La técnica de microencapsulación en la industria alimentaria para rumiantes

Mohsen Sahraei Belverdy, Ali A. Alamouti y Mohammad Hossein Azizi

Introducción

Se han diseñado numerosas metodologías para aumentar la cantidad de un nutriente que pasa a través del rumen sin ser degradado por los microorganismos ruminales, con el objetivo de aumenta el aporte de ese nutriente en el tracto gastrointestinal inferior. Algunos de estos métodos incluyen tratamiento térmico y químico y compuestos poliméricos de aminoácidos⁴. La técnica de microencapsulación tiene una amplia aplicación en las industrias agrícola, alimentaria y farmacéutica³. Esta técnica también es aplicable a la industria de aditivos para rumiantes, ya que protege los ingredientes de la degradación ruminal, lo que permite aumentar la biodisponibilidad de estos en el intestino delgado.

La microencapsulación se define como un proceso en el cual las partículas de sólidos, gotitas de líquidos o gases con tamaños de micras se recubren por una capa de material o se incorporan en una matriz homogénea o heterogénea para crear pequeñas cápsulas con muchas propiedades útiles¹². El producto obtenido de este proceso se llama microencapsulado e incluye microesferas y microcápsulas. Las microcápsulas son partículas que consisten en un núcleo interno que contiene la sustancia activa, que está cubierta con una capa de polímero que constituye la membrana de la cápsula. Las microesferas son matrices en las que el núcleo se dispersa y/o disuelve uniformemente en una red de polímeros. Las microesferas pueden ser homogéneas o heterogéneas dependiendo, respectivamente, de si el núcleo se encuentra en un estado molecular (disuelto) o en forma de partículas (suspendidas)⁹.

Esta revisión discutirá brevemente algunos aspectos de la microencapsulación, como el material de recubrimiento, los principios activos, las técnicas de encapsulación y algunos de sus usos en la alimentación de rumiantes.

Materiales de revestimiento

Originalmente, la mayoría de los métodos relacionados con la encapsulación se enfocaban en la protección de compuestos hidrofílicos como los aminoácidos, proteínas, vitaminas, enzimas, carbohidratos, medicamentos y hormonas. Se pueden utilizar diversos materiales como proteínas, polisacáridos, lípidos y polímeros sintéticos para la encapsulación de ingredientes en la industria alimentaria³. Sin embargo, como la actividad enzimática de los microorganismos ruminales destruye muchos de estos materiales de recubrimiento, solo un número limitado de estas técnicas se han aplicado a la industria de aditivos para rumiantes. Los materiales que se seleccionan como matriz de recubrimiento deben tener estas propiedades específicas para proteger al principio activo de la degradación ruminal:

1. Ser insoluble en el rumen del animal donde el pH es mayor que 6.
2. Ser soluble en el abomaso donde el jugo digestivo es más ácido (pH 1.5 – 2).
3. Ser resistente al ataque microbiano.
4. Poseer propiedades mecánicas para soportar la rotura (por ejemplo, flexibilidad y resistencia).

El producto encapsulado también debe contener una gran cantidad de núcleo/principio activo, tener una superficie regular y una gravedad específica apropiada (1.2 – 1.7 g/cm³)¹¹. Las cápsulas deben ser lo suficientemente densas para garantizar que no permanezcan flotando en la capa superior del contenido del rumen durante un tiempo ilimitado. La densidad de la cápsula se puede ajustar convenientemente variando los ingredientes que forman el núcleo de la cápsula, por ejemplo, a través de la adición de un agente de alta densidad como el caolín, el sesquióxido de cromo o el sulfato de bario¹⁰.

Recientemente, la encapsulación con materiales lipídicos ha ganado mucha atención. Los productos con protección lipídica dependen de su resistencia al ataque enzimático, que mantiene la integridad de la capa protectora en el rumen, mientras que es digerido por enzimas intestinales donde se liberan los componentes activos. Al diseñar un producto recubierto de grasa, un ingrediente activo se incrusta en una matriz lipídica o se prepara en pequeñas esferas y luego se recubre con material lipídico. En general, las grasas de revestimiento consisten en ácidos grasos con un punto de fusión de ≥40 ºC y con al menos 14 átomos de carbono.

