Aplicaciones de la nanotecnología en la producción de leche

Autor: Humberto de Mello Brand?o1; Fabiano Freire Costa2; Saulo Ribeiro da Silva3 1Investigador Embrapa Ganado de Leche. 2Becario de posdoctorado CNPGL. 3Becario CNPGL

En las últimas décadas, el gran avance ocurrido en la parte de instrumentación de laboratorio posibilitó el conocimiento y la comprensión de fenómenos que ocurren en la nanoescala. En esa condición, en una partícula que tiene su tama?o reducido a dimensiones inferiores a 1000 nm, los fenómenos físicos fácilmente visualizados en la escala métrica -como la gravedad, la fricción, la inercia y otros- tienen diminuida su importancia de acción sobre las partículas y pasan a imperar otras fuerzas físicas, hasta entonces diminutas, como es el caso de la fuerza eletrostática, de van der Waals, de las repulsiónes estéricas, del movimento browniano, y otras.

De este modo, una partícula puede presentar sus características aumentadas, o incluso ofrecer nuevas características, cuando es comparada con su forma convencional. Como ejemplo se puede citar el caso de las nanopartículas de oro, que cuando poseen un diámetro medio inferior a 10 nm presentan coloración bermellón, y que cuando tienen su diámetro en  dimensiones que oscilan entre 10 y 99 nm asumen una coloración violácea en medio acuoso.

Observaciones como esa se?alaron como una gran posibilidad de progreso tecnológico el control de la organización de átomos y moléculas, estimulando así en las últimas décadas firmes inversiones en investigación, que incluyen a la tecnología. Como resultado, se ha observado el desarrollo de productos innovadores en la industria de la electrónica, de química fina, medicina, cosméticos, así como en el sector de la automatización. Los avances en el conocimiento en estos sectores pueden ser fácilmente adaptados a la industria de alimentos y así contribuir al desarrollo y a la mejora de los actuales equipos utilizados para analizar fraudes, contaminantes químicos y biológicos, e incluso para el análisis de alimentos, los cuales pueden ser más rápidos, eficientes y económicos (Sozer y Konini, 2009).

Otra aplicación de la nanotecnología incluye los ingredientes o aditivos nanoestructurados/nanoencapsulados que, dependiendo de su función, pueden ser adicionados directamente al alimento o a su envase con la intención de prevenir la oxidación, el crecimiento bacteriano, enmascarar el sabor o la textura del alimento, intensificar el flavor, promover la liberación sostenida o direccionada de sustancias bioactivas (vitaminas, minerales, enzimas, etc.) y mejorar la estabilidad o inhibir el crecimiento de microorganismos (FAO y OMS, 2009). En el tema de la liberación sostenida o de direccionamiento de principios activos, la nanotecnología puede contribuir al desarrollo de formulaciones farmacéuticas inteligentes, que sean capaces de combatir y prevenir infecciones bacterianas, parasitarias, virales o fúngicas de forma más eficiente, sin dejar residuos en la leche. En ese contexto, serán abordadas las aplicaciones de la nanotecnología que pueden generar grandes beneficios para la cadena productiva de la leche.

La leche como fuente de materia prima para producción de nanoestructuras
Todos los alimentos, naturales o procesados, contienen inherentemente nanopartículas. En especial, la leche es frecuentemente es citada como un “alimento nano”, dado que casi la totalidad de sus componentes presentan alguna arquitectura o estructura en nanoescala. Como ejemplo encontramos las caseínas, que poseen un diámetro que varía entre 50 y 500 nm y el glóbulo de grasa que, en algunas especies llegan a alcanzar dimensiones inferiores a 1000 nm (Groves y Titoria, 2009; Sozer y Kokini, 2009). Por su parte, esos componentes pueden ser desorganizados y reorganizados en estructuras con tama?os y funciones bien definidas. Tal condición hace de la leche una excelente fuente de materia prima para la confección de nanoestructuras, tanto para uso en la industria de alimentos como para la farmacéutica y de cosméticos, cuyos nuevos productos nanoestructurados no deben sufrir rechazo por parte de los consumidores, ya que la leche es utilizada rutinariamente como fuente de alimento en todo el mundo.

