la partícula son las fuerzas adhesivas y las fuerzas hidrodinámicas. La fuerza de adhesión está dada generalmente por la fuerza de van der Waals (F vdw ). GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 204 En estado estacionario (considerando solo los efectos hidrodinámicos), la máxima velocidad de filtración surge del balance de fuerzas entre la fuerza de arrastre y la fuerza de levantamiento [Ripperger and Altmann 2002]: ( ) ( ) u ¢ ì q µ t tq J x x x F v K w L F , 038 . 0 3 2 5 . 0 2 5 . 1 = = Ec (9) [Zhong et al. 2007; Ripperger and Altmann 2002] encontraron que el predominio de cada una de estas fuerzas sobre la partícula depende de la intensidad de la velocidad de flujo tangencial (VFT) y del tamaño de partícula, por ejemplo, a bajas VFT la fuerza de arrastre es mayor que la fuerza de levantamiento y las partículas finas serán transportadas hacia la superficie de la membrana para luego formar depósitos, mientras que las partículas grandes tendrán una mayor fuerza de levantamiento, lo que significa que no tocarán la capa formada por las partículas que se depositan. El modelo de balance de fuerzas sirve para determinar cómo se forma la torta de colmatage y se aumenta la resistencia a la filtración por efecto de la deformación de partículas debido a la fricción de arrastre y a la masa de torta, y al área de contacto entre partículas [Lu et al. 2002] 3.4.6 Modelo de bloqueo de poro Hermans & Bredée, 1936 desarrollaron la ecuación general que describe la relación entre el volumen filtrado y el tiempo de filtración, con la cual se determina el tipo de bloqueo (bloqueo completo, bloqueo estándar, bloqueo intermedio y torta filtrante) [Chandler and Zydney 2006; Ho and Zydney 2000; Hwang and Lin 2002]. Los modelos de bloqueo de poro se aplican muy bien a la filtración frontal, sin embargo, pueden ser adaptados a la filtración tangencial si se logra calcular la proporción de material soluble aún no depositado (Herminia, 1982). Modelo de bloqueo de poro n dV dt k dV t d | . | \ | = 2 2 Ec (10) ó ( ) n m JA kJ dt dJ ÷ ÷ = 2 Ec (11) Los valores de n y la expresión de la constante k dependen de los modelos de bloqueo. Para n = 2 bloqueo completo, n = 1.5 constricción o reducción de poro (bloqueo estándar), n = 1 bloqueo intermedio, n = 0 torta filtrante. [Jiraratananon et al. 1998] presentaron las ecuaciones desarrolladas del modelo de bloqueo de poro por Hermia 1982 para la filtración a presión constante, las cuales se aplican a fluidos no newtonianos que siguen la ley de potencia y se supone que las membranas tienen poros de tamaño uniformes. GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 205 El modelo de torta filtrante se puede expresar de la siguiente forma: Modelo de torta filtrante 0 0 2 1 Q R A V c Q V t m m b s o + = Ec (12) Como se puede ver, los valores de x o , b c y 0 Q se pueden determinar de la gráfica V t vs V. Según [Jegatheesan et al. 2009], el modelo de torta filtrante presentado en la ecuación 12 predice muy bien los valores iniciales del flux para membranas de 0.02 y 0.05 . Por otra parte, [de Barros et al. 2003] encontraron que el mecanismo de colmatación generado durante la ultrafiltración de jugo de piña con membranas cerámicas tubulares es controlado por el bloqueo completo de poro; mientras que cuando se ultrafiltra con membranas polisulfonas de fibra hueca lo controla la torta filtrante. 3.4.7 Modelo de difusión de corte inducido El modelo de difusión de corte-inducido describe la migración de partículas en una suspensión en flujo cortante [Kromkamp et al. 2005]. Los modelos de difusión de corte inducido incluyen factores de concentración de partículas (en la solución y cerca de la pared de la membrana) para predecir el flux de permeado, debido a que se asume que la difusión de corte inducido de partículas que están lejos de la superficie de la membrana, es dado por las interacciones entre partículas que están cerca de la pared de la membrana [Li et al. 2000]. El modelo clásico de difusión de corte inducido, fue propuesto por Zydney y Colton en 1986, quienes asumieron que la difusión de las partículas está dada por el coeficiente de difusión hidrodinámica [Li et al. 2000]. Coeficiente de difusión hidrodinámica 0 2 03 . 0 ¸ a D = Ec (13) En donde, para un rango de concentración en el alimento 5 . 0 2 . 0 b | , el flux de permeado se puede expresar como: | | . | \ | | | . | \ | = b w L a J | | ¸ ln 078 . 0 0 3 1 4 Ec (14) siendo D el coeficiente de difusión de corte inducido, a constante, 0 ¸ velocidad de corte en la pared del canal, L longitud del canal, w | , b | concentración o fracción volumétrica de GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 206 partículas en la vecindad de la pared de la membrana, concentración volumétrica de partículas en la solución alimentada. La ecuación 14 aplica para altas concentraciones, en donde se asume que D es constante, esto se debe a que la polarización de la concentración aumenta considerablemente la concentración de partículas en las proximidades de la pared ( ) b w | | , incluso antes que se depositen en la superficie. El modelo clásico de corte inducido predice razonablemente el flux crítico de permeado para partículas de latex de 6.4 µm y levaduras, al igual que el modelo modificado de corte inducido de Eckstein, el cual utiliza la difusividad de corte inducido para suspensiones diluidas, 0 2 1 . 0 ¸ | a D w = , [Li et al. 2000]. 3.4.8 Modelos combinados De la combinación de los modelos físicos anteriormente enunciados, han surgido nuevos modelos cuyas soluciones requieren en algunos casos del uso de métodos analíticos o programas computacionales con el fin de validar las ecuaciones desarrolladas por medio de la simulación de las condiciones operacionales obtenidas durante los ensayos. Algunos modelos consideran el movimiento difusivo browniano o la difusión de corte inducido, mientras que otros consideran una combinación de factores, como la unión entre el mecanismo de bloqueo estándar de poro y la torta filtrante incorporando a la vez el concepto de filtración clásica [Furukawa et al. 2008], la combinación del mecanismo de bloqueo completo de poro con el de torta filtrante [Chandler and Zydney 2006; Ho and Zydney 2000; Ho and Zydney 2002]. La aplicabilidad de los modelos combinados depende de los parámetros de operación, de las características físicas y químicas de las membranas y del alimento, entre otros factores que permiten obtener una descripción completa y rigurosa del comportamiento taponante de una membrana de microfiltración. 4 CONCLUSIONES Los modelos aquí expuestos tienen en cuenta los efectos de difusión de partículas a través de la membrana, las interacciones entre partículas; en donde el tamaño de partícula apropiado generalmente está por encima de 0.1 m µ , el cual está dentro del rango de trabajo para un equipo de microfiltración y ultrafiltración, ampliamente utilizados para la filtración coloidal en general. La selección del modelo a utilizar implica un análisis concienzudo, ya que se debe tener en cuenta el tipo de fluido a tratar y las características físicas de la membrana (tamaño de poro, tipo de material) a utilizar. El modelo escogido debe predecir muy bien el comportamiento GALLEGO O., HEI DY L. COLMATACI ÓN DE MEMBRANAS EN M.F. TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 207 del flujo de permeado durante el proceso de microfiltración, siendo consistente con los datos obtenidos experimentalmente. 5 REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS [1] BORIBUTH, S., CHANACHAI, A. AND JIRARATANANON, R. Modification of PVDF membrane by chitosan solution for reducing protein fouling. Journal of Membrane Science, 2009, vol. 342, no. 1-2, p. 97-104. [2] BOWEN, W.R. AND JENNER, F. Theorical descriptions of membrane filtrarion of colloids and fine particles: An assessment and review. Advances in Colloid and interface science, 1995, vol. 56, p. 141-200. [3] CARNEIRO, L., DOS SANTOS SA, I., DOS SANTOS GOMES, F., MATTA, V.M. AND CABRAL, L.M.C. Cold sterilization and clarification of pineapple juice by tangential microfiltration. Desalination, 2002, vol. 148, no. 1-3, p. 93-98. [4] CARNEIRO, L., DOS SANTOS SA, I., DOS SANTOS GOMES, F., MATTA, V.M. AND CORRÊA CABRAL, L.M. 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TANGENCI AL ReCiTeIA - v.11 n.1b 210 6 ANEXOS 6.1 GLOSARIO - Agregados: Un agregado es tratado hidrodinámica y geométricamente como un sólido equivalente a una capa porosa (Kim & Rong, 2005). - Coloide: En química un coloide, suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema fisico-químico formado por dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas (wikipedia). - Flujo crítico: Es el mínimo flujo al cual aparece el ensuciamiento sobre la membrana, dicho de otra forma, el flujo crítico representa el flujo de permeado por debajo del cual no ocurre el ensuciamiento. También, se define como las condiciones de operación del proceso a las cuales se forma un depósito irreversible sobre la membrana (Bacchin et al., 2005). - Permeado: Es la corriente de fluido que pasa a través de la membrana, la cual contiene solvente o solventes y las especies no rechazadas; también llamado filtrado (Membralox ®) - Polarización de la concentración: Se produce cuando la separación de soluto y solvente toman lugar en la superficie de la membrana, en donde el solvente pasa a través de la membrana y el soluto retenido causa el aumento en la concentración local (Bowen & Jenner, 1995). - Teoría convencional de filtración: La teoría de la filtración convencional se deriva de los estudios de la mecánica de fluidos en medios porosos. La ecuación que describe el movimiento de fluidos newtonianos a través de medios porosos, fue formulada en 1856 por el geólogo Francés D’Arcy. - Tratamiento enzimático: El tratamiento enzimático consiste en la hidrólisis de polisacáridos solubles (provenientes de las paredes celulares de las frutas), los cuales son responsables de la alta viscosidad del jugo, y en la licuefacción de los polisacáridos no solubles tales como: pectinas, celulosa, hemicelulosa y lignina de las células. Para este caso se utiliza enzimas como Pectinez SP-L y Celuclast 1.5 L de Novo Nordisk (Carneiro et al., 2002 citado por Vaillant et al. 2001). MASTITIS BOVINA: ENFOQUE BIOTECNOLÓGICO Autor: HERNANDO MORALES LÓPEZ LAVERLAM S. A. - UNIVERSIDAD DEL VALLE CALI – COLOMBIA 2011 MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 212 Información de los Autores: Hernando Morales López Médico Veterinario Zootecnista candidato a Ms.C. en Biología, Universidad del Valle Director de Control de Calidad y Diagnostico en LAVERLAM S. A. Dirección postal Carrera 5º # 47 – 165 Santiago de Cali, Valle del Cauca, Colombia e-mail:
[email protected] Las opiniones expresadas en este documento no son necesariamente opiniones de la Revista ReCiTeIA, de sus órganos o de sus funcionarios. ReCiTeIA no se hace responsable de materiales con derecho de autor tomados sin autorización por los propios autores. Edición: 2011 © ReCiTeIA. ISSN 2027-6850 Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected],
