1.1 Microencapsulación por secado por aspersión

La microencapsulación por secado por aspersión ha sido objeto de estudio durante varias décadas y se ha encontrado en constante innovación, convirtiéndose en una de las tendencias más importantes para la industria de alimentos ^[22], cosmética ^[23], farmacéutica ^[24], textil ^[25], entre otras ^[26]. El secado por aspersión es una de las técnicas más antiguas de encapsulación, con un inicio que se remonta a los años 30, donde las primeras aplicaciones se enfocaron en la microencapsulación de sabores, utilizando goma acacia como material de pared o encapsulante ^[27].

El principio de acción del secado por aspersión utilizado para la microencapsulación consiste en: i) la alimentación a la cámara o torre de secado de una matriz, conformada por el compuesto de interés a encapsular y un material protector o encapsulante, el cual se homogeniza hasta formar una dispersión ^[28] o emulsión ^[29], dependiendo de la naturaleza del compuesto y su afinidad química con el encapsulante. Esta alimentación se realiza de manera continua y a presión mediante un sistema de boquilla o disco rotatorio ^[30]. ii) Al introducirse la matriz a la torre de secado, esta se pone en contacto con una corriente de aire caliente que puede estar en contraflujo o co-corriente y se da inicio a la eliminación rápida de la humedad de la matriz, convirtiéndose en pequeñas partículas de forma esférica, no porosas, recubiertas por una fina capa o película del encapsulante, que en su interior tienen una fase interna definida, iii) las microcápsulas formadas al salir de la cámara de secado, atraviesan un ciclón y se depositan en el colector donde pueden ser recogidas ^[22], ^[31].

La técnica de microencapsulación por secado por aspersión se caracteriza por sus bajos costos comparados con otros métodos de secado empleados ^[32], de allí que existan una amplia diversidad de aplicaciones, entre las que se encuentran la encapsulación de esencias ^[33], bebidas en polvo ^[34], sabores ^[35], probióticos ^[36], colorantes ^[37], entre otras. Como se puede observar, debido a su amplia diversidad de aplicaciones, la microencapsulación actuará como un mecanismo de protección, de acuerdo a la composición química, polaridad, solubilidad, propiedades físicas y funcionales de cada matriz, mejorando aspectos como: i) la vida útil del analito al evitar la oxidación, como en el caso de los aceites esenciales o vitaminas liposolubles; ii) prolongando la estabilidad y actividad funcional de compuestos termolábiles o altamente reactivos, como los antioxidantes; iii) facilitando la incorporación de compuestos insolubles, debido a la interacción que se facilita entre el material encapsulante y el medio o solvente en el cual se va a dispersar; iv) conservando los perfiles de aroma y sabor por un tiempo más prolongado; y por último, v) la biodisponibilidad de nutrientes al facilitar la liberación controlada en los sitios requeridos de interacción, entre otros beneficios ^[38], ^[39].

Al reunir las características antes descritas, asociadas al bajo costo y amplias aplicaciones en el marco de una tecnología con un principio de funcionamiento de fácil acceso para su uso y mantenimiento se convierte en una opción de gran pertinencia con un potencial importante para la transferencia tecnológica a nivel piloto e industrial, que impacta varias industrias, oportunidad que es aprovechada actualmente por países en desarrollo, en especial para aquellos con una importante riqueza en biodiversidad, ya que la microencapsulación por secado por aspersión se convierte en una opción para dar valor agregado, en especial a diversas matrices de origen vegetal con propiedades funcionales, pero que por su variedad en composición y usos, como se mencionó antes, ha sido objeto de varios estudios específicos ^[40].

Por lo anterior, el objetivo de este trabajo es analizar, a partir de estudios previamente reportados, los parámetros de operación empleados en la implementación de los métodos para la microencapsulación de compuestos bioactivos presentes en diversas matrices, con el fin de identificar las condiciones efectivas para futuras aplicaciones.