El uso de suero de leche como matriz polimérica para confección de nanopartículas y su posterior uso en sistemas de liberación sostenida fue propuesto por Giroux y col. (2010). En ese experimento, los autores describen la producción de nanopartículas con un diámetro que varía entre 100 y 300nm, que son reticuladas covalentemente entre dos agrupamientos de cisteínas por la reducción del pH.

Por su parte, Graveland-Bikker y Kruif (2006) describen la producción de nanotubos a partir de la α-lactoalbúmina parcialmente hidrolizada por proteasas de Bacillus licheniformis, que bajo concentración adecuada de algunos cationes di y trivalentes tienen sus monómeros autoorganizados en forma de nanotubos con diámetro cavitario medio de 8 nm. Estos autores propusieron el uso de esas nanoestructuras como espesantes en la industria de alimentos, como encapsulantes de fármacos y de bioactivos, como soporte para crecimiento celular en ingeniería de tejidos y como fibra.

La β-lactoglobulina reticulada iónicamente con la pectina fue utilizada por Zimet y Liviney (2009) para producción de nanocomplejos capaces de encapsular ácidos grasos poliinsaturados de la serie omega-3, con gran estabilidad coloidal y transparencia. La forma nanocomplejada también presentó un aumento de estabilidad del lípido cuando fue expuesto a oxidación. Esos hallazgos permitieron que los autores propusieran su uso para enriquecimiento nutracéutico de bebidas.

Las nanoesferas producidas a partir del copolímero caseína-codextrina fueron utilizadas por Pan y colaboradores (2007) para encapsular el β-caroteno, las cuales presentaron una liberación sostenida en condiciones de simulación del proceso digestivo y un aumento de su estabilidad ante el ensayo de oxidación por FeCl3. La β-caseína fue utilizada para encapsular Mitoxatrone,  un quimioterápico hidrofóbico utilizado en tratamiento de neoplasias. En la condición encapsulada, el Mitoxatrone puede ser vehiculizado en formulaciones acuosas y tiene su efecto tóxico posiblemente reducido (Shapira et al., 2010).

El recubrimiento de nanopartículas de poliácido láctico peguiladas con lactoferrina de calostro bovino fue utilizado para efectuar el direccionamiento activo de esas partículas para el cerebro, en vista de que al ligarse con los receptores para lactoferrina presentes en la barrera hematoencefálica fueron activamente transportadas y se acumularon en el sistema nervioso central (HU et al., 2009).
Otros tipos de nanoestructuras, los liposomas, son ampliamente utilizados en nanotecnología para liberación sostenida de principios activos. Estos están compuestos principalmente por fosfolípidos, que se autoorganizan formando una bicapa uni o multilaminar con un núcleo acuoso central. Según Livney (2009), el comportamiento anfifílico de los fosfolípidos y de las proteínas de membrana de los glóbulos de grasa presentes en la leche les confiere gran aptitud para la producción de liposomas.

Thompson y col. (2006) compararon liposomas producidos a partir de fosfolípidos de membrana de glóbulos de grasa de leche con los producidos a partir de fosfolípidos de soja. Los de origen animal presentaron un módulo de carga eléctrica superficial (potencial Zeta) menor que los derivados de soja, se?alando por tanto, menor estabilidad durante períodos de almacenamiento. Sin embargo, cuando se evaluó la permeabilidad al agua, los oriundos del glóbulo de grasa láctea fueron más impermeables, lo que les puede conferir un período de liberación sostenida mayor cuando son utilizados para encapsular compuestos hidrofílicos. De este modo, el uso de componentes de leche para producción de nanoestructuras de interés comercial puede ser una opción más para agregar valor al producto leche.

