VII CAIQ2013 y 2das JASP
AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
MICROENCAPSULACIÓN DE FITOESTEROLES MEDIANTE
SECADO POR ATOMIZACIÓN: INFLUENCIA DE LA
TEMPERATURA DE SECADO
C.A. Di Battista*, D.Trapé, D.T. Constenla, V.Ramírez Rigo y J.Piña
Planta Piloto de Ingeniería Química
(Universidad Nacional del Sur - CONICET)
Camino La Carrindanga Km. 7 - 8000 Bahía Blanca - Argentina
E-mail: [email protected]
Resumen. La microencapsulación mediante secado por atomización es una
técnica útil para mejorar ciertas propiedades de los fitoesteroles que
limitan su aplicabilidad en alimentos, principalmente de base acuosa. Estos
esteroles son ampliamente reconocidos como reductores de la absorción
del colesterol y sus niveles séricos, por lo cual su uso resulta de interés
para el tratamiento de la hipercolesterolemia y otras afecciones
relacionadas. Considerando que la temperatura de secado es una de las
variables operativas claves en el secado, en el presente trabajo se planteó
estudiar su influencia sobre la performance del proceso y la calidad de
producto para una alimentación al secadero preestablecida. Se encontró
que el efecto de esta temperatura es significativo sobre el tamaño medio de
las partículas y la fracción de fitoesteroles encapsulados en el producto, y
no significativo sobre el rendimiento de secado, la fracción de fitoesteroles
totales en el producto, la retención de los mismos y la eficiencia de
encapsulación. Se evaluaron tres niveles de temperatura de aire (110, 130
y 160 °C). Los mejores resultados en términos de fracción de fitoesteroles
encapsulados en el producto (12,945 %) y tamaño medio de partículas
(7,98 μm) se obtuvieron para 130ºC. No obstante, en todos los casos el
rendimiento de secado y la eficiencia de encapsulación estuvieron por
encima de 50% y la distribución de tamaño de partículas por debajo de
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30μm, valor adecuado para evitar la sensación arenosa en el paladar
humano y asegurar la absorción de los fitoesteroles en el intestino.
Palabras clave. Fitoesteroles, Secado por atomización, Microencapsulación.
1. Introducción
Los fitoesteroles, esteroles vegetales de estructura similar al colesterol, son
compuestos insolubles en agua, poco solubles en grasas y aceites, y ampliamente
reconocidos como reductores de la absorción del colesterol y sus niveles séricos
(Franke, 2006). La baja solubilidad que presentan dificulta su aplicación en
preparaciones alimenticias (Auweter et al., 2009). Algunos investigadores propusieron
alternativas para incrementar su solubilidad y/o biodisponibilidad (Gottemoller, 2004;
Ostlund, 2000). Sin embargo, la mayor parte de estas alternativas involucra técnicas que
implican una disminución en la salubridad de los productos elaborados, por el uso de
solventes orgánicos (Dyer et al., 2003) o de altos contenidos de grasas saturadas (Yuan
y Rudie, 2001), o bien la modificación química de los fitoesteroles por esterificación o
hidrogenación (Stewart et al., 2000).
La microencapsulación es una tecnología ampliamente utilizada para proporcionar
una barrera física entre un material de interés y los demás componentes de un producto
(Gharsallaoui et al., 2007), por lo que resulta muy atractiva para sortear la difícil
incorporación de los fitoesteroles en alimentos líquidos.
Existen diversas técnicas para producir la microcápsulas, de las cuales el secado por
atomización es la más usada en la industria alimentaria. Esto se debe a su sencillez y
bajo costo (Drusch, 2007), como así también a la disponibilidad de equipos a distintas
escalas, y la posibilidad de producir a escala industrial en modo continuo (Shu et al.,
2006). En este proceso, una alimentación líquida es transformada en partículas sólidas
mediante aspersión en un gas de secado caliente (Masters, 1979).
Las condiciones operativas del secado y la composición de la alimentación líquida
suelen tener efecto sobre las propiedades del producto y el rendimiento del proceso
(Bruschi et al., 2003); en consecuencia, es importante la optimización de ambas
variables operativas y de formulación.
