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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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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.

Referencias

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