Nanoestructuras para liberación sostenida o direccionada
Además de las ya mencionadas nanoestructuras, las nanopartículas poliméricas producidas con plásticos biodegradables, las magnéticas, las lipídicas sólidas, las metálicas, los fulerenos y los nanotubos de carbono también presentan gran potencial de aplicación para la liberación sostenida y para el direccionamiento de fármacos y de bioactivos.

Cuando los sistemas nanoestructurados son capaces de efectuar el  direccionamiento de principios activos, el efecto sobre la calidad de la leche puede ser inmediato, ya que puede ocurrir una reducción en la cantidad de fármaco empleada en el tratamiento de un animal, o el fármaco puede presentar su biodistribución modificada. Al mudar la biodistribución o reducir la concentración de un fármaco, éste puede no conseguir vencer la permeabilidad selectiva de la barrera hematoglandular (Ziv y Sulman, 1975). Como consecuencia, su excreción en la leche puede ser reducida o inhibida, resultando en menor concentración de residuos y descarte de leche. Por lo tanto, el uso de “dispositivos inteligentes” es una tendencia mundial en la medicina humana y animal, no sólo para la reducción de los residuos sino también para la reducción del estrés y de la necesidad de manejo animal.

Una forma elegante de direccionamiento activo de un antibiótico fue la realizada con la gentamicina hacia el interior de fagocitos, en la cual nanopartículas de poliácido láctico-coglicólico mejoraron la eficiencia del antibiótico en el control de Brucella spp (Locaroz et al., 2007). Otras nanopartículas con acción semejante son las de nanosílica, que también fueron ligadas a Gentamicina para tratar ratones infectados con Salmonella enterica (Sleen et al., 2009). En ambos casos el antibiótico nanoestructurado fue más efectivo que el convencional.

Otro ejemplo de direccionamiento son los liposomas peguilados, que fueron utilizados por Schroeder y col. (2008) con la intención de direccionar el antiinflamatorio esteroide Succinato de Metilpredinesolona para regiones del cuerpo de ratones que presentaban procesos inflamatorios. Veinticuatro horas después de la administración del sistema nanoestructurado, la concentración del fármaco en el punto del proceso inflamatorio fue el doble de la encontrada en la región control. Tal resultado sugiere una potencial reducción de la dosis administrada cuando se hace uso de antiinflamatorio nanoestructurado.

La contaminación por microorganismos de la leche o de productos lácteos también puede ser reducida por la liberación sostenida de antimicrobianos. La nisina, un péptido con acción antimicrobiana considerado seguro para uso en alimentos por la FAO y por la OMS, fue nanoencapsulado en liposomas y utilizado para controlar el crecimiento de Listeria monocytogenes en leche por Malheiros y col. (2010).

Nanotecnología y monitoreo de la calidad de la leche
Asegurar la calidad y la inocuidad de la leche es fundamental para la seguridad del consumidor y del comercio internacional de lácteos. Para ese fin la nanotecnología puede contribuir mejorando las actuales técnicas de referencia o colaborando con el desarrollo de nuevos sensores para equipamientos. Las propiedades ópticas o electrónicas derivadas de partículas en nanoescala cuando son incorporadas a los ensayos de laboratorio pueden aumentar su sensibilidad. Yuan y col. (2008) acoplaron nanopartículas de oro de 40 nm a anticuerpos contra Cloranfenicol, para su detección por ensayo de resonancia plasmónica de superficie. Las nanopartículas permitieron la amplificación de la se?al y con eso alcanzaron el límite de detección de 0,74 fg/mL.