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La selección del material de cobertura para microencapsulación mediante secado por
atomización involucra frecuentemente procedimientos de prueba y error (Gharsallaoui
et al., 2007). Sin embargo, existen algunos criterios para la elección de la/s cobertura/s
basados en sus propiedades reológicas, su habilidad para dispersar o emulsionar el
ingrediente activo y la compatibilidad química con el mismo, su capacidad para
protegerlo frente a condiciones ambientales adversas, entre otros aspectos. En general,
no existe un compuesto único que presente todas estas características y, por ende, en la
práctica cada material se utiliza modificado o en combinación con otras sustancias como
antioxidantes, agentes quelantes y/o surfactantes (Desai y Park, 2005).
Las maltodextrinas son derivados de almidón frecuentemente utilizadas, solas o en
combinación con otros materiales, para el procesamiento de extractos, aditivos
aromáticos, carotenoides y vitaminas (Sansone et al., 2011). Tienen numerosas
propiedades de interés como la formación de películas y reducción de la permeabilidad
al oxígeno. Por su parte, la goma arábiga es un heteropolisacárido complejo, con una
estructura altamente ramificada, usada como agente encapsulante en la
microencapsulación mediante secado por atomización debido a su alta capacidad
emulsificante y baja viscosidad en solución acuosa (Kurozawa et al., 2009).
La mezcla de maltodextrina con goma arábiga fue reportada como efectiva en la
microencapsulación mediante secado por atomización de aceite de cardamomo
(Krishnan et al., 2005), aceite de oliva (Calvo et al., 2010) y aceite de café (Frascareli et
al., 2011), entre otros ingredientes activos.
En estudios previos, se logró la microencapsulación de fitoesteroles (FE) mediante
secado por atomización, utilizando como agente de cobertura una mezcla de
maltodextrina (MD) y goma arábiga (GA) con bajas y distintas concentraciones de un
tensoactivo: Tween 20 o dodecilsulfato de sodio (SDS) (Di Battista et al., 2012). Los
resultados indicaron que la alimentación líquida con composición FE:GA:MD:SDS =
6,66:15:5:2 en 100 mL de agua destilada es, de todas las formulaciones ensayadas, la
más adecuada (en términos de eficiencia de encapsulación, retención de FE y tamaño de
partículas) para encapsular los fitoesteroles.
En objetivo del presente trabajo es determinar la influencia de la temperatura del aire
de secado (Tin =110, 130 o 160 ºC) sobre las variables de proceso y propiedades de
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producto más relevantes en la microencapsulación de fitoesteroles (i.e., rendimiento de
secado, eficiencia de encapsulación, retención de fitoesteroles y tamaño medio de las
partículas).
2. Materiales y Métodos
2.1. Materiales
Los fitoesteroles en polvo y la goma arábiga fueron provistos por Grupo Saporiti
(Buenos Aires, Argentina), la maltodextrina marca Globe 019150 (DE, dextrosa
equivalente 15) por Todo Droga (Córdoba, Argentina) y el tensoactivo SDS marca
Cicarelli por Reagents S.A. (Santa Fe, Argentina).
El polvo de FE es una mezcla compuesta principalmente por β-Sitosterol (35-55 %,
respecto a FE totales), Campesterol (18-27 %) y Estigmasterol (21-35 %), conteniendo
un porcentaje menor de otros esteroles vegetales (0-7 %).
2.2. Métodos
Preparación de la alimentación líquida. Se disolvieron 15 g de GA en 100 mL de
agua destilada previamente calentada a 50 ºC. Seguidamente se adicionaron 5 g de MD
y luego de su disolución, se agregaron 2 g de SDS. Finalmente, se dispersaron 6,66 g de
FE manteniendo la agitación durante una hora a 60 ºC. Al cabo de ese tiempo, la
suspensión obtenida fue sonicada por 5 minutos en un baño ultrasónico Cole-Parmer
889 para su inmediata atomización.