El recubrimiento lipídico tiene la ventaja de usar materiales de grado alimenticio de costo relativamente bajo en comparación con los recubrimientos poliméricos⁵. Además, las grasas y los ácidos grasos se utilizan en las raciones lecheras, lo que justifica aún más la idea de utilizar el mismo ingrediente como material de recubrimiento. Por el contrario, las desventajas de este método de protección incluyen una baja proporción del material activo y su limitada liberación y absorción postruminal. Este último generalmente está inversamente relacionado con el grado de protección del rumen. Sin embargo, varios productos varios productos protegidos contra el rumen a base de lípidos están disponibles comercialmente. Por ejemplo, la tecnología de encapsulación de lípidos se ha utilizado para producir ácido linoleico conjugado protegido⁶.

Actualmente, se ha introducido un nuevo método que protege ácidos grasos poliinsaturados de la degradación ruminal utilizando un recubrimiento polimérico². En este método, el ingrediente activo está recubierto con múltiples capas que incluyen un recubrimiento interno tal como ceína o caseinato y una capa externa que consiste en un material de liberación retardada tal como goma arábiga, gelatina, etilcelulosa o hidroxipropilmetilcelulosa.

Técnicas de microencapsulación

Algunas de las principales técnicas de encapsulación que utilizan grasas son el recubrimiento en lecho fluido, el enfriamiento tras atomización y la separación centrífuga de la suspensión.

Recubrimiento en lecho fluido

Este tipo de recubrimiento produce la formación de cápsulas llamadas “estructuras de reservorio”, donde las partículas están recubiertas por una capa. Usando esta técnica, el material lipídico se pulveriza a temperaturas por encima de sus puntos de fusión en una plantilla para constituir la cubierta. A medida que se enfría, la masa lipídica se solidifica alrededor de la plantilla y forma una capa protectora. El lecho fluido se aplica a diversos productos para la encapsulación; algunos de los cuales incluyen vitaminas B y C y minerales como el cloruro de potasio^{1, 13}.

Enfriamiento tras atomización (Spray cooling/chilling)

Estos son dos procesos de encapsulación disponibles comercialmente que involucran la dispersión del principio activo dentro de un lípido fundido a través de un proceso de homogeneización. Aquí, la mezcla del núcleo y la pared lipídica se atomiza en el aire a baja temperatura, lo que hace que la grasa se solidifique alrededor del núcleo, formando así un producto encapsulado⁷. Estas técnicas se han utilizado para la encapsulación de principios activos solubles en agua como minerales, vitaminas solubles en agua, enzimas y algunos sabores⁷.

Suspensión centrifuga

La separación centrífuga de la suspensión se usa ampliamente para el recubrimiento de partículas con una capa delgada de grasa o cera. En esta técnica, las partículas se suspenden en un material fundido y se vierten en un disco giratorio. A medida que las partículas se diseminan en el disco, se aplica una película delgada de material para cubierta. Cuando se mueven hacia el borde del disco giratorio a través de la fuerza centrífuga, las partículas se separan de la película de grasa y se forman microcápsulas de núcleo-cubierta¹³.

Aplicación

Actualmente se dispone de varias técnicas para proteger nutrientes de la degradación ruminal, algunos de las cuales se discutieron brevemente. A medida que las vacas lecheras modernas continúan alcanzando registros de producción de leche más altos, la aplicación de estas tecnologías parece extenderse a muchos otros aditivos para así poder cubrir sus altos requerimientos nutritivos.

