la nanote

LA NANOTECNOLOGA: APLICACIONES DE LA QUMICA EN LA

INGENIERA DE ALIMENTOS

Yovera, Mario 1*

, Vizcaya, Teodoro 2

y Mendoza, M. Alejandra 3

1. Universidad Nacional Experimental del Yaracuy. 2. Hospital Dr. Egidio Montesinos, Ministerio del

Poder Popular para la Salud. 3. Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado

* [email protected]

Palabras clave: Nanotecnologa, ingeniera de alimentos, nanomateriales, agricultura, inocuidad alimentaria

Resumen

En las ltimas dcadas se ha hecho evidente el vertiginoso desarrollo de nuevas tecnologas para

el mejoramiento agrcola de cultivos y tratamientos de alimentos, se trata de maximizar su

produccin y distribucin, adems de la conservacin postcosecha y almacenamiento eficiente

que permita garantizar la vida til y disponibilidad de los alimentos con la intencin de obtener

alimentos inocuos y sanos. Entre las tecnologas emergentes se encuentra la nanotecnologa,

entendida como aquella tecnologa en la cual los materiales y estructuras se encuentra a una

escala nanomtrica, es decir un tamao alrededor de hasta 100 nm (1 nm equivale a 10-9 m), o

sea, la milmillonsima parte de la unidad mtrica. Los nanomateriales adquieren propiedades y

caractersticas distintas que las de mayor escala, en este sentido la Qumica y la Ingeniera juegan

un papel fundamental en el estudio de estos nuevos productos a nanoescala. Adems, promete la

creacin de varios tipos de nanomateriales aplicables en la investigacin agrcola, mtodos de

diagnsticos de inocuidad alimentaria y en procedimientos de restauracin ambiental, entre otros.

Sin embargo, es necesario evaluar no solo los beneficios que aporta, sino tambin los posibles

riesgos que pueden traer consigo las nanopartculas y el impacto ambiental sobre su degradacin.

El presente artculo, es producto de una investigacin de tipo documental y se efectu a travs de

la revisin crtica de artculos cientficos para el anlisis del estado del arte del conocimiento

acerca del uso de la nanotecnologa y la creacin de nanomateriales apoyados en la Ingeniera de

Alimentos a partir de investigaciones en este campo y su aplicacin en la agricultura y

produccin de alimentos.

Introduccin

Actualmente, los avances en el estudio cientfico de la materia a escala atmica han permitido

consolidar un nuevo campo de conocimiento, la nanotecnologa, cuyas implicaciones sociales han

sido ms profundas que las sucedidas con cualquier otra tecnologa en los ltimos siglos desde la

Revolucin Industrial. En efecto, Barrere y col (2009) han considerado a la nanotecnologa como

la nueva revolucin industrial p. 28, por el impacto geopoltico que puede ser estratgico para

el desarrollo cientfico, tecnolgico y socioeconmico mundial.

En general, la nanotecnologa representa un potencial para el desarrollo cientfico y tecnolgico

global, sin embargo, el rpido y creciente desarrollo de esta tecnologa ha vuelto inevitable el

debate sobre las implicaciones ticas en sus aplicaciones y usos. Barrere y col (2009), plantean la

susceptibilidad en temas como la equidad, el incremento en la brecha entre pases ms y menos

industrializados; el medioambiente, los nanomateriales como posibles contaminantes; la

seguridad, dispositivos no detectables y nuevas armas; y la biotecnologa, modificacin de

organismos vivos, entre otros p. 28. Por tanto, los acuerdos internacionales y las instituciones,

con las regulaciones existentes y las que deben crearse, estn destinadas a prevenir los usos

destructivos o accidentales que puedan producirse y fomentar la investigacin para explorar los

posibles impactos medioambientales y principalmente los efectos sobre la salud.