Europidium (III) fue ligado a nanopartículas de látex y anticuerpos contra Listeria monocytogenes. Estas nanoestructuras fueron utilizadas en ensayos de TR-FIA para la detección del patógeno en muestras de queso, leche, pescado y otros alimentos, mostrándose quinientas veces más sensible que el ensayo automatizado comercial por EL-FIA (Jaakohuhta et al., 2007). Por su lado, Yang y col. (2007) utilizaron nanopartículas magnéticas de ferrita revestidas con anticuerpo anti-L. monocytogenes para concentrar las bacterias y así facilitar su detección por PCR en muestras de leche. Otros dispositivos que pueden ser empleados para detección de contaminantes de leche son los nanobiosensores, una clase de sensores nanométricos o nanoestructurados compuestos por componentes biológicos de elevada especificidad y un transdutor que convierte las se?ales biológicas en se?ales ópticas, eléctricas o térmicas.

Razzino (2007) produjo un electrodo de carbono vítreo, al cual le fueron incorporados nanotubos de carbono y que posteriormente fue recubierto con acetilcolinesterasa. Las colinesterasas, en general, son inhibidas por órganofosforados y carbamatos, dos grupos químicos ampliamente utilizados en la producción agropecuaria para control de artrópodos. Cuando uno de estos compuestos está presente en el analito, se reduce la degradación de un substrato (un éster de tiocolina) previamente adicionado, alterando así la corriente eléctrica generada en la reacción. En ese trabajo, la autora consiguió detectar concentraciones de hasta 8,96 nmol L-1 de carbaril en muestras de tomate.

Haciendo uso de un sistema óptico basado en el tipo “wavelength-interroated”, que utiliza el principio de onda evanescente para medir cambios en el índice de refracción de un haz luminoso, Adrian y col. (2009) biofuncionalizaron un microship con biorreagentes específicos (anticuerpo, oligonucleótidos y otros) para antibióticos de los grupos de los β-lactámicos, de las sulfonamidas, fluoroquinolonas y tetraciclinas, produciendo de este modo un nanobiosensor múltiple. Con este sistema fue posible identificar en la leche la presencia de treinta y cinco bases farmacológicas diferentes, pertenecientes a las clases citadas, en concentraciones de μg.L-1.

Otro grupo de sensores nanoestructurados que pueden ser utilizados para evaluación de leche son los de selectividad global, comúnmente denominados “de lengua y nariz electrónica”. En estos, camadas nanométricas de polímeros (como el poliacetileno, las polianilinas, los polipirros y otros) pueden ser depositadas sobre electrodos por técnicas de automontaje, las cuales pueden ser sometidas a diferentes dopantes (reductores). Cuando es expuesto a los diferentes líquidos o volátiles, cada sensor se comporta de una forma, por lo que al ser evaluados en conjunto, generan un “espectro” específico de cada analito.

Utilizando sensores de tipo lengua electrónica, De Paula Junior (2009) consiguió separar leche larga vida (UHT) en función de la marca y de la concentración de grasa (por ej.: 0.1; 1 o 3% de grasa). Tal resultado permite vislumbrar su aplicación para la rastreabilidad. Además, nuestro grupo ya viene efectuando ensayos para detectar adulteración de leche con suero proveniente de la producción de queso (datos no publicados).

También Dias y col. (2009) consiguieron separar leche de cabra intencionalmente adulterada con leche de vaca en proporción de 50%. A su vez, sistemas basados en lengua electrónica fueron utilizados con éxito para separar la leche proveniente de animales con mastitis clínica de la leche de animales saludables (Mottram, et al. 2007). Finalmente, esos autores plantearon la posibilidad de uso de ese sistema para monitoreo on-line de rebamos lecheros.

Conclusión
La expansión de la nanotecnología en los más diversos segmentos del mercado puede ser la oportunidad para la inserción de derivados de leche en forma nanoparticulada, ya que otras nanopartículas tienen aún su seguridad de uso cuestionada. Además, en una fase inicial de desarrollo, los productos comerciales que poseen nanotecnología aún son raros, sin embargo su incorporación a los diferentes segmentos de la cadena productiva de la leche parecer ser una cuestión de tiempo. De este modo, el conocimiento de sus potencialidades o limitaciones es fundamental para tomar la decisión de su adopción o no.

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