3.1 Microencapsulación

Existe una variedad de métodos tanto físicos como químicos empleados para la protección de las propiedades físicas y químicas de la industria farmacéuticas, cosméticas y de alimentos, entre las cuales está la microencapsulación, que es una de las más empleadas a escala industrial ^[42], ^[43]. Debido a las matrices microencapsuladas, como vitaminas, minerales, colorantes, prebióticos, probióticos, saborizantes, antioxidantes, aceites esenciales, aromas, enzimas, drogas, e incluso fertilizantes que anteriormente se consideraban técnicamente inviables en algunos procesos productivos debido a su baja solubilidad o con una vida útil corta por su inestabilidad al estar expuestos a factores ambientales, cambios de pH, temperatura, entre otras, ahora son posibles con la microencapsulación ^[44]. Dichos ingredientes están totalmente rodeados en un material de recubrimiento, lo que les confiere propiedades útiles de estabilidad o contrarresta las características que conllevan a la inestabilidad del ingrediente original ^[45]. De esta forma se obtienen microcápsulas que consisten en una membrana semipermeable, fuerte y delgada de un material polimérico, el cual rodea y a su vez contiene a la sustancia de interés, denominada centro o núcleo activo. Estas microcápsulas pueden liberar su contenido a velocidades controladas bajo condiciones específicas, a la vez que protege al compuesto encapsulado de la luz y el oxígeno, cumpliendo de esta manera su función de conservación de propiedades biológicas o fisicoquímicas.

La mayoría de las microcápsulas son esferas pequeñas con diámetros comprendido en un rango entre 0.2 µm - 5000 µm. El producto resultante de este proceso tecnológico recibe la denominación de “microcápsulas”, “microesferas” ^[46], sistemas que se diferencian en morfología y estructura interna y tamaño que dependerá en gran medida del tipo de atomización y podrá variar entre 1 µm y - 600 μm cuando se emplea ruedas giratorias de 10 - 800 μm al usar boquillas a presión de un fluido y, por último, entre 5 µm - 300 μm para boquillas a presión de dos fluidos ^[47]. Cuando las partículas poseen un tamaño inferior a 1 µm, el producto resultante del proceso de microencapsulación recibe la denominación de “nanoesferas” “nano partículas” o “nanocápsulas” ^[35], ^[48], ^[49].

En su forma más sencilla, una microcápsula es una microesfera con pared uniforme a su alrededor, la cual se compone, por un lado, de un núcleo, relleno o fase interna que es el material que va por dentro de la microcápsula; por otro lado, está la cubierta, revestimiento, material de pared o membrana, la cual es la encargada de recubrir al material que esta por dentro de la microcápsula.

La microcápsula puede tomar diferentes formas dependiendo de varios factores como los materiales empleados, el manejo de las variables de secado, entre otras. Como se muestra en la Figura 1, existen diferentes tipos de partículas formadas a partir de la microencapsulación que pueden ser: esfera simple la cual se caracteriza por tener un recubrimiento de espesor uniforme partícula que contiene un núcleo de forma irregular; varias partículas del núcleo incrustadas en una matriz continua de material de pared; varios núcleos distintos dentro de la misma cápsula; y microcápsulas de paredes múltiples ^[50], ^[51] reportaron la encapsulación del extracto de hoja de olivo (OLE, por sus siglas en inglés) y un placebo en quitosano como material encapsulante, donde estudió la interacción de los polifenólicos presentes en OLE dentro de la matriz de polisacáridos.

Fuente: ^[50]

Figura 1 Tipos de partículas microencapsuladas 

Mediante la técnica de caracterización microscopia electrónica de barrido (MEB), se observó que las microesferas cargadas con OLE (27 %) en quitosano, revelaron una superficie perfectamente lisa, lo cual indica que existen interacciones de compuestos polifenólicos en OLE con la matriz de quitosano, con respecto a las microesferas en placebo, las cuales se mostraron con rugosidad en la superficie; además, se pudo observar espacios vacíos entre las rugosidades. Otros tipos de partículas se encontraron al microencapsular el ácido hidroxicítrico presente en el extracto de fruta de garcinia, dentro de tres matrices diferentes, que consistieron en un aislado de proteína de suero (WPI, por sus siglas en inglés), la maltodextrina (MD) y una mezcla de ambos encapsulantes (WPI + MD). Las primeras microcápsulas de WPI tenían un aspecto esférico con piel lisa y mostraron relativamente menos abolladuras y encogimiento, mientras que las cápsulas de MD y (WPI + MD) presentaban una mayor contracción y abolladuras, esto debido a la alta tasa de secado y a la rápida solidificación de la pared de la MD ^[52].