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 213 Mastitis bovina: Enfoque biotecnológico Hernando Morales López LAVERLAM S. A. – Colombia CONTENIDO Lista de Tablas ............................................................................................................................ 213 Lista de Figuras ........................................................................................................................... 213 Resumen...................................................................................................................................... 214 Abstract ....................................................................................................................................... 214 1 Introducción ....................................................................................................................... 215 1.1 Antecedentes ............................................................................................................................... 215 2 Definición de mastitis. ....................................................................................................... 217 3 Etiología. ............................................................................................................................ 218 4 Epidemiología. ................................................................................................................... 218 4.1 Características bacterianas........................................................................................................... 219 4.1.1 Adaptabilidad y resistencia bacteriana. .............................................................................. 219 4.1.2 Plásmidos de resistencia. ................................................................................................... 221 4.2 Mecanismos de transmisión. ....................................................................................................... 224 4.3 Prevalencia. ................................................................................................................................. 224 4.4 Pérdidas económicas. .................................................................................................................. 224 5 Patogenia. ........................................................................................................................... 225 6 Manifestaciones clínicas. ................................................................................................... 226 7 Patología clínica y diagnostico. .......................................................................................... 226 8 Tratamiento. ....................................................................................................................... 228 9 Prevención. ......................................................................................................................... 232 9.1 Inmunización. .............................................................................................................................. 233 9.1.1 Factores nutricionales. ....................................................................................................... 234 9.1.2 Factores genéticos. ............................................................................................................. 234 9.2 Uso de autovacunas. .................................................................................................................... 236 9.2.1 Breve descripción de elaboración y acción de la autovacuna. ........................................... 238 10 Conclusiones. ..................................................................................................................... 239 11 Referencias bibliografía. .................................................................................................... 240 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Antibióticos más usados para el control de la mastitis en lactancia (tasa de curación) 229 Tabla 2. Antibióticos más usados para el control de la mastitis en periodo seco 231 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Esquema de un plásmido bacteriano. 223 MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 214 Mastitis bovina: Enfoque biotecnológico RESUMEN El incremento de la resistencia antibiótica por parte de los microorganismos, mediados principalmente por la incorporación de plásmidos bacterianos R y el afinamiento de mecanismos de evasión del sistema inmune, especialmente por el crecimiento en biofilms, recubiertos por exopolisacaridos, ha provocado grandes pérdidas a la industria láctea, debido a la capacidad de las infecciones a persistir largo tiempo en la glándula mamaria. Esto ha conducido al fracaso de la terapia antibiótica. Lo anterior ha obligado a retomar acciones en las áreas de inmunización y genética contra este mal. En el pasado se presentaron resultados poco alentadores en la búsqueda de una respuesta inmune adecuada, a partir del uso de bacterinas, soportada en la poca o nula comprensión de los mecanismos moleculares que intervienen en el desarrollo de la respuesta protectora celular y humoral. Con la invención de nuevas técnicas de estudio molecular, el descubrimiento y la comprensión del mecanismo de acción de proteínas y enzimas celulares, se ha ampliado el horizonte en el campo de la inmunización con resultados más consistentes y duraderos para el control eficaz de la mastitis bovina. Palabras clave: Recuento de Células Somáticas, Resistencia, Plásmido de Resistencia. ABSTRACT The increase of the resistance antibiotic on the part of the microorganisms happened by the incorporation of bacterial plasmids and the tune-up of mechanisms of evasion of the immune system, especially for the growth in biofilms, covered for exopolysaccharides, has provoked big losses the lacteal industry, due to the increase of become chronic of the infections in the mammary gland. This has driven to the failure of the antibiotic therapy. The previous thing has forced to take again actions in areas of immunization and genetics against this evil. In the past they presented slightly encouraging results in the search of an immune suitable response, from the use of bacterins, supported in small or void comprehension of the molecular mechanisms that intervene in the development of the protective cellular response and humoral. With the invention of new technologies of molecular study, the discovery of polymers and the comprehension of the cellular pacemaker the horizon has been extended in the field of the immunization by more consistent and lasting results for the effective control of the bovine mastitis. Keywords: Somatic Cells Counter, Bacterial Resistance, Resistance Plasmids. MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 215 1 INTRODUCCIÓN A través de la evolución nutricional del ser humano, este se ha servido de variados alimentos, entre ellos la leche de diversos mamíferos, especialmente la de los herbívoros rumiantes. Debido a su composición es catalogado como el alimento más completo que existe en la naturaleza, con un adecuado balance entre proteínas, vitaminas, minerales, lípidos, azucares y agua, lo que lo hace altamente susceptible a la colonización bacteriana indeseada (26). En el antiguo Medio Oriente donde las tribus nómadas Beréberes, Beduinos y Berberiscos empezaron a buscar cómo combatir las consecuencias de la contaminación bacteriana en leche de camella (controlando la fermentación butírica y gaseosa), utilizando enzimas de origen animal para lograr derivados de la leche fresca y así prolongar su conservación (26). Solamente fue hasta finales del siglo XIX y principios del XX cuando se aceleró el desarrollo de la industria de conservación de alimentos, inventando y descubriendo nuevas tecnologías y por ende nuevos productos. Es así, que actualmente encontramos procesos que eliminan el 100% de los microorganismos en la leche y mecanismos que permiten que esta se conserve así por largos periodos aun sin refrigeración. Si bien el hombre ha logrado procesos notables a nivel de post-cosecha de la leche, se sigue enfrentando a retos cada vez más grandes a nivel de la producción en hato, debido a múltiples factores, que los podemos clasificar en tres grupos fundamentales: El primero obedece al incremento en la presión de selección para obtener animales más productivos, sacrificando con ello la resistencia natural del sistema inmune a las infecciones; el segundo depende del manejo medico inadecuado e insuficiente de los antibióticos y el tercer factor que no depende directamente del hombre, es la adaptación de los sistemas enzimáticos bacterianos a las dos anteriores condiciones (26). 1.1 ANTECEDENTES Existe mucha literatura referente a la Mastitis bovina, a nivel mundial y el consenso general es que esta es la enfermedad más importante en la producción bovina, debido a la prevalencia y a las pérdidas económicas por disminución en la cantidad y calidad de la leche obtenida de animales enfermos en forma subclínica, donde la principal característica del producto obtenido es que a simple vista se ve normal, es decir, carente de sangre, coágulos de caseína, pus o suero desde la ubre, pero al practicarle pruebas básicas como el California Mastitis Test revela un alto contenido en el número de células somáticas, las cuales no son otra cosa que células epiteliales y del sistema inmune que llegan a la ubre por factores quimiotácticos propios de una respuesta defensiva ante las agresiones de tipo microbial al cual está expuesta la glándula mamaria. Hay dos aspectos de importancia capital en la prevalencia y manifestaciones clínicas de la mastitis bovina, los cuales son inherentes a la evolución bacteriana permitiendo una mejor adaptación a su entorno, como son a saber: MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 216 Crecimiento bacteriano en forma de biofilms y la incorporación de plásmidos de resistencia Estos dos aspectos moleculares del desarrollo bacteriano han traído serias consecuencias biológicas y económicas a los consumidores, procesadores industriales de leche y ganaderos. Desde el descubrimiento de la penicilina por Alexander Fleming se ha descubierto un gran número de sustancias pertenecientes a diferentes grupos, dependiendo de su naturaleza química y su modo de acción en contra de los microorganismos, sustancias estas, se presumía, eran una solución eficaz y definitiva contra las enfermedades de origen bacteriano, lo cual no resulto ser del todo cierto. Si bien es irrefutable que la primera línea de defensa que tiene el hombre, los animales y aun las plantas son este tipo de sustancias, también es cierto que con el transcurrir del tiempo, las bacterias adaptan sus sistemas biológicos para defenderse de estas sustancias, permitiendo que el hombre contribuya a una buena medida a seleccionar súperbacterias que son potencialmente mortales para los eucariotas, debido a su mayor capacidad de adaptarse a diferentes especies incluyendo al hombre. En el documento RIMSA 11/10 correspondiente al punto 12 del orden del día provisional y emitido posteriormente en la ciudad de Washington, D. C., 13 – 15 de abril de 1.999, en la XI REUNION INTERAMERICANA DE SALUD ANIMAL A NIVEL MINISTERIAL, de la ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE LA SALUD, podemos encontrar conclusiones como las siguientes: “El papel del uso veterinario de los antibióticos para el tratamiento de enfermedades como para la “promoción del crecimiento” ha propiciado la cambios en la legislación de algunos países, respecto a limitar su uso, e incluso a prohibirlos en la producción de alimentos de origen pecuario.“El concepto de resistencia de un microorganismo a un antibiótico no es nuevo. En realidad, la resistencia ha aparecido con cada antibiótico nuevo, aunque con variaciones en cuanto al tiempo y la intensidad.” “Muchos hongos del suelo y bacterias producen antibióticos para controlar y matar a los microorganismos competidores que ponen en peligro su nicho ecológico. Estos microorganismos productores de antibióticos portan un gen para producir el antibiótico, pero también portan genes de resistencia a los antibióticos para que el propio microorganismo no sea destruido. Por lo tanto, por cada antibiótico existe un mecanismo natural de resistencia (Harris, et. al., 1.995)” Ejemplos de fármacorresistencia: La Salmonella presenta resistencia múltiple (de 8 a 10 antibióticos). El ciprofloxacino llegó a ser el único antibiótico eficaz contra la fiebre tifoidea, pero ya ha surgido la tifoidea resistente al ciprofloxacino. La neumonía y meningitis por neumococo se han tratado regularmente con penicilina, pero hay un aumento de las cepas resistentes a esta; algunas cepas presentan fármacorresistencia múltiple. Es importante reconocer dos mecanismos: Uno es la transferencia de microorganismos resistentes a los antibióticos; el otro es la selección de la resistencia a MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 217 los antibióticos en las poblaciones bacterianas comensales no patógenas a las cepas patógenas. La resistencia a los antibióticos ocurre ampliamente en las bacterias de los animales domésticos y varía enormemente según las prácticas de gestión, el uso de antimicrobianos y el grado y la naturaleza de las enfermedades presentes en las unidades pecuarias. La industria láctea no ha sido la excepción al paradigma del uso de antibióticos para el control de enfermedades bacterianas, de hecho para muchos productores de leche no sería posible hoy en día tener explotaciones lecheras sin el uso de antibióticos, aun con el riesgo biológico tan alto que conlleva su uso, debido a que los microorganismos (bacterias y hongos especialmente), producen sustancias antibióticas por medio de codificación genética para defender su nicho (enzimas de restricción) de otros competidores, pero también trae implícita la producción de moléculas que inactivan su propio mecanismo de defensa, para no ser autodestruidas, este mecanismo esta mediado por material genético denominado Plásmidos de resistencia los cuales se describieron en otro aparte de este documento (13, 18). Para determinar la prevalencia de infecciones mamarias subclínicas se ha utilizado en forma standard a nivel mundial la prueba de California Mastitis Test (CMT) la cual presenta una escala de calificación que va de cero a cinco, siendo cero la mejor calificación, debido a la no-formación de grumos por la escasa presencia de células somáticas y 5 la peor calificación debido a la formación de gelatina por la presencia de un numero alto de células somáticas. Existen otros sistemas de calificación de cuartos mamarios, utilizando métodos electrónicos de detección de cloruros. Determinación de células somáticas mediante sistemas electrónicos, estos dos métodos usan la escala de Wisconsin como regla de calificación; va de cero a nueve, siendo cero la mejor calificación y nueve la peor. Estas pruebas son consideradas una variación de CMT. Existe también otra prueba similar a CMT, llamada prueba de Brabante. También se recurre a determinaciones bacteriológicas por medio de cultivos o pruebas indirectas como la reducción del azul de metileno u otras sustancias colorantes como indicadoras del número de bacterias presentes en la leche cruda (6, 25). 