Condiciones operativas del proceso de secado. Las suspensiones se atomizaron en
un secadero Büchi B-290 Mini Spray Dryer (Büchi, Flawil, Suiza), utilizando el
siguiente conjunto de condiciones operativas: caudal de alimentación 2 mL/min; caudal
de aire de atomización 601 L/h; caudal de aire de secado 35-38 m3/h (correspondiente a
100 % de aspiración) y temperatura de entrada del aire de secado 110, 130 o 160 ºC.
Con el objeto de sostener la homogeneidad brindada por la sonicación, las suspensiones
se mantuvieron en agitación mientras la alimentación era bombeada. Cada ensayo de
secado se realizó al menos por duplicado.
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A partir del polvo recolectado en el vaso de producto y en el ciclón del secadero, se
determinaron la distribución de tamaño de partículas, el rendimiento de secado, las
fracciones de FE libres y totales en el producto y con ellas, la fracción de FE
encapsulados en el producto, la eficiencia de encapsulación y la retención de FE.
Distribución de tamaño de partículas. La distribución de tamaño de partículas en
las suspensiones y productos de secado se midió en un equipo de difracción de luz láser
Horiba LA-950 V2. Los ensayos fueron realizados al menos por triplicado. El tamaño
medio de las partículas se expresó como el diámetro medio en volumen D [4,3].
Rendimiento de secado, fracciones de FE libres, totales y encapsulados en el
producto, eficiencia de encapsulación y retención de FE. Los sólidos recuperados del
ciclón de separación gas-sólido junto a los del vaso recolector de producto (masa total
de producto) fueron relacionados gravimétricamente respecto a la cantidad total de
sólidos alimentados para determinar el rendimiento de secado (RS):
(1)
Para la eficiencia de encapsulación (EE) existe más de una definición. Entre otros
autores, Velasco et al. (2009) la describen como la fracción de ingrediente activo
encapsulado respecto al ingrediente activo total en el producto, en otras palabras:
(2)
La fracción de FE totales en el producto se determinó por disolución de las
microcápsulas, seguida de la extracción de los FE mediante el uso de solventes. Para
disolver las cápsulas y los materiales de cobertura no utilizados, se mezclaron 4 g de
polvo en 40 mL de agua destilada a 65 °C. Se agregaron 8 mL de NH4OH, manteniendo
en agitación por 20 minutos a 65 °C. Una vez alcanzada la temperatura ambiente, la
disolución se dispuso en una ampolla de decantación para la extracción de los FE totales
en 3 etapas. En la primera etapa, se agregaron 20 mL de etanol, luego 50 mL de éter
etílico y posteriormente 50 mL de n-hexano, agitando vigorosamente entre la adición de
cada solvente, al menos por 30 segundos. Se dejaron separar las fases y se recuperó la
fracción orgánica. La fase acuosa se dispuso para una segunda extracción, en la cual se
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procedió de la misma manera, utilizando 10 mL de etanol, luego 50 mL de éter etílico y
finalmente 50 mL de n-hexano. En la tercera etapa de extracción sólo se agregaron 50
mL de éter etílico y seguidamente 50 mL de n-hexano. Se recuperaron todas las fases
orgánicas, y se filtraron a través de Na2SO4. Evaporados los solventes bajo corriente de
N2, se determinó el residuo sólido constituido por la fracción de FE totales (FET) en el
producto de secado. El resultado se expresó como:
(3)
Por otra parte, la fracción de FE libres (FEL) en el producto de secado se estableció
dispersando 5 g de polvo en 200 mL de n-Hexano y manteniendo en agitación durante
15 minutos, para luego someter a filtración. Las microcápsulas conteniendo FE y los
agentes de cobertura no utilizados fueron retenidos por el filtro, mientras que los FE
libres permanecieron en solución. Dicha solución se llevó a un rotoevaporador a 60 ºC y
luego el residuo se secó bajo corriente de N2 hasta peso constante. El resultado se
expresó como:
(4)
Finalmente, la fracción de FE encapsulados (FEE) en el producto de secado se
calculó por diferencia entre FET y FEL:
(5)
De esta manera, la eficiencia de encapsulación dada por la Ec. (2) se reescribe como:
(6)
Por último, la retención de FE (RFE), que constituye un indicador de la recuperación
de FE en el producto de secado respecto a los FE alimentados al secadero, se determina
como:
(7)
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donde representa la fracción en masa de FE en los sólidos
alimentados (i.e., Masa FE Alimentados/Masa Sólidos Alimentados; en particular para
la formulación bajo estudio 6,66g/28,66g=0,2324).