La Nanotecnologa puede definirse como la creacin y diseo de materiales y dispositivos a

nanoescala capaces de cumplir una funcin especfica, y la explotacin de fenmenos y

propiedades de la materia a escalas nanomtricas, es decir un tamao alrededor de hasta 100 nm

(1 nm equivale a 10-9 m), o sea, la milmillonsima parte de la unidad mtrica, o bien la

millonsima parte de un milmetro. En esta escala se encuentran las dimensiones de las partculas

atmicas y moleculares. Segn Molins (2008) el tamao de un tomo oscila entre 0,1 y 1 nm,

mientras que las molculas simples pueden estar entre 1 y 10 nm, los virus entre 10 100 nm y

las bacterias de 1.000 a 10.000 nm p. 38. Por su parte, Miller y Senjen (2008) mencionan que la

molcula de ADN mide 2 nm, una molcula de protena 5 nm y un glbulo rojo 7.000 nm p. 1.

Por ello, se considera la importancia en el manejo y manipulacin de la materia a nanoescala

como parte fundamental para el avance de esta tecnologa. Esto ha sido posible por el desarrollo

de instrumentos microscpicos potentes que permiten realizar mediciones a nanoescala como lo

plantea Cuberes (2007) la implementacin de nuevas tcnicas de microscopas han permitido la

caracterizacin de materiales a escala nanomtrica e incluso su manipulacin p. 3.

La Red Venezolana de Nanotecnologa (2010), afirma que al igual que la biotecnologa y las

tecnologas de informacin, la nanotecnologa surge de la fusin de mltiples disciplinas como la

ingeniera, la fsica y la qumica moderna, introduciendo una novedad cualitativa p. 2. De all su

carcter transdisciplinario, y tambin su potencialidad de converger con otros campos de

investigacin y del conocimiento introduciendo nuevos modos en los procesos de produccin de

bienes y servicios. Por esta razn se considera una de las nuevas tecnologas emergentes como se

ha presentado en artculos de investigacin por la comunidad cientfica. Asimismo, las ventajas

que implica la relacin entre esta nueva tecnologa pueden ser ilustradas ampliamente, en este

caso particular, se expondr la nanotecnologa con la qumica y la ingeniera de alimentos para la

elaboracin de nanomateriales capaces de proporcionarle nutrientes a las plantas de manera ms

eficiente, por ejemplo partculas nanomtricas emulsionadas que se mezclan completamente con

agua y se emplean en la produccin de cultivos hidropnicos maximizando su aprovechamiento,

como lo exponen Miller y Senjen (2008). Igualmente ocurre con la obtencin de aditivos

alimenticios, por ejemplo una base de licopeno sinttico de 200 nm usado como antioxidante de

alimentos, jugos y bebidas, cereales, entre otros.

Nanotecnologa y Nanociencia

Como se ha mencionado, la Nanotecnologa es una nueva tecnologa emergente sustentada en la

ingeniera, la fsica y la qumica moderna, para producir dispositivos o materiales a nanoescala y

la capacidad para caracterizar, disear, producir y controlar dichos materiales. Desde un punto de

vista prctico, esta tecnologa constituye un conjunto de tcnicas diferentes, pero que tienen en

comn el tamao a las que operan, la nanoescala, es decir la milsima parte de lo que hasta hace

pocas dcadas se conoca como microescala o escala microscpica como lo seala la Red

Venezolana de Nanotecnologa (2010).

Es importante sealar, a partir de las definiciones dadas por varios autores, la diferencia entre

nanotecnologa y nanociencia. En este sentido, Barrere y col (2009) explican que la nanociencia

son generadoras del conocimiento bsico sobre esta fenomenologa especfica a la escala

mesoscpica, tanto desde el punto de vista de la fsica como de la qumica y la biologa p. 27.

Por su parte, Coppo (2009) sostiene que los progresos actuales pueden calificarse ms bien de

nanociencia, cuerpo de conocimiento que sienta las bases para el futuro desarrollo de una

tecnologa basada en la manipulacin detallada de las estructuras moleculares p. 62.

Esencialmente, la nanociencia puede ser definida como el estudio de la materia a nivel de

nanoescala (atmica y molecular) y la generacin de conocimiento en esta rea a travs de la

aplicacin de mtodos experimentales que permitan observar, explorar, analizar y establecer

teoras que la sustenten.