2 DEFINICIÓN DE MASTITIS. Etimológicamente se define la mastitis clínica como la afección que produce inflamación a nivel de la glándula mamaria trayendo consigo cambios en las características organolépticas, físicas, químicas y microbiológicas de la leche. La mastitis subclínica se puede definir como una enfermedad caracterizada por la presencia de una cantidad significativamente aumentada de células en la leche, procedente de glándulas enfermas con cambios físico-químicos, organolépticos y microbiológicos aun en ausencia de síntomas inflamatorios o de manifestaciones sistémicas. El diagnóstico y calificación de la mastitis subclínica depende en gran medida de pruebas indirectas basadas en el recuento de células somáticas. MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 218 3 ETIOLOGÍA. Se ha responsabilizado a muchos agentes infecciosos, entre ellos los más importantes son las bacterias, con predominio de las bacterias Gram positivas que incluyen aproximadamente 23 serotipos de Streptococcus agalactiae (23) y alrededor de 20 serotipos de Staphylococcus aureus (24). Las bacterias Gram negativas (mastitis medioambiental) como Escherichia coli con más de 80 serotipos está incrementando su prevalencia, en parte debido al uso de antibióticos betalactamicos para el control de bacterias Gram positivas (mastitis contagiosa; incluye la mastitis por Mycoplasma bovis) como las dos especies bacterianas citadas, mencionadas en primer término (6, 25). Si bien existen muchos otros microorganismos encargados de producir mastitis, estos son menos frecuentes de encontrar como causa primaria de la enfermedad. Podemos mencionar específicamente a gérmenes como: Bacillus céreus, Clostridium perfringens, Salmonella sp (más de 180 serotipos), Listeria monocytogenes, Pseudomona aeuruginosa, Enterococcus faecalis, Klebsiella sp (6, 20, 26). También dentro de los microorganismos productores de mastitis podemos citar a los hongos de los géneros Trichosporon sp, Aspegillus sp, Pichia sp, y otras levaduras. La glándula mamaria, también puede ser afectada por infecciones sistémicas, que alcanzan el epitelio mamario vía hematógena; las principales entidades son: La Leptospira interrogans (algunos de sus serovares), Brucella abortus y Mycobacterium tuberculosum; Staphylococcus epidermidis y Corynebacterium bovis, son un hallazgo habitual en la glándula mamaria de los rumiantes pero clínicamente no tienen importancia por su baja patogenicidad. Eso sí, son un indicador valioso sobre el adecuado manejo sanitario de las ubres. En infecciones experimentales por Corynebacterium bovis se produce un leve incremento no significativo del recuento de células somáticas en la leche, acompañado de una infección persistente en el conducto del pezón, sin cambios en la composición de esta (6). 4 EPIDEMIOLOGÍA. La infección de la glándula ocurre a través del conducto del pezón, a partir de dos fuentes principales de contaminación: La ubre infectada y el medio ambiente (manos de ordeñadores, pezoneras, paños de lavado y secado). Las diferencias entre bacterias, en lo que se refiere a la capacidad de producir un estado de infección mamaria, dependen de por lo menos dos grupos importantes de factores: Características bacterianas y mecanismos de transmisión (6). MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 219 4.1 CARACTERÍSTICAS BACTERIANAS. Capacidad del microorganismo para vivir en el medio cercano a la vaca, es decir, capacidad de resistir a las influencias medioambientales naturales y las inducidas por el hombre como por ejemplo los métodos de limpieza y desinfección. Capacidad para colonizar el conducto del pezón. Capacidad de adherirse al epitelio mamario y establecer una reacción infecciosa. Resistencia al tratamiento antibiótico (6, 9). 4.1.1 Adaptabilidad y resistencia bacteriana. El mayor problema que enfrenta la industria láctea mundial es sin lugar a dudas la tendencia a la persistencia de las infecciones mastiticas debido a factores inherentes a la capacidad de evolucionar de las bacterias, quienes al igual de todos los seres vivos buscan la supervivencia y perpetuación de la especie por medio de mecanismos moleculares especializados en evadir el sistema inmune y eliminar moléculas que bloquean la síntesis de proteínas y enzimas necesarias para su replicación, bien sea por medio de la creación de nuevas rutas metabólicas que sustituyan las vías bloqueadas por moléculas medicamentosas o por la síntesis de enzimas que desnaturalicen sustancias toxicas para la bacteria en metabolitos inocuos para estas. Ello ha traído a los ganaderos grandes pérdidas económicas, debido a mermas en la producción láctea por los siguientes aspectos: 1. Daño irreversible del tejido secretor. 2. Disminución del volumen de producción por incapacidad del tejido secretor de expresar todo su potencial genético debido a la inflamación. 3. Perdidas por retención de leche de cuartos afectados. 4. Retiro de producción (si se hace) por presencia de antibióticos en leche. 5. Tratamientos antibióticos muchas veces infructuosos. 6. Por sacrificio de animales inservibles. Igualmente los industriales se han encontrado con problemas de producción debido a la persistencia de productos antibióticos en leche que no permiten la elaboración de derivados, porque los inóculos utilizados en la manufactura de estos mueren o pierden capacidad enzimática, trayendo como consecuencia la variación en la calidad de los productos, perdidas de mercado y retiros en la línea de producción, cuando son detectados. Si estos productos contaminados no se detectan, llegan al consumidor final, quien es el gran perdedor debido a todas las implicaciones para la salud que trae el consumo “per se” de sustancias terapéuticas en microdosis o dosis subterapeuticas. En la leche procedente de vacas tratadas con antibióticos contra la mastitis, se han identificado bacterias viables, potencialmente patógenas para el hombre, en presencia de MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 220 concentraciones antibióticos más altas que en el suero sanguíneo, lo que hace más complejo el panorama para la industria y el consumidor final (25). La persistencia bacteriana en el tejido secretor y en la leche se debe básicamente a dos mecanismos desarrollados por los microorganismos: Síntesis de biofilms e incorporación de plásmidos de resistencia bacterianos (9, 13, 14). 4.1.1.1 Biofilms. Los biofilms son comunidades bacterianas recubiertas de una matriz de aspecto gelatinoso poco densa, producida por las bacterias adheridas a una superficie viva o inerte. Esta estrategia bacteriana es un medio eficaz alcanzado por estas para crecer y supervivir en un medio hostil (9). Los biofilms se cohesionan en forma de microcolonias, recubiertas laxamente, lo que les permite nutrirse y excretar metabolitos; igualmente por causa de la cobertura por exopolisacaridos (serotipo), cualquier proteína de alto peso molecular como por ejemplo los anticuerpos tipo IgM o IgD y proteínas del complemento se hundirán en esta gruesa capa de gelatina, lo que no permite que la fracción Fc de las Ig quede expuesta a los receptores Fc de superficie de los macrófagos para promover la fagocitosis y mucho menos la presentación antigénica mediante las moléculas pertenecientes al Complejo Principal de Histocompatibilidad (MHC) (1, 27). Una ventaja del desarrollo de biofilms para las bacterias que lo realizan, es el crecer en forma de empalizada, siendo las bacterias superficiales las que expresan toda su capacidad de trascripción génica para la síntesis de las cadenas sacaridicas que cubren la pared bacteriana externa del biofilm (9). Las bacterias de las capas más bajas se encuentran en latencia, haciéndolas poco o nada sensibles a los antibióticos que logran pasar la capa polisacaridica, por dos razones: La baja actividad metabólica de las bacterias de las capas inferiores y a la distribución en forma de ladrillos de la película bacteriana (14). Los biofilms bacterianos logran sobrevivir aun en presencia de concentraciones adecuadas de antibióticos sintéticos o de bacteriocinas, lactoferrina, lactoperoxidasa (antibióticos naturales de la leche) en el epitelio mamario, debido a la baja penetración de estas sustancias a todas las capas del biofilm y a la baja absorción del antibacteriano por el escaso metabolismo de las células bacterianas ubicadas en la parte baja del biofilm. Las bacterias solas sin exopolisacaridos son fácilmente opsonizadas por anticuerpos y fagocitadas por los macrófagos. Si están en forma de biofilm y no existen los anticuerpos específicos contra el polisacárido externo, la bacteria no podrá ser opsonizada y pasara desapercibida para el sistema inmune, logrando evadirlo. Por lo anteriormente expuesto, es necesario buscar la producción de anticuerpos contra epítopes específicos del exopolisacarido, para lograr una respuesta inmune adecuada y duradera. MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 221 4.1.1.2 Bacterias productoras de biofilms. Bacterias de importancia a nivel de patología de la glándula mamaria son algunas productoras de biofilms, lo que incrementa el riesgo de cronicidad y adquisición de resistencia a los agentes quimioterapeuticos, lo que permite concluir que dichas especies bacterianas son difíciles de erradicar de las explotaciones una vez se han establecido, porque han logrado afinar su maquinaria bioquímica a las condiciones medio-ambientales y biológicas presentes en dicho entorno (5). Se puede mencionar entre las bacterias productoras de biofilms los siguientes grupos: Streptococcus sp., Staphylococcus sp., Pasteurella sp., Actinobacillus sp., Mycoplasma sp., Haemophylus sp. (8). Cuando las bacterias colonizan tejidos vivos, utilizan mecanismos de adhesión para salvar la primera línea defensiva del sistema inmune innato: Las barreras físicas y químicas (moco, saliva, leche, pH, movimientos peristálticos). Básicamente las bacterias utilizan para este fin estructuras como adhesinas, cilios, fimbrias, flagelos (8). 4.1.2 Plásmidos de resistencia. 4.1.2.1 Definición. Aunque en general es adecuado decir que el genoma de los procariotas consta de un solo cromosoma, muchas bacterias poseen, además uno o varios elementos génicos accesorios extracromosomicos (18). Estos tienen capacidad de replicación autónoma (es decir, constituyen replicones propios). En otras palabras son dúplex de ADN circulares cerrados covalentemente, superenrollados con un PM de 5 x10 6 y un número de copias por célula que varía entre una o dos hasta veinte y un tamaño por copia que va desde 2 hasta 500 Kb como el de Pseudomona sp (13). 4.1.2.2 Tipos de plásmidos. Los hay de dos tipos: Conjugativos o autotransmisibles y transductibles o no conjugativos (13, 18). 