3.2 Materiales encapsulantes

Es de gran importancia la elección de un material de pared para la microencapsulación debido a que puede tener una incidencia en la eficiencia de la encapsulación y la conservación de propiedades, dándole estabilidad de las microcápsulas obtenidas.

El sistema de encapsulamiento se emplea con la finalidad de darle protección a los compuestos a encapsular de factores que pueden causar su deterioro, evitar una interacción prematura entre el material del núcleo y otros ingredientes, limitar las pérdidas volátiles y facilitar una liberación controlada o sostenida de manera dirigida de acuerdo a la aplicación que se desea realizar ^[27].

Un material encapsulante se define como un componente que forma un recubrimiento de capa delgada sobre una superficie. Esta capa puede ser de naturaleza orgánica, inorgánica o una combinación de ambas. Las cubiertas orgánicas, frecuentemente, presentan pigmentos, extensores y otros aditivos como catalizadores, absorbente, modificadores y antioxidantes ^[53]. El primer material encapsulante empleado fue la gelatina ^[54], pero actualmente existe una gran variedad de compuestos que responden a las diferentes matrices o compuestos que se buscan proteger por medio de la microencapsulación. En la Tabla 1 se describen características relevantes asociadas al tipo del material encapsulante como son: la cobertura específica y algunas características de interés. Estos materiales deben de tener características ideales para ser destinados como recubrimiento en un proceso de microencapsulación en alimentos, como ha sido descrito por varios autores^[21], ^[55]:

Tabla 1 Características de materiales de recubrimiento usados en la microencapsulación de alimenticios 

Fuente: ^[56].

La eficiencia de la microencapsulación y estabilidad de las microcápsulas durante el almacenamiento depende en la composición del material de pared. Sin embargo, varios de estos encapsulantes tienen propiedades interfaciales deficientes, por lo cual deben ser modificados químicamente o realizar una mezcla de ellos para así modificar y mejorar su actividad superficial. En adición, el conocimiento de las propiedades físicas y químicas facilitan una mayor interacción matriz: encapsulante, como las proteínas y lípidos que son moléculas anfipáticas que ofrece las propiedades emulsionantes, fisicoquímicas y funcionales necesarias para encapsular materiales básicos hidrofóbicos ^[57].

La goma arábiga es un polisacárido conformado por la polimerización de varios monómeros (L-arabinosa, ácido D-glucurónico y D-galactosa) ^[58], el cual, durante la digestión, se degrada parcialmente en el intestino grueso y es ampliamente utilizada como encapsulante, ya que presenta unas propiedades de formación de película para sabores, colores y vitaminas, además que posee buenas cualidades emulsionantes, alta solubilidad, baja viscosidad y alta eficiencia a la hora de encapsular, esto tiene relación con la estructura de la goma arábiga, ya que es un heteropolímero de azúcar altamente ramificado, que tiene una pequeña cantidad de proteína unida covalentemente a la cadena de carbohidratos, el cual actúa como un excelente agente de formación de película, facilitando la encapsulación efectiva de moléculas ^[59]. Sin embargo, este encapsulante es costoso y presenta problemas de suministro debido a que su producción es susceptible a las turbulencias climáticas y políticas ^[60]. Es por esto que varios investigadores e industrias han considerado la sustitución total o parcial de la goma arábiga por otros materiales de la pared.

Por otra parte, los carbohidratos como los almidones, los sólidos de jarabe de maíz, las maltodextrinas, las gomas como la arábiga y las proteínas como la de suero y soja se han usado generalmente como agentes encapsulantes en la industria de alimentos ^[61]-^[63].

Estos materiales se consideran buenos agentes debido a que cumplen con las características previamente descritas, lo que promueve la productividad en el proceso de secado eliminando la etapa de hidratación previa en el proceso, y esto se ve reflejado en una alta efectividad del secado ^[64].