3. Resultados y Discusión
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. muestra el efecto de la temperatura
del aire de secado sobre las variables relevantes en el secado (RS) y en la
microencapsulación (FET, FEE, EE y RFE).
Fig. 1. Influencia de la temperatura de secado sobre el rendimiento de secado, las fracciones de fitoesteroles
totales y encapsulados en el producto, la retención de fitoesteroles y la eficiencia de encapsulación.
El rendimiento de secado aumenta con la temperatura de secado desde 53,7 a 59,0 %,
sin presentar diferencias significativas ante las variaciones ensayadas en la temperatura
de secado (p > 0.05). Diversos autores estudiaron la influencia de la temperatura del aire
de secado sobre el rendimiento del proceso. En particular, Fazaeli et al. (2012) y Tonon
et al. (2008) observaron un efecto positivo de Tin sobre RS asociado a una mejor
eficiencia en la transferencia de calor y masa y,a una menor probabilidad de encontrar
partículas mal secadas que choquen contra la pared de la cámara. La deposición de
producto en la cámara de secado puede producirse no sólo por la colisión de gotas
atomizadas insuficientemente secas contra la pared del secadero, sino también por el
5%
15%
25%
35%
45%
55%
65%
100 110 120 130 140 150 160 170
RS
, F
ET
, F
EE
, E
E,
RF
E[%
]
Temperatura de secado [ºC]
RS EE RFE FET FEE
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pegado ocasionado por la naturaleza del producto a la temperatura de secado (Masters,
1979). En este sentido, Papadakis et al. (2006) reportaron una tendencia contrariapara
RS frente a incrementos en Tin, la que adjudicaron a la aparición de transiciones vítreas.
Por otra parte, la fracción de fitoesteroles totalesen el producto (FET) varía entre
18,7 y 20,7 %, siendo estas diferencias no significativas (p > 0,05). Teniendo en cuenta
la fracción en masa de FE en los sólidos alimentados ( =0,2324),
estos resultados sugieren que la pérdida de producto por pegado en la cámara de secado
y el ciclón es selectiva a los FE. No obstante, esta selectividad no parece estar asociada
a la temperatura de secado.
Por otra parte, la fracción de fitoesteroles encapsulados en el producto (FEE) se
mantiene entre 9,8 y 12,3 %, presentando variación significativa con la temperatura de
secado en el rango analizado (p < 0,05). Cuando Tin se incrementa desde 110 hasta
130ºC, FEE aumenta de 11,66 hasta 12,95 %, y luego disminuye hasta 9,84 % para Tin
igual a 160 ºC. Este última tendencia podría atribuirse a un desbalance entre la tasa de
evaporación de agua y la formación de película, lo cual facilita la ruptura de la pared
que cubre la microcápsula (Shu et al., 2006). La EE se mantiene alrededor de 58 %, sin
presentar variaciones significativas con la temperatura (p > 0,05), posiblemente por ser
esta variable una combinación de otras dos (FEE y FET).
En concordancia con FET y RS (ver Ec.7), RFE no muestra una variación
significativa con la temperatura de secado en el rango estudiado (p > 0,05),
manteniéndose alrededor de 47,8 %. Esta variable permite corroborar lo mencionado
anteriormente respecto a la selectividad del pegado en la cámara de secado hacia los FE;
en efecto, RFE es siempre menor que RS. Ensayos de calorimetría diferencial de barrido
llevados a cabo previamente (Di Battista et al., 2013) sobre muestras de producto y de
cada uno de los componentes de las microcápsulas secados individualmente por
atomización, sólo revelaron dos eventos endotérmicos característicos de los FE (a 55 y
134,6 °C). Se prevé realizar otros estudios complementarios para determinar si esta
selectividad podría estar relacionada con los fenómenos térmicos exhibidos por los FE.