Nanomateriales

Los Nanomateriales son todas aquellas estructuras moleculares creadas y diseadas a partir del

manejo atmico de la materia, con caractersticas nicas y nuevas, diferentes a las del material

original de los que se derivan, as como lo plantea Molins (2008). Por su parte, Cuberes (2007)

establece las propiedades de los nanomateriales dependen de cmo estn orientados los tomos

que los constituyen. Adems, cuando se manipula la materia a escala atmica y molecular, se

ponen de manifiesto fenmenos y propiedades nuevas p. 1. Asimismo, explica Coppo (2009)

que a tal escala, la materia adopta propiedades muy diferentes de las que exhibe a gran escala

p. 63. De estas consideraciones, se indica que los Nanomateriales son ms fuertes, ms

resistentes, ms ligeros, mejores conductores, ms porosos y menos corrosivos, lo que los

convierte en materiales con propiedades extraordinarias en comparacin con los correspondientes

materiales existentes. Para ilustrar esto, se pueden mencionar los fullerenos o buckyballs,

nanotubos, dendrmeros, puntos cunticos, nanoenvolturas, nanogotas y nanorobots, entre tantos.

En efecto, las partculas a escala nanomtrica siguen las leyes de la fsica cuntica, sostiene

Molins (2008) a nivel de nanopartculas, pueden ocurrir cambios en las propiedades qumicas,

elctricas, magnticas, mecnicas y biolgicas del material que lo diferencia del correspondiente

en su forma normal, sin alterar su composicin qumica p. 40. Por estas razones se puede inferir

que las caractersticas nuevas que presentan las nanopartculas se basan en su flexibilidad,

resistencia, conductividad, tensin superficial e incluso la coloracin.

Figura 1. Fullereno o Buckybola C60

Entre los nanomateriales de primera generacin se

encuentran los fullerenos, especficamente la

buckybola, denominacin dado el parecido a la esfera

geodsica de Buckminster Fuller; son estructuras

diminutas con base en carbonos configurados en

forma similar a un baln de ftbol. Por ejemplo, en el

caso de la agricultura se tiene, nanocpsulas esfricas

para transportar fertilizantes y agroqumicos. En la

ingeniera de alimentos se cuenta con nanopartculas

que contienen potenciadores del sabor y

nanopartculas para mantener la viscosidad del

producto alimenticio, entre otros.

Otra de las configuraciones de

fullerenos en forma cilndrica, como un

tubo o una red alambre enrollado, se

tienen los nanotubos, con alta

flexibilidad y extraordinaria resistencia.

Estos y otros nanomateriales se han

utilizado ampliamente en electrnica,

computacin, energa y combustibles,

materiales de construccin, textiles,

medicina, medioambiente, suelos,

tratamiento de aguas, deportes,

industria automotriz hasta el uso

condenable en armamentos.

Figura 2. Nanotubo de carbono

Usos de los Nanomateriales en Agricultura y Alimentos

Antes de abordar este tpico fundamental, es necesario definir el concepto de nanoalimentos que

ser citado en adelante. Segn Miller y Senjen (2008), los nanoalimentos son todos aquellos

alimentos que han sido cultivados, procesados, tratados o empacados utilizando las tcnicas o

herramientas nanotecnolgicas p. 2. Los autores citados exponen en su artculo una lista de

nanoalimentos, aunque confiesan dada la renuencia de los fabricantes de alimentos a entablar un

dilogo sobre el uso de la nanotecnologa, es probable que nuestra lista solo represente una

fraccin de los nanoalimentos disponibles comercialmente p. 2. Sin embargo, es notable el

hecho de las aplicaciones de la qumica y la ingeniera de alimentos en el diseo de

nanomateriales que le proporcionen caractersticas favorables tanto a los cultivos como a los

alimentos. Por su parte, Coppo (2009), establece la utilidad de insumos agrcolas a nanoescala,

entre las que destaca: mejora de la produccin, agricultura de precisin, plaguicidas, herbicidas,

invernaderos, reduccin del uso de agua de riego, suelo, fertilizantes y fitosanitarios, deteccin de

niveles de agua, nitrgeno, nutrientes, plagas, polen y agroqumicos p. 68. En este orden de

ideas, Molins (2008), afirma que las posibilidades de las nanopartculas de penetrar las clulas

es el de un nanoplaguicidas que atacara la pelcula que recubre la semilla de las malezas p. 42.