La maltodextrina es obtenida por hidrólisis enzimática o ácida del almidón y generalmente muestra una alta solubilidad en agua, sabor neutro, bajo costo, baja viscosidad a altas concentraciones y capacidad de proteger el material encapsulado de la oxidación ^[64], ^[65]. Su baja capacidad emulsionante puede superarse mediante el uso de almidones modificados o gomas. El almidón octenil succinato sódico es un almidón modificado químicamente que contiene un componente lipofílico que mejora su carácter anfifílico y, por lo tanto, su capacidad emulsionante ^[66]. Las maltodextrinas se han usado ampliamente para la microencapsulación de alimentos debido a su bajo costo, alta solubilidad y baja viscosidad a altas concentraciones. Sin embargo, la mayor desventaja de este agente de encapsulación es su falta de propiedades emulsionantes debido a su afinidad limitada por los componentes hidrófobos ^[67]. Por lo tanto, el uso de goma arábiga combinada con maltodextrina puede ofrecer un buen compromiso entre costo y efectividad, como se evidencia a continuación.

En el estudio realizado por ^[68] propusieron una mezcla de encapsulantes, como la maltodextrina y goma arábiga en proporciones 8:2 y 6:4; cada combinación se llevó a cabo con dos equivalentes de dextrosa (4-7 y 17-20) y cada equivalente de maltodextrina también se utilizó como material encapsulante de manera individual, con el objetivo de evaluar el desempeño de estos encapsulantes sobre la estabilidad de almacenamiento en un extracto de orujo de uva microencapsulado. Esta investigación dio como resultado que la combinación de maltodextrina y goma arábiga proporciona una estabilidad sustancialmente mejorada de los polifenoles en comparación con las microcápsulas obtenidas solo con maltodextrina, siendo la mejor combinación maltodextrina MD con equivalente dextrosa 4-7 y goma arábiga ya que mostró una mejor protección que la mezcla maltodextrina MD con equivalente dextrosa 17-20 y goma arábiga.

En ^[69] se reportan los resultados obtenidos de la microencapsulación de aceite de semilla de uva. Estos autores sugieren la adición de maltodextrina a la goma arábiga (GA) en el material de la pared en una proporción de 50:50 como una alternativa debido al aumento de los precios de la goma arábiga y su oscilación en el suministro. Ambos investigadores reportan que la encapsulación de uva con la combinación GA/MD dio como resultado una mayor actividad antioxidante de acuerdo con los métodos FRAP (poder antioxidante reductor del hierro, por sus siglas en inglés) y DPPH (depleción del óxido 2,2-difenil-1-picrilhidrazil), y un valor de peróxido más bajo que las microesferas solo con GA.

Otro material de pared es el aislado de proteína de suero (WPI, por sus siglas en inglés), el cual ayuda a la estabilidad estructural de los polvos debido a su estructura globular y su característica catiónica de pH ácido, lo que facilita la unión entre polisacáridos con características aniónicas, como la goma arábiga y pectina, que da como resultado un material de pared con enlaces complejos de proteína-polisacárido que favorece la microencapsulación ^[70]. Asimismo, WPI contiene fracciones peptídicas que pueden actuar como antioxidantes de especies reactivas de oxígeno, eliminadores de radicales libres, inhibidores de la peroxidación lipídica, quelantes de iones metálicos o una combinación de estos mecanismos, además de ser una fuente de aminoácidos ^[71], ^[72].

Un ejemplo de la aplicación de WPI fue reportada por ^[73] quienes investigaron sobre la microencapsulación y liberación controlada de compuestos bioactivos del orujo de uva. En este estudio utilizaron como material de pared mezclas de aislado de proteína de suero (WPI), goma arábiga (GA) y pectina. Las técnicas de microencapsulación que se utilizaron en esta investigación fueron por secado por atomización y liofilización, donde las mezclas que contenían WPI y GA en diferentes proporciones presentaban la mayor retención de compuestos fenólicos, antocianinas monoméricas totales, actividad antioxidante por ABTS (2.2-Azino-bis-3-etilbenzotiazolin-6-sulfonato) y DDPH, mientras que las pruebas de estabilidad de almacenamiento que realizaron indicaron que los polvos que contenían WPI, GA y pectina eran más estables. Los ensayos simulados de digestión gastrointestinal demostraron que los polvos que contenían WPI y GA como materiales de pared tenían mayores liberaciones de antocianinas en la fase intestinal.