4.1.2.2.1 Plásmidos conjugativos. Son aquellos que se transmiten entre cepas bacterianas por fenómenos de conjugación, lo que permite que algunos plásmidos no sólo sean transmitidos entre cepas de la misma especie, sino entre especies y géneros bacterianos diferentes, recibiendo el nombre de plásmidos promiscuos o de amplio espectro de hospedadores, permitiendo la transferencia horizontal de información genética entre grupos bacterianos filogenicamente alejados (18). 4.1.2.2.2 Plásmidos no conjugativos. Estos no son transmisibles entre especies y géneros de bacterias, pero si son replicados de una generación a otra de bacterias. Dentro de esta categoría existe un subgrupo de MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 222 plásmidos movilizables que pueden ser transferidos a otra célula bacteriana por acción de un plásmido conjugativo coexistente en la misma bacteria (18). 4.1.2.3 Determinación del fenotipo bacteriano. Está comprobado que los plásmidos por lo general no determinan la traducción y trascripción de proteínas y productos esenciales para el crecimiento bacteriano (son dispensables), pero en la naturaleza resultan favorecidas las bacterias que los poseen, pues ellos traen ventajas selectivas en determinados ambientes o condiciones. Existe una amplia variedad de fenotipos y funciones determinados por los plásmidos (18): 1. Resistencia a antibióticos (plásmidos R). 2. Resistencia a metales pesados (Por ejemplo, resistencia al mercurio). 3. Plásmidos de virulencia: Producción de toxinas, factores de penetración de tejidos, adherencia a tejidos del hospedador (por ejemplo, polisacáridos determinantes del serotipo de las bacterias productoras de mastitis). 4. Producción de bacteriocinas. 5. Producción de sideróforos. 6. Utilización de determinados azucares o hidrocarburos (Pseudomonas spp). 7. Inducción de tumores en plantas. 8. Interacciones simbióticas y fijación de nitrógeno en plantas (Rhizobium) y otras funciones más. Los ejemplos anteriores han permitido concluir que en la mayoría de los casos, los plásmidos no tienen nada que ver con el proceso de crecimiento bacteriano en forma directa, sino que se catalogan como responsables de funciones para ocupar nichos ecológicos y resistir circunstancias adversas (18). Vale la pena resaltar que cuando una bacteria no está sometida a una presión selectiva grande, los rasgos fenotípos adquiridos por la presencia de los plásmidos se pueden perder por curación espontánea de estos en parte de la población bacteriana. Pero cuando existe dicha presión (p. ej., un antibiótico), sobreviven y se multiplican preferentemente las bacterias que poseen el plásmido, de modo que en un corto tiempo. La población contiene mayoritariamente dicho elemento génico. Además como muchos plásmidos son autotransmisibles, pueden ser transferidos a cepas bacterianas que originalmente carecían de ellos (13, 18). Por lo expuesto anteriormente en este capítulo, debe ser razón suficiente para incursionar en el campo preventivo de la mastitis en tres aspectos fundamentales: Educación sanitaria de operarios de ordeño; lograr a nivel de explotaciones el control de la enfermedad con una autovacunas mono o polivalente que se ajuste a las necesidades de la vacada y selección genética por medio de toros que comprueben en una progenie lo suficientemente grande un TPA (para todas las razas se parte de 3,0 como base) para bajo número de recuento de células somáticas. Lo anterior no es viable si no se observan normas MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 223 mínimas de higiene en vacas lactantes, adecuado manejo de la vaca seca y Buenas Practicas Agropecuarias (BPA). Con la inmunización se busca el incremento de la resistencia natural del epitelio glandular a las infecciones; Tomemos como ejemplo la vacuna contra la meningitis humana, que contiene varios serotipos de Streptococcus pneumoniae, lo que supone abarca alrededor del 25% de los serotipos implicados en este proceso, trayendo grandes beneficios en las regiones del mundo donde ha sido aplicada la vacuna, por disminución notable de la prevalencia de la entidad. Existe en el mercado mundial vacunas contra Escherichia coli (J5) y Staphylococcus aureus (Redumast) las cuales han demostrado efectividad en el control de la mastitis bovina (11) Las ventajas en el corto plazo para el uso de la estrategia de inmunización en las explotaciones que tienen infecciones mamarias crónicas, serian notables, porque disminuiría el costo de tratamientos antibióticos, retenciones de leche, baja en el rechazo de leches frescas en planta de procesamiento, debido al alto contenido de células somáticas y residuos antibióticos. A nivel biológico, se disminuiría la presión selectiva sobre bacterias poseedoras de plásmidos de resistencia a antibióticos de uso común en la explotación, permitiendo en el largo plazo, la curación de dichos elementos génicos, encargados de transcribir la producción de enzimas que degradan los antibióticos. Figura 1. Esquema de un plásmido bacteriano. Tomado de García Vallejo, Felipe Estructura general de un plásmido conjugativo que porta genes de resistencia a antibióticos. El plásmido R1 cuyo tamaño molecular es de 100 Kb posee tres regiones funcionales (1). MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 224 Región de replicación contiene todos los genes y secuencias Cis para control de replicación (2) Región de transferencia para conjugación, contiene los genes Tra (3) Región de estabilización (4) Región de los genes de resistencia a antibióticos. 4.2 MECANISMOS DE TRANSMISIÓN. Dependen de lo siguiente: Grado de infección del medio, incluyendo cuartos infectados. Eficiencia del personal y aparatos para ordeño, en especial, la higiene de la sala de ordeño y/o manos de los ordeñadores. Susceptibilidad de la vaca, que guarda relación con: Fase de lactación, edad de la vaca, nivel de resistencia hereditaria, posiblemente relacionada con la forma del pezón y la anatomía del conducto del pezón. Lesiones de la piel del pezón, en especial el orificio. Factores inmunitarios de cada glándula. 4.3 PREVALENCIA. La mayoría de estudios realizados en diferentes países ha mostrado una morbilidad cercana el 40% en vacas lecheras y una tasa de infección de los cuartos de la ubre alrededor del 25%, con una tasa del10% de mastitis clínicas. Igualmente los estudios son muy similares en cuanto a la prevalencia de los agentes infecciosos causantes de la enfermedad, notándose en los países industrializados un aumento en la etiología por organismos Gram negativos tipo Escherichia coli, Pseudomona ssp, Aerobacter aerogenes y algunas especies de Klebsiella spp, relacionado con el incremento en las practicas sanitarias de desinfección de la ubre. Igualmente en donde se ha utilizado intensivamente los tratamientos con penicilina sodica, potasica, procainica, benzatinica, se ha incrementado la prevalencia de mastitis subclínicas y crónicas mediadas por Staphylococcus aureus. De otra parte se observa que la prevalencia en mastitis clínicas agudas, corresponde principalmente a Streptococcus agalactie (6). Aunque el Corynebacterium bovis no se considera como causa de enfermedad, se puede utilizar su prevalencia como medidor de la eficiencia del estado de desinfección de las ubres, ya sea en cuanto a utilización de soluciones desinfectantes como a la eficiencia de las mismas (6). 4.4 PÉRDIDAS ECONÓMICAS. “En términos de pérdidas económicas, es sin duda la enfermedad más importante a la que se enfrenta la industria lechera. Esta pérdida se debe mucho menos a muertes (si bien, en efecto, ocurren casos mortales), si a la reducción de la producción de leche en los cuartos infectados (6)”. MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 225 El cuadro clínico varía desde síntomas hiperagudos con toxemia manifiesta, hasta una pérdida gradual no detectable del epitelio secretor que solo se puede apreciar cuando hay grandes áreas de tejido fibroso y manifiesta baja en la producción. Existe el peligro adicional de que la contaminación bacteriana de la leche en vacas afectadas pueda convertirla en producto inapropiado para el consumo humano; obstaculizar el proceso industrial y en casos no poco frecuentes, diseminar enfermedades al hombre. La Tuberculosis, la faringitis estreptococcica y la brucelosis pueden diseminarse de esta forma (6). Numerosos estudios han demostrado que la producción de un cuarto afectado pierde un 30% de su capacidad productiva en fases iniciales de la lactancia y que una vaca afectada pierde el 15% de su productividad durante toda la lactancia. La infección artificial de vacas en periodo seco reduce en un 35% la producción de leche en el siguiente ciclo de lactancia por cuarto afectado. En fases tardías del periodo de lactancia las pérdidas de los cuartos afectados están alrededor de 48%, pero si la infección se produce después del parto las pérdidas son cerca del 11%. A estas pérdidas cabe añadir un 1% de sólidos totales por cambios en la composición (disminución de grasa, caseína y lactosa mientras que aumentan los cloruros, glicógeno, proteínas de tipo inflamatorio, el pH y el suero) lo cual obstaculiza el proceso de elaboración (6, 26). 5 PATOGENIA. Si bien es importante conocer como es la patogenia de la infección, no se hará mucho hincapié en este apartado, ya que el objetivo de este trabajo en extenso no es el sentar cátedra en el aspecto evolutivo de las infecciones mamarias in vivo, sino el ampliar un poco más el horizonte en el campo preventivo, mediante el proceso de inmunización (autovacunas), siendo este último un aspecto importante en el que deben profundizar los médicos veterinarios que se enfrentan a esta patología, definiendo localmente a nivel de las explotaciones lecheras los principales agentes etiológicos incluyendo los serotipos que intervienen en esta entidad, buscando el incremento de la resistencia natural de la glándula por medio de la aplicación de vacunas que contengan sino todos los determinantes antigénicos mostrados por las bacterias in vivo, si los más importantes, entre ellos podemos citar: Antígenos capsulares, pared bacteriana, fracciones de ADN, etc., aprovechando todos los avances que se ha logrado a nivel de adyuvantes en la medicina humana, pues las bacterias o sus fracciones por si solas son antígenos muy débiles que no logran despertar una respuesta inmune adecuada cuando se aplican las bacterias muertas completas con sales de aluminio o calcio (29). Con los modernos adyuvantes (muchos de ellos en fase de investigación) se busca incrementar la respuesta inmune por dos mecanismos: Inmunomodulacion y adyuvancia (15, 32, 33), entre estas sustancias podemos citar por ejemplo: MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 226 Derivados bacterianos como: CpG´s, LPS, PGN, BLP, Mánanos. Adyuvantes oleosos como Oleato de Manitol ®, Montanide ®, Marcol ®, Drakol ®. Partículas microscópicas biodegradables o no de poliestireno o ácidos polilactico, poliglicolico, poli B-hidroxibutirato y fibrina o co-polimeros de polioxietileno llamadas micro partículas y nanoparticulas. Los complejos inmunoestimulantes o ISCOMs y otros muchos más. Estas sustancias logran la activación de las células presentadoras de antígenos como los macrófagos, células dendríticas y Linfocitos B, atrapando estas moléculas por medio de receptores de membrana muy especializados. Para citar un ejemplo, los Toll Like Receptors (por sus siglas en ingles TLR´s) de los macrófagos que pertenecen a una familia de moléculas receptoras de membrana llamados PRR´s (Pattern Recognition Receptors), moléculas estas que reconocen los PAMP´s (pathogen Associated Molecular Patterns) logrando la activación estas células, haciéndolas más eficientes en la fagocitosis (3). En el contexto de lo que es el desarrollo de la enfermedad en el hospedero, se puede decir que se divide en tres fases la colonización de la glándula mamaria (6); para el autor de este artículo serian cuatro las fases: Fase de invasión Fase de infección Fase de inflamación Fase de cronificación 6 MANIFESTACIONES CLÍNICAS. “Los síntomas clínicos de la mastitis incluyen anormalidades de la secreción, tamaño, consistencia y temperatura de las glándulas mamarias, y con frecuencia reacción sistémica. Las formas clínicas de mastitis suelen clasificarse según la gravedad: La inflamación con reacción intensa sistémica se clasifica de sobreaguda; la inflamación grave sin reacción sistémica, es aguda; la inflamación leve con anormalidades persistentes en la leche se define como subaguda y los ataque recurrentes de inflamación con pocos cambios en la leche se considera crónico (6)”. 