Sobre los autores

Mohsen Sahraei Belverdy obtuvo un doctorado en nutrición de rumiantes del Departamento de Ciencia de Animales y Aves de la Facultad de Aburaihan, Universidad de Teherán, Teherán, Irán en 2019. Su principal área de interés es mejorar el valor nutricional de los alimentos para rumiantes. Su tesis doctoral trató sobre la encapsulación de la harina de soya con las grasas y su uso en raciones de vacas lecheras de alto rendimiento. Ha publicado dos manuscritos relacionados con su tesis en magazines internacionales y nacionales. m.sahraei@ut.ac.ir

Ali Assadi-Alamouti es un Profesor Asistente en el Departamento de Ciencia de Animales y Aves de la Universidad de Teherán, Teherán, Irán desde 2010. Su área de trabajo es la nutrición de rumiantes y está trabajando en varios proyectos en esta área. Ha presentado ponencias en conferencias y ha publicado artículos y ponencias en diversas revistas. En este momento, está participando en un proyecto relacionado con la encapsulación de alimento usados en nutrición de rumiantes.

Mohammad Hossein Azizi es profesor en el Departamento de Ciencia y Tecnología de Alimentos de la Universidad de Tarbiat Modarres, Teherán, Irán. Recibió su PhD en Ciencia y Tecnología de Alimentos en el Instituto Central de Investigación Tecnológica de Alimentos (CFTRI), Mysore, en 2000. Sus intereses de investigación se encuentran en las áreas de ciencia de los cereales y tecnología de envasado. En la actualidad, sus esfuerzos de investigación se centran en el uso de películas comestibles como agentes de recubrimiento para aplicaciones alimentarias.

Referencias

1. DeZarn, T.J. 1995. Food ingredient encapsulation. In Encapsulation and Controlled Release of Food Ingredients; Risch, S. J. and G. A. Reineccius. ACS Symposium Series.Washington, DC.
2. Gadeyne, F., De Neve, N., Vlaeminck, B. and Fievez, V. 2017. State of the art in rumen lipid protection technologies and emerging interfacial protein cross‐linking methods. European Journal of Lipid Science and Technology. 119:1600345.
3. Gaonkar, A.G., Vasisht, N., Khare. A.R. and Sobel. R. 2014. Microencapsulation in the food industry: a practical implementation guide. Elsevier.
4. Gately, S.F., Wright, D.R. and Valagene. R.J. 2009. Granular feed supplement. US patent. 0092704 A1.
5. Jenkins, T.C. and Bridges, W.C. 2007. Protection of fatty acids against ruminal biohydrogenation in cattle. European Journal of Lipid Science and Technology. 109: 778–789.
6. Perfield, J.W., Lock, A.L., Pfeiffer, A.M. and Bauman, D.E. 2004. Effects of amide-protected and lipid-encapsulated conjugated linoleic acid (CLA) supplements on milk fat synthesis. Journal of Dairy Science. 87: 3010–3016.
7. Rahman, S.M. 2007. Handbook of Food Preservation. second ed. CRC Press, Boca Raton.
8. Schwab, C.G. and Ordway, R.S. 2003. Methionine supplementation options. In Proc. Four-State Applied Nutrition and Management Conf., July (pp. 9-10).
9. Shahidi, F. and Han, X.Q. 1993. Encapsulation of food ingredients. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 33: 501–547.
10. Sibbald, I.R., Place, C., Loughheed, T.C., Drive, G.W. and Linton. J.H. 1970. Encapsulated biological materials for feeding to ruminants and process for the production thereof. US patent. 3, 541, 204.
11. Sýkora, T., Rabišková, M., Třináctý, J., Vetchý, D., Häring, A. and Dvořák, P. 2007. Postruminal delivery system for amino acids and proteins in cattle. Acta Veterinaria Brno. 76: 547-552.
12. Thies, C. 1996. A survey of microencapsulation processes. In: Benita, S. (Ed.), Microencapsulation: Methods and Industrial Applications. Marcel Dekker, New York, NY, pp. 1-19.
13. Toublan F.J.J. 2014. Fats and waxes in microencapsulation of food ingredients. In: Gaonkar A.G., Vasisht N., Khare, A.R., Sobel, R. (Ed). Microencapsulation in the food industry. San Diego (CA): Elsevier; pp. 253-265.