La creacin de estas nanopartculas se les atribuye a la investigacin conjunta de institutos

agrcolas de Mxico e India, cuyos resultados se basan en la detencin de la germinacin, porque

las partculas del suelo no podrn impedir la deposicin del nanoplaguicida en el lugar donde se

encuentra las semillas de la maleza.

Tabla 1: Lista de aplicaciones en nanoalimentos

En Agricultura En Procesamiento de

Alimentos

En Envasado de

Alimentos

En Suplementos

Nanocpsulas para

transportar pesticidas,

fertilizantes y otros

agroqumicos

Nanocpsulas para mejorar

la biodisponibilidad de los

nutracuticos en

ingredientes estndar,

como los aceites vegetales

Anticuerpos adheridos a

nanopartculas

fluorescentes

Nanopolvos que aumentan

la absorcin del nutriente

Transporte de hormona de

crecimiento y vacunas

Nanocpsulas que tienen

potenciadores del sabor

Nanosensores

biodegradables para el

monitoreo de temperatura

y humedad

Nanoencapsulacin de

nutracuticos para una

mejor absorcin y

estabildad

Nanosensores para el

monitoreo de las

condiciones de suelo y del

crecimiento de la cosecha

Nanopartculas que

contienen agentes

utilizados para mantener la

viscosidad del producto

Nanofilms utilizados como

barreras para prevenir el

dao del alimento y la

absorcin de oxgeno

Nanopartculas que

distribuyen nutrientes a

las clulas de manera ms

eficiente sin afectar el

color o sabor del alimento.

Nanochips para

identificacin

Nanocpsulas que

contienen infusiones a base

de esteroles vegetales para

remplazar el colesterol de

la carne

Nanosensores

electroqumicos para

detectar el qumico etileno

Nanopartculas con

vitaminas para una mejor

absorcin de las mismas

Nanosensores para la

deteccin de patgenos

animales o vegetales

Nanopartculas que

remueven qumicos o

agentes patgenos en

alimentos

Nanopartculas

antimicrobianas y

fungicidas



Nanopartculas para

transportar ADN a las

plantas (ingeniera gentica)

Nanoemulsiones para una

mejor disponibilidad y

dispersin de nutrientes

Envases ms ligeros,

fuertes y resistentes al

calor con nanopartculas de

silicatos



Fuente: Yez y Jarrn (2009)

Aplicaciones de la Nanotecnologa en la Ingeniera de Alimentos

En un estudio realizado en la industria Suiza se realiz un muestreo con 197 compaas de las

cuales 43 declararon usar o producir nanopartculas, 11 importaron y comercializaron productos

que contenan nanopartculas, especialmente derivadas de Ag, Al, Fe, Si, Ti y Zn; del total, las

industrias de alimentos fueron las que emplearon mayores cantidades de nanopartculas, como lo

aseguran Schmid y Riediker (2008). Por otro lado, Cintas Izarra (2006), asegura que el uso de la

nanotecnologa en la industria alimentaria est en despegue, investigando su impacto en el

fortalecimiento de la calidad y seguridad de los alimentos a travs del uso de biosensores. Entre

los biosensores destacan: nanochips, microarrays, nariz y lengua electrnica, anlisis de

composicin, estimacin de la vida til y frescura, deteccin y neutralizacin de

microorganismos alterantes y patgenos, aditivos, frmacos, toxinas, metales pesados,

plaguicidas, fertilizantes, contaminantes abiticos, deteccin de factores antinutricionales y

alrgenos. Adems, el control de procesos, envases activos y nanoenvases, desarrollo de nuevos

alimentos, gastronoma molecular, alimentos interactivos, funcionales, nutritivos y ms

saludables, mejores caractersticas organolpticas y reolgicas, en fin, mejora en la calidad y

costos de produccin.