7 PATOLOGÍA CLÍNICA Y DIAGNOSTICO. Básicamente centraremos en forma somera la atención en algunos de los métodos existentes para el diagnóstico de la mastitis, partiendo de la base de que un recuento celular que este por debajo de 100.000 células/mL. es indicador de una glándula mamaria sana, pudiendo llegarse a considerar como aceptable conteos por debajo de 250.000 células/mL (6). MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 227 Los métodos de diagnóstico de mastitis los podemos dividir en directos e indirectos. Los primeros tienen la limitante de ser costosos y los aspectos tácticos de la vigilancia pueden ser derrotados por el elevado número de vacas que deben estudiarse en forma sistemática. Entre estos métodos tenemos los siguientes: Cultivos bacterianos de leche proveniente de cuartos enfermos. Muestreo de leche para examen por cultivo. Recuentos celulares de leche: podemos citar algunos métodos que requieren el uso de aparatos de electromicroscopía, siendo poco alcanzables en nuestro medio: recuento microscópico de células somáticas (DMSCC); recuento electrónico de células somáticas (ESCC); recuento de las células de la leche en tanque (BMCC) y recuento de células en vaca individual (ICCC). Los métodos indirectos se refieren a aquellos que utilizan reacciones de precipitación, dependiendo del número total de células somáticas en la ubre de las vacas estudiadas. Entre mayor sea el número de células, más denso será el coagulo que se forma por la reacción de precipitación. Se puede calcular en forma aproximada el número de células somáticas/mL. Con la siguiente calificación: Negativa, indicios, reacción de tipo 1, 2 y 3 con un recuento celular de menos de 300.000 células/mL; 400.000 células/mL; 1.000.000 células/mL; 2.000.000 células/mL y 4.000.000 células/mL respectivamente. La prueba reina de este tipo de proceso diagnóstico es la prueba de California Mastitis Test (CMT) (6). Existen métodos químicos de detección de mastitis no tan exactos como el CMT, por citar uno: Detección de cloruros y sodio. Cuando hay mastitis estos se incrementan provocando cambios en el gradiente de conductividad eléctrica en leche proveniente de vacas enfermas (6, 25, 26) La prueba de CMT se ha utilizado ampliamente en el laboratorio y en el campo. Se han utilizado otras pruebas de laboratorio en relación con el desarrollo de gel y valoración de su viscosidad. Entre ellas la prueba de Brabante, Wisconsin y el test de NAGasa de la mastitis, esta última prueba es apropiada para el manejo de muchas muestras por su facilidad de automatización (6)”; Se basa en la medición de la enzima N-Acetil-B-D-Glucosaminidasa en la leche, la cual es la responsable de participar en la hidrolización del peptidoglicano (PGN), que es el principal componente de la pared de las bacterias Gram positivas, especialmente actuando sobre la síntesis del dipéptido de N-Acetil-B-D-Glucosamina, que se enlaza con el dipéptido Muramico (dipéptido N-Acetil-Muramico), formando el tetrapeptido de NAG-NAM o Peptidoglicano. Se considera que esta prueba tiene la misma seguridad que los contadores de células y requiere de instrumentos de lectura menos sofisticados que el contador de células automático promedio (10). “El CMT tiene la ventaja de que puede utilizar leche de un cuarto, toda la ubre, muestras contenidas en recipientes individuales, muestras totales de leches en tanque, así como muestras de cuartos independientes. Es obvio que los resultados se hacen menos exactos a medida que toma una dilución mayor. Las muestras de tanques de leche de un rebaño MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 228 toleran un promedio de cerca del 18% de vacas positivas antes de dar una reacción 1.Un grado de reacción 1 en la leche del rebaño, sugiere la presencia de mastitis, mientras que un grado 2 o 3 constituye índice de un situación grave (6)”. 8 TRATAMIENTO. Es importante y obvio anotar que el tratamiento depende del agente productor de la enfermedad y para ello es necesario la verificación por medio de cultivos e identificación del agente etiológico, incluyendo pruebas de sensibilidad a los agentes bacterianos de uso veterinario, puesto que en muchas de estas pruebas se usan sensidiscos que no son prácticos en la farmacopea veterinaria, por razones que no son motivo de discusión en este documento. Lo anterior es admisible solo si la enfermedad no es concomitante con síntomas generales, lo que impone un tratamiento de urgencia con antibióticos de amplio espectro y terapia de apoyo con fluidos, electrolitos, antiprostaglandinicos, antipiréticos o glucocorticoides. Como norma general, es conveniente decir que, el tratamiento depende de la agudeza clínica del cuadro, es así como los casos hiperagudos y agudos se deben tratar de forma parenteral, teniendo en cuenta que la difusión de antibióticos desde el torrente sanguíneo hasta el tejido mamario y el espacio alveolar es escaso, no obstante, la difusión se incrementa en los tejidos inflamados. Los antibióticos del grupo Macrolido tienen mayor probabilidad de difundirse en el epitelio mamario, al igual que el Trimetropim. Los antibióticos Aminoglicosidos como norma general se distribuyen mal (6). Las Tetraciclinas, Penicilinas y Novobiocina se distribuyen mal (6, 30); lo anterior implica que las dosis de antibióticos deben ser mayores a las normales, siendo recomendable la aplicación de antibióticos, previo análisis de sensibilidad bacteriana, pero en los casos de campo lo aconsejable es usar Macrolidos, previa toma de muestra para identificación y prueba de sensibilidad. Si se han aplicado antibióticos vía parenteral, lo aconsejable para la toma de muestras después de la aplicación es esperar al menos 12 horas, siempre y cuando no sean antibióticos vehiculizados en sales de larga acción o diluyentes de liberación lenta (30). En todas las mastitis es aconsejable el tratamiento intramamario con soluciones antibióticas en vehículos hidrosolubles y/o soluciones acuosas, rompiendo con esta última presentación el esquema de que son más efectivas las preparaciones antibióticas que tienen un vehículo hidrosoluble y están adicionadas de antiinflamatorios o fibrinoliticos, en el pie de la tabla 1 se describe que no hay una diferencia estadísticamente significativa entre los antibióticos vehiculizados con sustancias hidrosolubles más otros fármacos y los formulados solamente en agua (6). Otro paradigma que es necesario sea roto, es el creer que el producto antibacteriano después de aplicado vía intramamaria, alcanza por si solo todo el tejido mamario, por lo que debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 229 La glándula mamaria debe ser evacuada en forma permanente para evitar que las proteínas resultantes de la reacción inflamatoria bloqueen la difusión del antibiótico a nivel de canales, conductos galactóforos y alvéolos. Siempre se debe realizar la aplicación del antibiótico intramamario después del último ordeño, buscando que este permanezca dentro de la glándula el mayor tiempo posible (6). Un aspecto importante del control de la mastitis es el tratamiento de la vaca seca con antibióticos de muy lenta difusión y metabolización, teniendo como consideración que estos productos se deben aplicar inmediatamente se tome la decisión de secar la vaca, buscando una adecuada difusión del antibiótico en todo el tejido mamario, lo que no se lograría si la aplicación se hiciera días después de iniciado el proceso de secado de la ubre. Los fármacos que tienen mejores antecedentes de difusión a través de la ubre son penetemato, ampicilina, amoxicilina, novobiocina, eritromicina, tilosina. Aquellos de difusión intermedia son penicilina G, cloxacilina y tetraciclinas. Las sustancias que se difunden mal incluyen la estreptomicina y neomicina. En la tabla 1, se puede apreciar la eficiencia comparativa de algunos tratamientos intramamarios habituales de mastitis en cuartos lactantes. Tabla 1. Antibióticos más usados para el control de la mastitis en lactancia (tasa de curación) Preparados Dosis Estafiloc Estreptoc Coliformes Uso recomendado Penicilina G 100000U.I. 47 - 70 100 Ninguna Producto de acción retardada. Dos aplicaciones con un intervalo de 48 horas. Muchas resistencias Cloxacilina 500 mg 30 - 60 Hasta 100 - Producto de acción retardada, una aplicación Cloxacilina + Ampicilina 200 mg 75 mg 64 94 97 Tres aplicaciones una vez al día durante tres días Espiramicina 250 mg 45 - 82 56 - Tres aplicaciones a intervalos de 24 horas Rifamicina 100 mg 59 - 73 74 - Dos aplicaciones a intervalos de 24 horas Estreptomicina + Penicilina 1 mg 100000 U.I. 40 - 70 100 80 Tres aplicaciones a intervalos de 24 horas Tetraciclinas 200 – 400 mg 50 Hasta 100 Pobre Dos o tres aplicaciones una vez al día a intervalos de 24 horas Cloramfenicol 200 mg 28 24 50 Cuatro aplicaciones a intervalos de 24 horas Neomicina 500 mg 36 30 - 67 25 Diariamente a intervalos de 48 horas, dos aplicaciones Tomado de Blood, Henderson, Radostis y Arundel, (1992) Otros ingredientes incluidos en los tratamientos de mastitis se han usado en múltiples y variadas ocasiones, como la hialuronidasa para favorecer la difusión en la ubre, algunas enzimas como la estreptodornasa, para facilitar la salida del pus, corticoesteroides para reducir la inflamación, inmunoglobulinas para controlar el crecimiento bacteriano, cobalto para aumentar la actividad de los antibióticos y muchos otros. Se han realizado pocas investigaciones para conocer su valor y las realizadas solo han desacreditado el uso de estas sustancias. No tienen cabida en el tratamiento, y por lo tanto no se recomienda su uso. (6) MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 230 Como puede observarse en el cuadro anterior, una vez declarada la enfermedad, diagnosticada e instaurado el tratamiento, los porcentajes de curación no son tan altos como se teóricamente se espera bajo cobertura antibiótica, especialmente con referencia a las mastitis causadas por bacterias Gram positivas. Es en la fase de lactancia donde se justifica la aplicación de las autovacunas, que permita alertar el sistema inmune respecto al reconocimiento de epítopes de los organismos causales de enfermedad que no pueden ser identificados por las células de la inmunidad adaptativa debido a mecanismos de evasión que han desarrollado los microorganismos a través de su evolución. Algunas de las ventajas que la estrategia de vacunación trae como consecuencia directa es una mejora en el volumen de producción y en la calidad de la leche por los siguientes aspectos: Permite disminuir los costos por tratamientos antibióticos. Baja en los niveles de retenciones y rechazos de leche tanto por recuentos bacterianos como por residuos de sustancias antibióticas. Mejores y más productivas lactancias. Mejora en la calidad bioquímica y microbiológica de la leche, haciéndola apta para la elaboración de derivados y consumo humano sin riesgo para la salud reduciendo la probabilidad de producir reacciones indeseables por la presencia de antibióticos y /o gérmenes patógenos en leche o sus derivados. Con los avances recientes en el campo de la biología molecular, se han elaborado productos biológicos para el tratamiento de la mastitis bovina. La fabricación de vacunas utilizando fracciones de microorganismos con los adyuvantes adecuados, que son aditivos de crucial importancia en el proceso de elaboración de biológicos para una inmunización activa de bovinos productores de leche, los hacen imprescindibles en las formulaciones vacunales, debido a que muchos de los microorganismos bacterianos son por norma general antígenos débiles, siendo ello uno de los factores que inducen al fracaso de las bacterinas contra la mastitis (6, 8, 9, 21). Es importante considerar que muchos autores recomiendan hacer o no tratamiento, dependiendo de la fase del periodo de lactancia; algunos de ellos plantean que si la vaca está en fase final de lactación, se recomienda esperar hasta el periodo de secado, para iniciar tratamiento a la glándula afectada con productos antibióticos de alta residualidad, que permitirán la posible curación de la afección, que se halla presente en ese momento