El almidón modificado es empleado en aplicaciones alimentarias por sus propiedades de biodegradabilidad, disponibilidad y bajo costo. Este material es aplicado ampliamente para la microencapsulación de sabores que requieren de una liberación controlada ^[74], ^[75]. Su composición está conformada por enlaces de cadena de amilosa y amilopectina que conllevan a una distribución helicoidal en la que cada vuelta de hélice consta de seis moléculas de glucosa^[76], lo cual le permite mejorar su capacidad de interacciones químicas, en especial para el encapsulamiento; además puede ser considerado como sostenible al tener un bajo costo, abundancia y proceder de fuentes renovables, lo cual le permite estar disponible en diversas formas, dependiendo de la fuente de la materia prima ^[77]. Sin embargo, los almidones modificado, en especial el arrurruz (Arrowroot starch), no pueden procesarse fácilmente con calor, lo cual limita sus aplicaciones industriales ^[78]; es por esto que muchos investigadores lo han mezclado con otros polímeros para así mejorar sus propiedades y crear un biomaterial con aplicaciones más funcionales ^[79]. La mezcla del almidón con la goma arábiga tiene un gran potencial para la encapsulación, ya que la goma arábiga tiene muchas propiedades deseables como aumentar la temperatura de transición vítrea, aporta alta solubilidad, baja viscosidad y buenas propiedades emulsionantes para alimentar dispersiones ^[80].

En el estudio realizado por ^[81] se evaluó la absorción de agua y la temperatura de transición vítrea del jugo de asaí por secado por aspersión, donde usaron diferentes agentes portadores como la maltodextrina 10 DE y 20 DE, almidón de tapioca y goma arábiga, donde encontraron que los polvos obtenidos con maltodextrina 20 DE y goma arábiga mostraron la mayor adsorción de agua, seguidos por los producidos con maltodextrina 10 DE y con almidón de tapioca, respectivamente. Con respecto a la temperatura de transición vítrea (Tg), determinada por un análisis termogravimétrico, las microcápsulas obtenidas con maltodextrina 10 DE mostraron mayor temperatura de Tg en comparación con maltodextrina 20 DE debido a la disminución del peso molecular que influye directamente en la disminución del Tg. No obstante, aunque se esperaba un valor más alto de Tg para el almidón de tapioca al tener un peso molecular mayor que el de las maltodextrinas, se obtuvieron valores similares de Tg a causa de la baja solubilidad del almidón a temperatura ambiente, lo cual pudo producir una precipitación en la torre de secado, mientras que con la goma arábiga el comportamiento esperado, es decir, al tener un mayor peso molecular y ser soluble el jugo de asaí en este, sí se observó una Tg más alta en comparación con el polvo producido con las maltodextrinas ^[81].

En ^[82] evaluaron la liberación mediante ensayos in vitro de la microencapsulación de vitamina A mediante secado por pulverización, utilizando mezclas binarias y ternarias de goma arábiga, almidón y maltodextrina. Entre los principales hallazgos se reporta que el almidón fue el material de pared que condujo a una liberación más rápida, seguido de la goma arábiga y, finalmente, la maltodextrina, que llevó a una liberación más controlada. Con esto, al mezclar los encapsulantes, el tiempo de liberación estuvo influenciado por la acción individual de cada agente encapsulante; es decir, la presencia de almidón condujo a un tiempo más reducido y la maltodextrina contribuyó a una desaceleración de la liberación de vitamina A. La eficiencia de encapsulación osciló entre 88 % y 98 %, con el valor máximo correspondiente a la mezcla ternaria.

Por lo descrito anteriormente, se evidencia la importancia del rol de los agentes encapsulantes en la acción protectora dentro de la microcápsula y cómo trae consigo otros beneficios intrínsecos, en especial en la estabilidad del producto obtenido y la liberación controlada en cuento la velocidad o direccionamiento del sitio específico donde se espera que se libere en compuesto bioactivo.

3.4 Preparación óptima de la emulsión para el método de secado por aspersión

La microencapsulación realizada por medio de secado por aspersión inicia con la preparación de la emulsión, la cual consiste en una suspensión tipo coloide, donde un líquido en menor proporción, conocido como fase dispersa se encuentra suspendido en otro líquido inmiscible en él, considerado fase continua o dispersante que se caracteriza por estar en mayor proporción. Ambas fases, después de ser sometidos a una homogenización, forman gotas entre 0.1 µm a 100 µm por parte de uno de los componentes de la emulsión ^[89], ^[90].