Actualmente se estn desarrollando investigaciones de otras aplicaciones como la deteccin

rpida, porttil y simultnea de agentes patgenos en los alimentos como la Salmonella,

Escherichia Coli, y la Listeria monocytogenes. En este sentido, Roach (2006) establece de

acuerdo a los investigadores que han trabajado con ste mtodo de anlisis, en el proceso se

emplean nanocables y anticuerpos de modo que se puedan determinar simultneamente la

presencia y el tipo de contaminacin, as como su concentracin. El mtodo consiste en

asignarle a cada nanocable un patrn reconocible de barras plateadas y doradas, del tipo de un

cdigo de barras minsculos, y se depositan en una cinta. Luego, se colocan bacterias o virus

patgenos especficos en cada nanocable. Para ilustrar esta tcnica se toma como ejemplo lo

siguiente, el nanocable A con el anticuerpo de Salmonella y el nanobable B el de E. coli; Durante

el uso, estas cintas se colocan sobre la carne u otro alimento, y en presencia de Salmonella las

clulas se unirn con el anticuerpo correspondiente al nanocable A. la deteccin se hace posible

mediante la aplicacin de solucin fluorescente que contiene multitud de anticuerpos, luego los

nanocables son expuestos a los anticuerpos fluorescentes y agentes patgenos, esto se conoce

como inmunoensayo. Como cada nanocable es reconocible por sus bandas plateadas y doradas,

un procesador electrnico indicar el instante en que agentes patgenos estn presentes y su

concentracin. A continuacin se muestra una lista de alimentos, materiales de empaque y

productos agrcolas que contienen nanomateriales diseados a travs d la Nanotecnologa y la

Ingeniera de Alimentos.

Tabla 2: Lista de algunos alimentos, materiales y empaques de alimentos y productos agrcolas

que contienen nanomateriales

TIPO DE

PRODUCTO

Nombre producto y

fabricante

Nano-contenido Propsito

Suplemento

Nutricional

Polvo nano-farmacutico

Microhidrin, RBC

Lifesciences

Jaulas

moleculares de 1

a 5nm, hechas de

complejo hdrido-

slice mineral

Microhidrin de tamao nano, tiene potencia

incrementada y biodisponibilidad. Exposicin

a humedad libera iones H y acta como un

poderoso antioxidante

Bebida Nutricional Chocolate Oat, mezcla

para bebida nutricional,

Toddler Health

Partculas de

hierro de 300nm

(SunActive Fe)

Partculas de hierro de tamao nano han

incrementado la reactividad y la

biodisponibilidad

Material en

contacto con

alimentos (equipo

de cocina)

Tabla de corte de nano-

plata, A-Do Global

Nano-partculas

de plata

Partculas de nano-plata han incrementado

propiedades antibacteriales

Material en

contacto con

alimentos (vajilla)

Mug para beb de nano-

plata, Baby Dream

Nano-partculas

de plata



Material en

contacto

con alimentos

(batera de cocina)

Batera de cocina

antibacterial,

Nanocaretech/ NCT

Nano-partculas

de plata



Empaque de

comida

Adhesivo para

contenedores de

hamburguesa

McDonalds,

Ecosynthetix

Nano-esferas de

almidn de 50nm

a 150nm

Estas nano-partculas tienen 400 veces el rea

de superficie de las partculas de almidn.

Cuando son usadas como un adhesivo,

requieren menos agua y por lo tanto- menos

tiempo y energa de secado

Empaque de

comida

Empaque plstico

Durethan KU 2-2601,

Bayer

Nano-partculas

de slice en un

nano-compuesto

basado en

polmero

Nano-partculas de slice en plstico previene

la penetracin de oxgeno y gas al empaque,

extendiendo la vida del producto sobre el

mostrador

Aditivo de comida Preservante Aquasol,

AquaNova

Cpsula a nano-

escala de

substancias

lipoflicas o

insolubles en agua

Ingredientes activos circundantes dentro de

nano-cpsulas solubles, incrementan la

absorcin dentro del cuerpo (incluyendo

clulas individuales)

Tratamiento para

crecimiento de

plantas

PrimoMaxx, Syngenta Emulsin de

partculas de

tamao 100nm

Usando partculas de tamao nano se

incrementa la potencia de ingredientes

activos, reduciendo potencialmente la

cantidad a ser aplicada

Fuente: Miller y Senjen. (2008)

Mtodos

La presente investigacin es de tipo documental, y se efectu a travs de la revisin crtica y

analtica de artculos cientficos para el anlisis del estado del arte del conocimiento acerca del

tema en estudio.