en la glándula, pero que no protegerá a la vaca contra una futura infección en la lactancia subsiguiente. Este aspecto táctico del tratamiento, podría contaminar con antibióticos la leche de los primeros días de lactancia (25). Los tratamientos antibióticos realizados en periodo seco teóricamente buscan esterilizar la glándula mamaria durante esta etapa de recuperación fisiológica de la vaca, (pero en la MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 231 práctica no se consigue) trayendo como consecuencia un incremento en la susceptibilidad de la glándula, porque disminuye el estado de alerta del sistema inmunitario por disminución del número de macrófagos y neutrofilos en el epitelio glandular (por inhibición de la diapédesis), situación que para muchos investigadores no es deseable (6). La gama de productos idóneos para usarse en el tratamiento de la vaca seca no es amplia. Algunos aparecen listados en la tabla 2: Tabla 2. Antibióticos más usados para el control de la mastitis en periodo seco Preparados Dosis Estafiloc Estreptoc Coliformes Uso recomendado Cloxacilina Benzatinica 500 mg 84 94 No efectiva Efectiva, costosa, útil para cuartos glandulares infectados, preparados baratos para no infectados Pen. Procainica + Novobiocina 1 millón U.I. 500 mg 84 94 No efectiva Resultados idénticos a la Cloxacilina benzatinica, recomendación idéntica Pen. Procainica + Estreptomicina 1 millón U.I. 1 gramo 87 96 Efectiva Debe tener ventajas contra coniformes Pen. Procainica + Estreptomicina 100000 U.I. 100 mg 54 90 Desconocida La dosis de estreptomicina es pequeña, barata, útil para cuartos no infectados Neomicina 500 mg 62 65 89 Usada en cuartos infectados con coniformes Pen. Procainica + furaltadona 100000 U.I. 500 mg 67 94 100 Buen resultado de amplio espectro Tomado de Blood, Henderson, Radostis, Arundel., (1992) Como se puede apreciar, los porcentajes de curación en el periodo de secado son más altos que los tratamientos para el periodo de lactancia, pero no alcanza el 100%, lo que permite concluir que el problema está lejos de solucionarse por medio de esta parte del aspecto táctico del control de mastitis. Dando por entendido que existen mecanismos más radicales para el control de la enfermedad en el hato como son por ejemplo: Secado permanante de los cuartos infectados cronicamente, eliminacion de vacas multirresistentes del hato. Otro paradigma existente entre los productores de leche es que el uso de antibacterianos intramamarios y parenterales son suficientes para el control de la infección, concepto que riñe con la realidad, ya que una vez se ha establecido la infección en el hato, se hace muy difícil erradicarla por los factores biológicos descritos anteriormente, éxito logrado por los microorganismos tras millones de años de evolución. En la legislación de los países industrializados se controlan las dosis máximas de antibacterianos que se usan en el tratamiento de la mastitis, buscando controlar la cantidad de medicamento que puede llegar a ser ingerido involuntariamente por el consumidor final. Aspecto al que no hemos llegado en nuestro país, agravando el problema de la industria local en varias direcciones: Incremento en la prevalencia de la mastitis en regiones y explotaciones donde se han usado masivamente los antibióticos sin un criterio adecuado. “En un estudio llevado a cabo por Roberts y Visconti en el año de 1972, se analizaron los expedientes de 340 MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 232 pacientes humanos que habían recibido terapia antibiótica durante su hospitalización. Un equipo de expertos, opino que las prescripciones habían resultado razonables en un 12.9 % de los casos, discutibles en un 21.5% y completamente inadecuada en el 65.6% de los casos. Entre los 340 pacientes, 48 presentaron reacción adversa a la droga en el transcurso de la terapia. En el 92% de los pacientes que sufrieron una reacción a la droga, se estimó que el tratamiento prescrito era discutible o francamente irracional (19).” Es presumible que con los médicos veterinarios ocurra lo mismo y lo que es peor, en nuestro medio los antibióticos se adquieren sin prescripción médica y sin ningún control sanitario. Presencia en leche de cantidades inadmisibles de bacterias y células somáticas, que son posibles focos de transmisión de enfermedades zoonoticas en los consumidores de productos lácteos contaminados con estos microorganismos (20). La presencia de sustancias antibióticas en la leche impide su adecuada industrialización afectando el rendimiento de los subproductos obtenidos (25). Otro aspecto importante a ser tenido en cuenta es la posibilidad de generar reacciones de multirresistencia a los antibióticos en el ser humano, debida al consumo de productos contaminados con trazas de estas sustancias. Se presenta perdida en el rendimiento en producción de derivados lácteos, especialmente quesos debido al menor rendimiento, provocado por la baja en la calidad físico-química de la leche proveniente de vacas enfermas de mastitis (26). 9 PREVENCIÓN. Básicamente la prevención ha estado orientada a la toma de medidas poco estandarizadas de control higiénico a nivel del medio ambiente que rodea la ubre, en gran parte de nuestros hatos. Si bien estas medidas son la primera decisión a tomarse dentro de una estrategia macro sobre el control de mastitis, deben ser parte de un sistema de aseguramiento de calidad, que permita tener estructurados los procesos y procedimientos que conduzcan a establecer un plan global que asegure la calidad del producto que llega al proceso industrial, que satisfagan las expectativas del consumidor final y generen rentabilidad tanto a ganaderos como industriales. Hoy en día, el autor ha incursionando en el campo del control de mastitis por medio de autovacunas, que se adapten a la necesidad de la vacada, teniendo en cuenta los tipos de microorganismos existentes en la explotación. Como se discutió en anteriores apartados de este documento, las ventajas de la inmunización son múltiples, logrando disminuir los costos de producción en las explotaciones lecheras. MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 233 9.1 INMUNIZACIÓN. La inmunización es el procedimiento que busca mantener alerta el sistema inmune contra agresiones generalmente provocadas por agentes externos o por mutación de proteínas de origen endógeno (tumores mediados por oncogenes). Esta se logra por medio de la introducción de un agente microbiano completo o la fracción inmunogenica de este en el huésped, buscando la respuesta inmune satisfactoria, que lo proteja de agresiones futuras por medio de células de memoria. A esta técnica se le conoce genéricamente como vacunación, procedimiento que se hace utilizando microorganismos inactivados, compuestas por las fracciones naturales, semisintéticas o sintéticas antigénicas de los agentes productores de la enfermedad; estas a su vez pueden ser según el número de antígenos, mono o polivalentes. Siempre deben estar mezcladas con adyuvantes, quienes cumplen tres funciones una vez estas han sido aplicadas: Atracción quimiotáctica de células presentadoras de antígenos (APC). Liberación lenta del antígeno (acción depot) Incremento de la inmunogenicidad de los antígenos. En el reciente pasado se intentó la vacunación contra mastitis, con resultados poco alentadores a la aplicación de bacterinas para su control. Los fracasos generalmente obedecen a aspectos en la fabricación de las vacunas como: Cultivo inadecuado de las cepas bacterianas encontradas en los cuartos enfermos. Las condiciones intramamarias, son muy limitantes para el crecimiento bacteriano, lo que permite que el agente colonizador de los tejidos manifiesten al máximo su fenotipo mediado por plásmidos, creando estructuras y proteínas necesarias para la supervivencia. Estas estructuras desaparecen bajo condiciones de cultivo In Vitro convencionales (27). Utilización de adyuvantes inadecuados, p. e. tipo sales minerales en cantidades inadecuadas o que no tienen en cuenta el gradiente eléctrico y otras características físico-químicas para adsorber el antígeno. La utilización de toda la bacteria quien presenta epitopes que no se manifiestan in vivo. Baja concentración de inmunógeno por dosis. Aplicación de una dosis, siendo necesaria la aplicación de refuerzos (dosis booster) cuando se utilizan antígenos no proteicos. Utilización de serotipos diferentes a los que se hallan en la explotación. Igualmente, hay factores de orden intrínseco de cada individuo de la vacada, que tienen que ver con la adecuada respuesta inmune, ellos son: Factores nutricionales. Factores genéticos. MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 234 9.1.1 Factores nutricionales. La nutrición en todos los seres vivos es fundamental para el mantenimiento de la vida comprendiendo las funciones de sostenimiento, protección y producción. En este apartado se hará referencia solamente a dos componentes importantes en el mantenimiento de la homeostasis de la glándula mamaria: Selenio y vitamina E (7). Estos dos elementos son componentes importantes de enzimas que desnaturalizan los radicales libres producto de la peroxidacion de los lípidos celulares (componentes de la pared celular y bacteriana).Los radicales libres afectan en forma insidiosa la integridad celular. El epitelio glandular no es ajeno a este mecanismo de defensa originado por células como los macrófagos y los neutrofilos (Respiratory Burst), incrementando la vulnerabilidad a la colonización bacteriana por perdida de la regulación del calcio y la enzima calcio- ATPasa trayendo como consecuencia la muerte celular de células epiteliales y del sistema inmune (7). El mecanismo de acción de estos dos componentes son si se quiere, sinérgicos. La vitamina E es en un 90% tocoferoles que tienen mayor afinidad por los radicales libres R que son la fuente de la oxidación de las cadenas lipídicas componentes de la pared celular eucariota (7, 31). Cuando el radical libre R se une a una molécula lipídica LH seguida con una reacción de oxígeno, se forma un radical lipídico peroxil (LOO), si no se reduce este radical, se descompone en dos radicales libres, iniciando una reacción en cadena de peroxidacion de lípidos. Sin embargo el tocoferol transfiere una molécula de hidrogeno al radical peroxil, convirtiéndolo en un lípido oxidado menos dañino (LOOH) para las células (31). El selenio entra en la formación de enzimas que intervienen a nivel reproductivo, somático e inmunitarios como lo es el caso para este último, de la PHG-Px (Phospholipid Hyperoxide Glutathione peroxidase) que toma el lípido oxidado y lo convierte en un lípido alcohólico, que es necesario para dar el primer paso en la reparación de la membrana lipídica de la célula, evitando de esta manera la destrucción de la pared celular (7, 31). 