Existen diferentes tipos de emulsiones que dependen de cómo actúa cada componente, ya sea como fase dispersa o continua. El primer tipo de emulsión es conocido como (O/W), el cual radica en una emulsión de aceite en agua que consiste en que la fase continua es el agua. El segundo tipo (W/O) consiste en gotas de agua dispersas en una fase de aceite ^[91]. Finalmente, existen las emulsiones múltiples de aceite en agua en aceite (O/W/O) y agua en aceite en agua (W/O/W) ^[92]. La optimización de las emulsiones es necesarias para sumar a la efectividad de la microencapsulación en cuanto tamaño final y tipo de las cápsulas que tendrán aplicaciones de diversos sectores, como son: alimentario, cosmético, farmacia, química agrícola, industria de la pintura y polímeros, entre otros ^[93].

En ^[94] publicaron el estudio relacionado con la microencapsulación de polifenoles presentes en las hojas del romero (Rosmarinus officinalis L.) y se muestra como uno de los principales objetivos evaluar la influencia del uso de emulsiones dobles estables (W1/O/W2) durante el secado por aspersión. Como matrices utilizaron polirricinoleato de poliglicerol (PGPR) como emulsionante lipofílico aislados de proteína de suero (WPI) (2 % y 4 %) como emulsionante hidrofílico y maltodextrinas (MD_DE:10 y MD_DE:21) como portadores de recubrimiento potenciadores, donde evaluaron muestras iniciales de emulsiones dobles y muestras rehidratadas. Los resultados obtenidos muestran un efecto insignificante (p> 0.05) del tipo de maltodextrina usada y el contenido de proteína sobre el tamaño medio de partícula de las emulsiones dobles que contienen polifenoles de romero. Sin embargo, las emulsiones dobles de extracto fenólico de romero/aceite/agua rehidratado (RPE /O/W DE), preparado con 10 % de MD y 4 % de WPI, tuvo el tamaño medio de partícula más pequeño (0.54 µm). Las microcápsulas rehidratadas tenían parámetros de tamaño de partícula de gota más grandes que sus doble emulsiones iniciales de RPE/O/W, esto debido a la masa molecular, la cadena más larga y la menor solubilidad. Las microcápsulas rehidratadas con MD_DE:10 tenían un tamaño medio de partícula significativamente mayor (hasta 8-9 veces mayor) en comparación con los DE iniciales de RPE/O/W ^[94].

3.5 Parámetros de operación

Para obtener una alta eficiencia de microencapsulación, se deben optimizar parámetros de secado por pulverización, como la temperatura de alimentación, la temperatura de entrada de aire y la temperatura de salida de aire, así como la velocidad de alimentación ^[95].

De acuerdo a los anterior, específicamente la temperatura de alimentación influye en la modificación de las propiedades de la emulsión, como la viscosidad, fluidez y, por lo tanto, su capacidad de pulverización homogénea, afectando la eficiencia ^[96]. Cabe destacar que cuando se incrementa la temperatura de alimentación, la viscosidad y el tamaño de las gotas disminuyen, pero a altas temperaturas algunos ingredientes que son sensibles al calor se pueden degradar. Por otra parte, la velocidad de alimentación que se suministra al atomizador se ajusta de acuerdo con la necesidad del nivel de secado deseado antes de llegar a la superficie de la cámara de secado. Es importante tener en cuenta el caudal y la temperatura de entrada del aire, debido a que si esta temperatura es alta puede provocar una evaporación y producir grietas en la membrana, lo que conlleva a una liberación prematura y degradación del ingrediente encapsulado ^[97], ^[98]. De hecho, la temperatura de entrada del aire es directamente proporcional a la velocidad de secado de la microcápsula y al contenido final de agua. Cuando la temperatura de entrada del aire es baja, ocurre una disminución en la evaporación, lo que provoca la formación de microcápsulas de alta densidad, alto contenido de agua, poca fluidez y facilidad de aglomeración ^[43].

En la investigación publicada por ^[99], microencapsulan la uva (Vitis vinifera) mediante secado por aspersión, usando como material encapsulante la maltodextrina y goma arábiga. En este estudio evaluaron parámetros de rendimiento, higroscopicidad, contenido fenólico total y superficial, actividad antioxidante a cuatro temperaturas de entrada diferentes (120 ºC, 140 ºC, 160 ºC y 180 °C), compuestos fenólicos individuales y morfología de partículas, donde como resultado obtienen que las microcápsulas con más eficiencia se presentan a una temperatura de entrada de 140 °C, ya que a 120 °C no presentaba una mayor cantidad de compuestos fenólicos en comparación con la temperatura de 140 °C y a unas temperaturas mayores comenzaron a degradar los compuestos fenólicos presentes en la uva ^[99].