La Fig. 2muestra la distribución de tamaño de las partículas producto a distintas
temperaturas del aire de secado. Puede observarse que todas las distribuciones obtenidas
fueron unimodales y que los diámetros obtenidos permanecieron por debajo de 30 μm.
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Fig. 2. Distribución de tamaño de las partículas producto a distintas temperaturas de secado.
Finalmente, la Fig. 33presenta la variación del diámetro medio en volumen de las
partículas obtenidas mediante secado por atomización con la temperatura del aire de
secado. En todos los casos, el valor de D[4,3] es inferior a 8,5 μm, mientras que las
distribuciones de tamaños completas permanecen siempre por debajo de 30 μm, lo cual
resulta sumamente aceptable en términos de la funcionalidad de los FE. Auriou (2003)
indica que se requieren tamaños menores a 50 µm para proveer un polvo de FE que no
otorgue sensación arenosa en el paladar humano, mientras que Thakkar (1975) sugiere
un tamaño de FE menor a 25 µm para favorecer la absorción de los mismos en las
micelas intestinales.
El diámetro medio de las partículas se ve significativamente afectado por la
temperatura del aire de secado (p < 0,05); sin embargo, no presenta un comportamiento
monótono con esta variable. El incremento en Tin de 110 a 130 °C ocasiona una
disminución en D[4,3] de 8,38 a 7,98 μm, posiblemente debido a una disminución en la
viscosidad de las muestras con el aumento de temperatura. En la microencapsulación de
aceite de café con goma arábiga, Frascareli et al. (2012) no observaron cambios
significativos en el tamaño de las partículas frente a la temperatura del aire de secado,
pero adjudicaron esas variaciones a un efecto de la viscosidad de la matriz acuosa. Por
otra parte, el incremento en Tin de 130 a 160 °C provoca un ascenso en D[4,3] de 7,98 a
8,41 μm, aproximadamente. Este comportamiento podría en parte atribuirse a una rápida
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
1 10 100 1000
Fre
cuen
cia
[%
]
Diámetro [μm]
110 ºC
130 ºC
160 ºC
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formación de la estructura externa que no permite la evaporación de todo el agua
contenida y evita el encogimiento de las partículas como consecuencia de los elevados
niveles térmicos (Tonon et al., 2010).
Fig. 3. Diámetro medio en volumen de las micropartículas a distintas temperaturas de secado.
4. Conclusiones
Para la formulación encontrada como óptima en estudios previos (Di Battista et al.,
2012), la temperatura del aire de secado resulta una variable operativa significativa
sobre dos de los parámetros inherentes a la microencapsulación de FE, la fracción de FE
encapsulados en el producto y el tamaño medio de las partículas producidas. Para ambas
respuestas, la temperatura de entrada del aire de secado igual a 130 °C provee a valores
óptimos tanto para la fracción de FE encapsulados en el producto (de 12,95 %) como
para el tamaño de partículas (7,98 μm). Independientemente de la temperatura de secado
utilizada (para el rango 110-160 °C), la atomización de muestras con composición
FE:GA:MD:SDS = 6,66:15:5:2 en 100 mL de agua destilada a 60 °C, luego de una
etapa de 5 minutos de sonicado, conduce a distribuciones de tamaño (completamente
por debajo de 30 μm) con tamaños medios de microcápsulas (menores que 8,5 μm)
adecuados para asegurar la absorción de los fitoesteroles en el intestino y evitar la
sensación arenosa en el paladar humano, y a rendimientos de secado (de
aproximadamente 56 %), eficiencias de encapsulación (alrededor de 58 %) y
retenciones de fitoesteroles (en torno a 47,8 %) satisfactorios. Como estos tres últimos
7,80
7,90
8,00
8,10
8,20
8,30
8,40
8,50
8,60
100 110 120 130 140 150 160 170
Diá
met
ro m
edio
en
vo
lum
en [μ
m]
Temperatura de secado [ºC]
Dp
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parámetros no se encuentran afectados significativamente por la temperatura de secado,
su optimización debe ser afrontada considerando otras variables de proceso como la
concentración de sólidos, la relación Cobertura:FE, caudales de aire atomización y de
alimentación líquida, etc.
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