9.1.2 Factores genéticos. Las enfermedades infecciosas son uno de los problemas principales que afectan frecuentemente a la crianza de animales, representando un factor limitante en la producción, esto se refleja en un aumento en los niveles de mortalidad ó en bajos índices de crecimiento y fertilidad, así como en la disminución de la cantidad y calidad de carne, lana y leche. Una serie de factores resaltan la importancia de la resistencia genética a infecciones en los animales domésticos (2, 21). Primeramente, representa un ahorro en gastos de operación en las explotaciones animales, ya que se ha estimado que el costo de enfermedades puede llegar a representar entre el 10- MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 235 20% el valor de la producción. Además, se economizan gastos en el manejo: como en la aplicación de fármacos, cuarentenas, etc. Por otro lado, el contar con animales resistentes a enfermedades es un recurso muy importante para contrarrestar el aumento creciente en la frecuencia de patógenos resistentes a fármacos. Igualmente, el empleo de animales resistentes da la oportunidad de establecer explotaciones pecuarias en áreas infestadas. El uso preferente de estos animales puede facilitar las campañas de erradicación de enfermedades (4). Dentro de los mecanismos involucrados en la resistencia genética a infecciones se han identificado varios niveles: 1. Primera defensa: Consisten aquellas barreras del huésped contra las cuales se enfrenta el patógeno al momento de la infección: barreras epiteliales, ausencia de receptores, mucus, lisozima, lactoferrina, defensinas, etc. 2. Defensa no específica: Son aquellos mecanismos inmunológicos innatos como: neutrófilos, macrófagos, células NK, sistema del complemento, interferón alfa y beta, etc. 3. Defensas específicas: Son las que se desencadenan después de la exposición a un antígeno específico: activación, proliferación y diferenciación de linfocitos T y B, producción de inmunoglobulinas, linfocinas: MIF, interleucinas, interferón gamma, etc. En todos estos niveles existen en las poblaciones animales diversos genes (y sus variantes alélicas) que determinan diferentes capacidades de responder con distintos grados de susceptibilidad y resistencia ante los embates de los agentes infecciosos (2, 21). La mastitis es una de las enfermedades más frecuentes en el ganado bovino lechero. En varios países la incidencia de la mastitis clínica, por vaca al año se ha reportado entre 20 y 40%. Por lo mismo, es la enfermedad más costosa en el ganado lechero (4). Se ha estimado que hay una correlación genética entre la producción de leche y la mastitis. Numerosos estudios concluyen que los niveles de correlación son en promedio 0.4. Esto representa que se espera un aumento de 4.3 casos de mastitis por 100 vacas /año como una respuesta correlacionada a un incremento genético en la producción de leche de 500 kg (12). El mejoramiento genético para aumentar los niveles de resistencia a mastitis, puede ser efectuado por selección directa usando registros de mastitis clínica, o por selección indirecta, usando rasgos que se correlacionan genéticamente, o ambos. Las medidas indirectas más comúnmente usadas has sido el conteo de células somáticas (SCC), rasgos de tipo, así como la rapidez de ordeño y el escurrimiento. La cuenta de células somáticas es usada frecuentemente como un indicador de mastitis. Se ha evaluado extensamente que existe una correlación genética en promedio de 0.7 de este rasgo con la mastitis clínica. Además, la cuenta de células somáticas presenta valores de MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 236 heredabilidad ente 0.04 a 0.11, valores mayores a los estimados para la mastitis clínica (12, 16). Estos hallazgos sugieren que los valores de la cuenta de células somáticas podrían usarse para la mejorar la resistencia a la mastitis. Se ha reportado que las hijas de toros que transmiten los valores más bajos de células de somáticas tuvieron menor incidencia de mastitis clínica durante las dos primeras lactancias. Sin embargo diversos cálculos muestran que, el considerar solo la cuenta de células somáticas no es tan efectivo como los registros de la mastitis clínica (12, 16). La respuesta a la selección es proporcional a la desviación estándar genética aditiva. A pesar de la baja heredabilidad, la exactitud de la selección y el potencial de la ganancia genética, puede ser bastante alto, especialmente cuando el tamaño de la progenie evaluada es grande. Asumiendo un índice de selección simple, para un rasgo con heredabilidad 0.03, se predicen exactitudes en la selección de 0.66, 0.78 y 0.83 con grupos de progenie de 100, 200 y 300, respectivamente (16). Actualmente se están buscando genes que influyen en la susceptibilidad o resistencia asociadas a la enfermedad. Estos pueden ser tanto loci de rasgos cuantitativos (QTLs), ó genes candidatos con funciones fisiológicas importantes en el establecimiento de la mastitis. Entre estos últimos se han considerado a los alelos del complejo principal de histocompatibilidad o BoLA (Antígenos Leucocitarios Bovinos), los cuales participan de forma importante en modular la respuesta inmune (17, 28). El detectar genes o segmentos genómicos implicados en la susceptibilidad y resistencia a mastitis presenta la oportunidad de emplear ensayos de ADN como un auxilio complementario en reforzar las estrategias y oportunidades de selección, estableciendo factores de riesgo genético a padecer la enfermedad. La tipificación del locus DRB3.2 mediante la amplificación por la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y digestión con enzimas de restricción ha identificado alelos implicados con la susceptibilidad a mastitis. Así el alelo 23 se ha asociado significativamente con la ocurrencia de mastitis severa y el alelo 16 como un factor que aumenta el riesgo de infección aguda intramamaria con valores elevados en el conteo de células somáticas (10, 28). Asimismo, estudios genéticos en los cuales se tamiza todo el genoma han detectado QTLs que influyen en la cuenta de células somáticas en los cromosomas 5, 7, 21, 22, 23 y 26 (17). 9.2 USO DE AUTOVACUNAS. Actualmente el autor está trabajando en la inmunización de bovinos lecheros con autovacunas, utilizando fracciones bacterianas especialmente de la pared celular que es uno de los componentes responsables de la determinación fenotípica bacteriana conocida comúnmente como serotipo. Hay que tener en cuenta que la utilización de las sales de aluminio o calcio, no son los adyuvantes ideales para este tipo de vacunas. Esto constituye uno de los factores que MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 237 ocasiona se presenten resultados inconsistentes en la respuesta inmunitaria después del uso de vacunas de origen bacteriano para el control de la mastitis. La razón es la siguiente: El hidróxido de aluminio tiene un punto de isoelectrico de 11,1 por lo tanto esta cargado positivamente así que puede adsorber proteínas cargadas negativamente y adsorber débilmente las proteínas básicas. El grado de adsorción depende de la naturaleza y concentración del antígeno, de la presencia de sales e iones bufferantes y del pH de la mezcla resultante. Las fuerzas de atracción electrostáticas y las interacciones hidrofóbicas son las responsables de la adsorción de los antígenos a los adyuvantes que contienen aluminio o calcio, pero probablemente contribuyan a la adsorción las fuerzas de Van der Waals y los enlaces de hidrogeno (21). Lo que se busca con la autovacuna para el control de la mastitis es activar una respuesta mediada por anticuerpos, pero que a su vez, estos sean timo-dependientes y no timo- independientes (1). Los anticuerpos timo-dependientes son aquellos que se generan por la acción de linfocitos T colaboradores o T CD 4 previo reconocimiento de antígenos de tipo proteico. Ello conduce a una serie de eventos de orden molecular mediado principalmente por citoquinas que actúan sobre los linfocitos B, permitiendo que se presente en estos la activación, expansión clonal, cambio de isotipo, maduración de la afinidad y selección de células de memoria ante el antígeno. Los linfocitos T, se subdividen en CD 4, CD 8 y células NK (asesinas naturales), los dos primeros grupos reconocen antígenos peptídicos (lineales) por medio de una estructura muy especializada llamada TCR (T Cell Receptor) alfa-beta, que son presentados a ellos por APC´s sobre el MHC II o MHC I (Complejo Principal de Histocompatibilidad clase I y II). Existe a nivel de epitelios, en cantidad variable y en menor proporción a los dos grupos anteriores, según la especie, una población de linfocitos T que no reconoce antígenos peptídicos. Tiene un TCR gama-delta que probablemente reconoce sustancias no peptidicas como glucanos y otros componentes de las bacterias, al parecer orquestando una respuesta celular parecida a la que montan los linfocitos T alfa-beta. Hasta donde se ha descubierto, esta población de linfocitos es la encargada de vigilar los tejidos epiteliales (1). Los anticuerpos timo-independientes son producidos por los linfocitos B sin la participación de células colaboradoras. Estas respuestas son la generalidad para sustancias como LPS, PGN, ácido teicoico y estructuras lipídicas bacterianas. Los anticuerpos generados en esta respuesta no son muy específicos, por lo general no se generan células de memoria, y si hay cambio de isotipo, este es muy limitado (1). Este es uno de los escollos que se ha tenido que salvar en la elaboración de muchas vacunas bacterianas mediante una técnica denominada “conjugación” (22). Esta metodología está siendo utilizada por el autor en el caso de las autovacunas contra mastitis bovina. MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 238 9.2.1 Breve descripción de elaboración y acción de la autovacuna. Se toman muestras de cuartos enfermos, determinando el incremento de células somáticas por medio de la reacción de precipitación de CMT. Estas muestras son tomadas bajo adecuadas condiciones de asepsia de pezones, manos y control de medio ambiente, en recipientes estériles. Se procede al cultivo, incubación e identificación de los agentes bacterianos; una vez identificados se hacen pruebas de sensibilidad y se procede a hacer replicación de los gérmenes, en medios de cultivo que traten de reproducir las condiciones a las que se deben enfrentar las bacterias cuando están “in vivo”; solo así se podrán manifestar las características fenotípicas propias del grupo o grupos bacterianos (serotipos) determinadas por los genes de resistencia ubicados en los plásmidos, que son al final los determinantes antigénicos que se requieren para producir en el huésped una adecuada respuesta inmune post-vacunal. Es importante tener en cuenta que esta estrategia solo se puede utilizar a nivel de cada hato; por decirlo en forma coloquial, este tipo de vacunas solo se hacen a la medida de cada explotación lechera. La razón estriba en la gran cantidad de serotipos de cada especie bacteriana, mediada por las muy pequeñas variaciones en los grupos sustitutivos de los polisacáridos que recubren la pared bacteriana de cada serotipo bacteriano (27). Los polisacáridos están constituidos por dos o tres moléculas de azúcar unidas unas a otras de forma lineal y aunque se ramifican de forma repetitiva, estas macromoléculas casi no tienen forma tridimensional, si no bidimensional, esta falta de variedad y la homogeneidad de estas macromoléculas hacen que su poder antigénico sea muy pequeño y apenas se produzcan anticuerpos contra el mismo, pero a su vez como sus epitopes son tan repetitivos, permiten que haya un activación de los receptores de la superficie de membrana tipo Ig en los linfocitos B, desencadenando una respuesta humoral T-independiente; este tipo de respuestas son de corta duración debido a la falta de especificidad contra el antígeno en mención y por lo tanto generalmente no activa células de memoria que permitan que haya una anamnesis ante posteriores ataques de los gérmenes implicados en la infección. Como se informó anteriormente, esta ha sido el eje de los fallos que se ha presentado con muchas de las vacunas bacterianas preparadas con sales de aluminio ya que estas sales funcionan muy bien con antígenos proteicos porque estos son presentados a los linfocitos T sobre moléculas dipeptídicas generadas en una zona génica llamada BoLA (Bovine Leukocite Antigen) análoga a la región humana llamada HLA (Human Leukocyte Antigen), que está compuesta por varios genes, con un tamaño aproximado de 4.000 Kb; se conocen como moléculas del MHC I y II que están ubicadas sobre la membrana de las APCs (Antigen Presenting Cells), las cuales presentan los antígenos proteicos en forma peptidos lineales previamente procesados en su interior después de fagocitar, endocitar o pinocitarlos agentes causantes de enfermedad en fagolisosomas o ser procesados en el proteasoma si el agente infeccioso penetro al citosol celular, obteniendo como resultado una respuesta inmune muy específica en contra del agente. MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 239 Esto no sucede los con antígenos conformacionales no proteicos (polisacaridicos o de otra naturaleza) como son los de gran parte de las bacterias productoras de mastitis. Lo que se logra evitar en gran parte por medio de la aplicación de técnicas de conjugación, logrando de esta forma la producción de anticuerpos T- dependientes contra los agentes de la mastitis. 