Resultados y discusiones

En este artculo se han presentado de forma general, con una visin terica, los conceptos bsicos

asociados a la nanotecnologa, el desarrollo de nanopartculas, la relacin entre la nanotecnologa

y la ingeniera de alimentos para su aplicacin en la agricultura y produccin de alimentos, con

las implicaciones en la salud y el medioambiente, adems de la situacin actual del panorama

mundial y el caso del potencial de esta tecnologa emergente en el desarrollo de nuevos productos

alimenticios. Se estima que en la actualidad existen en el mercado ms de 600 nanoalimentos y

casi 500 aplicaciones en envases de alimentos.

A pesar de los grandes beneficios en la aplicacin de la nanotecnologa en el diseo y creacin de

nanoalimentos que se ha presentado en este artculo, se considera necesario resaltar los posibles

riesgos de esta tecnologa sobre la salud y el medio ambiente. En este sentido, la produccin, uso

y disposicin de alimentos, empaques alimentarios y productos agrcolas que contienen

nanomateriales manufacturados resultan inevitables su liberacin y deposicin en el medio

ambiente. Los limitados estudios que analizan los efectos ecolgicos de los nanomateriales no

han permitido demostrar el nivel de toxicidad y los posibles daos ambientales, sin embargo,

varios pases han comenzado a proponer regulaciones en su uso. Este es el caso de Estados

Unidos, que a travs de la Agencia de Proteccin medioambiental ha formado un comit

recientemente para establecer las regulaciones necesarias, pero hasta la fecha no se ha avanzado

lo suficiente. Por otro lado, los nanomateriales y nanotecnologa han sido prohibidos en alimentos

orgnicos por la Asociacin de Suelos de Inglaterra. Ms aun, el problema de legislacin se

agrava, debido a que los nanoalimentos, al igual que los alimentos genticamente modificados,

no estn etiquetados, el pblico no est al tanto del consumo de los mismos, motivos por los

cuales se considera necesaria la discusin de los posibles riesgos de esta tecnologa en aras de

garantizar alimentos inocuos a la poblacin.

Conclusiones

La Nanotecnologa ofrece un campo enorme de posibilidades para mejorar y aumentar la

produccin de alimentos. Esta tecnologa emergente debe ser considerada un rea de

conocimiento de suma importancia para la humanidad, debido al potencial en inocuidad

alimentaria y proteccin ambiental. En este sentido, la nanotecnologa est permitiendo

aplicacin en la fotocatlisis, un proceso en el que la luz fomenta una reaccin entre compuestos

como residuos de plaguicidas y el nanomaterial, sin que este se consuma. En inocuidad de

alimentos, la fotocatlisis podra aplicarse en la superficie de las frutas y hortalizas frescas para

eliminar los residuos de agroqumicos txicos y destruir bacterias. Este proceso sera til en la

descontaminacin del agua para consumo humano y usos agrcolas.

Aunado a esto, los nanoalimentos prometen la habilidad de modificar las caractersticas

organolpticas de los alimentos de acuerdo al gusto y necesidades nutricionales del consumidor.

Actualmente, se estn empleando nanoalimentos para aumentar la vida til del producto, alertar

al consumidor si el alimento est contaminado y reparar los envases daados. Adems, el uso de

nanopartculas con antioxidantes encapsulados que resisten el paso por el tracto intestinal y llegan

al torrente sanguneo con mayor concentracin aumentando la capacidad nutricional en beneficio

de la salud.

Finalmente, no slo es necesario evaluar los potenciales riesgos en el uso de la nanotecnologa en

la ingeniera de alimentos como se ha mencionado, sino tambin propiciar la investigacin en

este fascinante campo para contribuir al avance de la tecnologa en el futuro.

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