10 CONCLUSIONES. La problemática mundial de la producción láctea está conduciendo a los investigadores del mundo a buscar soluciones diferentes o por lo menos complementarias al uso de los antibióticos en el tratamiento y prevención de la mastitis, enfermedad que se calcula provoca pérdidas que oscilan entre 220 y 250 $ U.S. por vaca afectada en una lactancia. Las bacterias patógenas, quienes llevan millones de años de evolución sobre la faz de la tierra, han afinado su estructura génica para adaptarse a condiciones adversas. La práctica terapéutica antibiótica es en la actualidad un escollo más que están superando en forma acelerada, incrementando las pérdidas a la industria. El mal uso de las sustancias antibióticas en el mundo en el tratamiento de las infecciones bacterianas en general y específicamente de la mastitis, ha tenido consecuencias funestas para el desarrollo de los procesos productivos y de vigilancia a nivel decampo, industrial y sanitario, provocando pérdidas a ganaderos e industriales y perdidas sociales no cuantificadas por los sistemas nacionales de salud, debido a la aparición de síndromes de hipersensibilidad a los antibióticos; el encarecimiento de los tratamientos a personas afectadas por bacterias resistentes a muchos de los antibióticos de primera elección, obligando al cuerpo médico a utilizar antibióticos costosos y prácticamente de última instancia en tratamientos que teóricamente respondían a los antibióticos convencionales. La excesiva presión de selección para lograr vacas genéticamente más productivas, ha provocado un incremento en la susceptibilidad a enfermedades, incrementando con ello los costos de producción, por un aumento en los tratamientos médicos a los animales afectados, quienes difícilmente recuperan la curva productiva durante ese periodo de lactancia. El mal uso dado a los antimicrobianos ha generado en estos una selección positiva sobre los microorganismos, logrando con ello la aparición de superbacterias potencialmente zoonoticas; provocando cronificación de las infecciones mamarias. Actualmente se está buscando la disminución en la presión del uso de antibióticos permitiendo disminuir la presión de selección genética positiva bacteriana por medio de dos estrategias: Utilización de autovacunas y selección genética usando toros con MORALES LÓPEZ, HERNANDO MASTI TI S BOVI NA: ENFOQUE BI OTECNOLÓGI CO ReCiTeIA - v.11 n.1b 240 progenie comprobada de bajo recuentos somáticos de células en hijas con baja susceptibilidad a contraer mastitis por medio de análisis de registros sanitarios y bajo número de células somáticas. El uso de autovacunas logra resultados positivos en el tratamiento y control de mastitis en el corto plazo, debido a la activación del sistema inmune contra el o los principales gérmenes que afectan un hato en particular, siempre y cuando se utilice la técnica adecuada de elaboración y aplicación de la autovacuna (datos no entregados en este artículo). Estamos lejos de la consecución de una vacuna universal contra la mastitis, debido a los muchos serotipos que pueden afectar la glándula mamaria. Esto se debe a que no se ha hecho un trabajo sistemático de identificación y prevalencia de estos para encontrar la adecuada combinación de bacterias y sus serotipos que cubra buena parte de las bacterias de mayor prevalencia como lo es el caso de la vacuna contra la meningitis humana. 11 REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA. [1] Abbas A. K., Litchman, A. H., Pober S. J.; Inmunología Celular y Molecular. Editorial McGraw Hill Interamericana. Cuarta edición. Madrid, España. 2.002. pp. 17 – 347. [2] Adams, L. G., Templeton J. W. 1998. Genetic resistance to bacterial diseases of animals. Rev. Sci. Tech. Off. Int. Epiz., 17, 200–219.17 [3] Akira, S., 2000. Rev. Nature. A toll like receptors recognizes bacterial ADN. 408, 740– 745. [4] Alonso Morales, R. A. III congreso nacional control de mastitis y calidad de la leche. 21 – 23 de junio de 2.001. León Gto. 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Su periodicidad es semestral. En ella se publican manuscritos originales e inéditos, los cuales son seleccionados por el Comité Editorial y evaluados por pares nacionales e internacionales. En sus páginas se acogen manuscritos en español, dentro de cualquiera de las siguientes categorías: Trabajos generales (revisiones científicas críticas - Artículos), Monografías, Estados del Arte. La responsabilidad por los juicios, opiniones y puntos de vista expresados en los artículos publicados corresponde exclusivamente a sus autores. ReCiTeIA es de libre acceso por http://revistareciteia.es.tl. Si está interesado en obtener alguno de nuestros documentos puede escribir a:
[email protected] La revista es un medio netamente académico, que cuenta, actualmente, con el mecenazgo de Laboratorios Industriales MSD. ReCiTeIA al momento se encuentra en la busqueda de más entidades patrocinadoras. © ReCiTeIA. Cali – Valle – Colombia e-mail:
[email protected] url: http://revistareciteia.es.tl/ INSTRUCCIONES PARA AUTORES Son bienvenidos los documentos originales (Artículos científicos, Revisiones Críticas, Monografías, Estados del Arte, etc.) elaborados por estudiantes y profesionales relacionados con la Ciencia, Tecnología e Ingeniería de los Alimentos. Por favor lea las siguientes recomendaciones antes de presentar su manuscrito para la respectiva evaluación: 1. Los documentos originales de revisión bibliográfica deben ser enviados a la dirección de correo electrónico de la Revista:
[email protected], se deberá anexar una carta remisoria (letra Arial, tamaño 12, hoja tamaño carta). La carta remisoria debe expresar que todos los autores están informados y de acuerdo en someter el documento a consideración de la Revista ReCiTeIA. Adicionalmente se sugiere agregar una lista de posibles jurados nacionales o internacionales expertos en el tema respectivo (mínimo 3). 2. Los documentos originales denominados: 2.1. Artículos científicos son textos de carácter académico que exigen el cumplimiento de normas específicas tanto en su estructura general como en su contenido. (Se recomienda leer “Cómo escribir y publicar trabajos científicos” Day (2005)). 2.2. Revisión bibliográfica son manuscritos donde se analizan, sistematizan e integran resultados de investigaciones sobre un campo en Ciencia, Tecnología e Ingeniería de los alimentos, con el fin de presentar de forma organizada los avances y tendencias de desarrollo. (Se recomienda leer “El Artículo de Revisión” Cué et al (1996)) 3. Se aceptan contribuciones inéditas en español, siempre que no hayan sido publicadas ni estén siendo consideradas para su publicación en otras revistas. 4. Los documentos enviados deberán ser escritos a espacio sencillo, en hojas de tamaño carta (21,59 x 27,94 cm.), formato DOC o DOCX (Word ®), con una extensión máxima de 40 páginas, utilizando fuente tipo Arial, tamaño 12 (se recomienda solicitar el formato base de la revista para mayor facilidad en la preparación de su manuscrito). Si se envía la colaboración en papel, debe ir acompañada de una copia digital, preferiblemente en Word ®. Es indispensable remitir la versión electrónica. La redacción debe ser clara, concisa, y precisa. Los artículos no pueden ser notas de clase. Cuando se trate de una traducción o del uso de material protegido por "derechos de propiedad intelectual" deberá contar con las debidas autorizaciones. 5. Todo artículo debe incluir: 5.1. Título: no debe exceder 20 palabras. Use los nombres comunes de cultivos, plagas, y enfermedades, excepto cuando los nombres no sean internacionalmente conocidos. 5.2. Información de autor(es): deberá presentarse un breve resumen curricular del autor o autores (indicando formación profesional, unidad de adscripción, dirección postal y electrónica y teléfono de contacto). De acuerdo a normas internacionales y éticas, los autores son quienes han participado en la preparación y redacción del manuscrito, y son capaces de responder cualquier pregunta sobre el estudio. 5.3. Resumen: con extensión máxima de 250 palabras, en español e inglés (Abstract); 5.4. Palabras clave: son usadas para construir bases de datos e índices de contenido; no se deberá repetir las palabras del título. Deben emplearse de 3 a 5 palabras. 5.5. Introducción: enfatiza la importancia de la investigación, la pone en contexto, y da información suficiente para comprender los objetivos del autor(es). Termina con un párrafo que establece los objetivos de la investigación. 5.6. Cuerpo: en el caso de los artículos de revisión la estructura y encabezamiento del cuerpo de las revisiones queda a criterio del autor(es). Para los artículos científicos experimentales, el cuerpo del artículo se dividirá en: “Materiales y Métodos”, y “Resultados y Discusión”. 5.7. Conclusiones: deben ligarse a los objetivos del trabajo, y establecer claramente los principales resultados sin usar abreviaciones, acrónimos, ni referencias. 5.8. Agradecimientos: en esta sección se permite agradecer a instituciones, organizaciones, laboratorios, y personas que han contribuido en toda o en parte de la investigación. 5.9. Referencias bibliográficas 6. Con excepción del resumen, todas las secciones deberán estar numeradas en arábigos (norma ISO 2145) 7. Símbolos y unidades: el autor debe utilizar las normas del Sistema Internacional de Magnitudes (ISO/IEC 80000), en lo referente a unidades, símbolos y abreviaturas. 8. Nombres comerciales: se evitará el empleo de nombres comerciales; en su lugar se utilizarán los nombres genéricos; pero si es inevitable, se indicará con el símbolo ®. 9. La revisión bibliográfica debe ser, como mínimo, de 30 referencias. 9.1. Dentro del texto deberán escribirse bajo el sistema autor-fecha, así: Schejtman (1994), o (Schejtman, 1994); si se trata de citas textuales, deberán escribirse entre comillas, incluyendo luego de la referencia el número de página: Schejtman (1994: 63), o si son varias páginas, Schejtman (1994: 63-72). 9.2. Cuando hay tres o más autores, se cita el primer autor seguido por la expresión “et al.” 9.3. Si hay más de una referencia del mismo autor(es) en el mismo año, deben diferenciarse agregando una letra (a, b, c, d, etc.) al año en el texto y en las Referencias. 9.4. En la sección Referencias bibliográficas, deberá incluirse en orden alfabético, así: 9.4.1. En el caso de libro, Apellido, inicial del nombre(s). Año de la publicación, entre paréntesis. Título. Ciudad: Editorial. Ejemplo: Schejtman, Alexander. (1994). Economía política de los sistemas alimentarios en América Latina. Santiago de Chile: Oficina Regional de la FAO para América Latina y El Caribe. 9.4.2. En el caso de artículo de revista u otra publicación periódica: Green, Raúl H. (1989). Les déterminants de la restructuration des grands groups agro-alimentaires au niveau mondial. Économie et Sociétés, Progrès et Agriculture, 20: 27-52. 9.4.3. En el caso de fuentes de la Internet, deberá indicarse la dirección URL y la fecha de consulta de las mismas: Food and Dugs Administration. (2001). HACCP: A State-of-the-Art Approach to Food Safety. En: http://www.cfsan.fda.gov/~lrd/bghaccp.html; consulta: 11/10/2006. En caso de duda, se sugiere seguir la normativa APA. 10. Todos los artículos estarán sujetos a la revisión y aprobación por parte de árbitros, salvo las colaboraciones especiales, solicitadas expresamente por el editor y que conformarán una sección especial de la revista. Los árbitros emitirán su concepto por escrito en el formato establecido para ello. Si los árbitros sugieren correcciones, los autores deberán enviar la nueva versión del manuscrito, vía email, en un plazo máximo de quince días hábiles a partir de la fecha de envío, pasado el cual perderá su turno de publicación. 11. La recepción de un trabajo no implica la aceptación ni publicación del mismo, ni el compromiso por parte de la revista con respecto a su fecha de aparición. No se devuelven manuscritos originales y el editor se reserva el derecho de realizar los ajustes necesarios a las colaboraciones, para garantizar la uniformidad de estilo propuesta por la revista. NOTA IMPORTANTE: los manuscritos que no cumplan con todas estas especificaciones serán devueltos a su(s) proponente(s) para que los adapten a las normas y puedan ser posteriormente remitidos al arbitraje. TÉRMINOS Y CONDICIONES DE LA REVISTA RECITEIA El acceso a este sitio y la utilización de sus servicios está sujeta a los términos y condiciones generales que se establecen a continuación y a las de índole particular que aparecen en sus capítulos (Términos y Condiciones). De continuar Ud. (el Usuario) el uso de este sitio, se entenderá que presta su conformidad con los Términos y Condiciones. Además, si realiza actividades de educación, se compromete a respetar los términos y condiciones estipulados por revistareciteia.es.tl. 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