En el estudio realizado por ^[100] se muestran los efectos de cinco diferentes temperaturas de entrada (140 ºC, 160 ºC, 180 ºC, 200 ºC y 220 ºC) en el proceso de secado por aspersión de la sapodilla (Manilkara zapota), con base en la concentración de maltodextrina con equivalente dextrosa 10-12 en el perfil de color y el contenido total de fenoles (CTF) del polvo. Los perfiles de color y el CTF del polvo de sapodilla producido se midieron utilizando un colorímetro de Laboratorio Hunter (L*, a* y b*) y el método Folin-Ciocalteu, respectivamente. Como resultado, los autores obtuvieron que la luminosidad (L*) de los polvos producidos con diferentes temperaturas de entrada (140 °C - 220 °C) estuvo en el rango de 92.77±0.61 a 94.08±0.55, donde se observó el polvo de sapodilla secado por pulverización. Cuando se aumentó la temperatura de entrada de 200 ºC a 220 ºC, los autores advirtieron cómo el aumento de la temperatura de entrada con un grado mayor de L* conllevaron a la oxidación de algunos pigmentos presentes en la muestra. Probablemente, la reducción de la tasa de oxidación de los taninos disminuiría el polvo del color. Los colores de verde a rojo (a*) y azul a amarillo (b*) obtenidos con las cuatro diferentes temperaturas se encontraron en el rango de -0.04 ± 0.23 a 0.15 ± 0.14 y 6.80 ± 0.93 a 8.93 ± 1.48, respectivamente.

Esto indica que la temperatura de entrada no afectó significativamente al perfil de los colores a* y b* de los polvos. Los autores indican que CTF de los polvos se vio significativamente afectado por la temperatura de entrada. Sin embargo, el aumento de la concentración de maltodextrina del 20 % al 50 % (p/v) no afectó significativamente al CTF ajustado. Finalmente, los investigadores indican que los polvos de sapodilla secado por aspersión añadido con 20 % o 30 % (p/v) de maltodextrina y procesado a 200 ºC de temperatura de entrada, muestran un color y un CTF aceptables.

La temperatura de salida del aire es un parámetro que no puede ser controlado directamente y se dificulta establecer un rango estable de esta temperatura para una matriz, esto se debe a que depende estrictamente de las características del material a encapsular. En la literatura se ha informado que una temperatura ideal de salida está entre 50 ºC y 80 °C para la microencapsulación de sabores ^[45].

3.6 Métodos de caracterización y eficiencia

La calidad de la microencapsulación se apoya en diversas técnicas como la MEB, distribución de tamaño de partícula y calorímetro diferencial de barrido ^[35], ^[88]. Así mismo, la verificación de la eficiencia se orienta a la verificación de la disponibilidad y cantidad de compuesto bioactivo encapsulado, el cual puede ser determinado mediante técnicas como la cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC, por sus siglas en inglés), cromatografía de gases, espectrofotometría UV-Vis (ultravioleta visible), espectrofluorometría o mediante el establecimiento de la correlación entre el contenido total de polifenoles con su capacidad antioxidante mediante diversos métodos como: ABTS, ORAC (Capacidad de absorción de radicales de oxígeno), FRAP, DPPH, entre otros ^[101].

Específicamente, la técnica de microscopía electrónica de barrido se ha utilizado de manera que su análisis proporciona datos como tamaño, forma y textura de la muestra. La técnica ha evolucionado en el campo de las ciencias materiales, alimentos, la biología y la medicina ^[102]. Esta técnica es de gran importancia en la industria de alimentos, especialmente en la microencapsulación por secado por atomización, ya que se puede observar la morfología de las microcápsulas y determinar si el proceso de microencapsulación se dio correctamente. Como se muestra en la Figura 1, las microcápsulas pueden tomar forma simple, irregular, múltiple pared y múltiples núcleos, de las cuales la morfología definida como simple, es la requerida en microencapsulación por secado por aspersión, ya que es una estructura uniforme y lisa, la cual presenta forma ligeramente esférica con grietas y colapsos mínimos en su pared ^[99]. Las estructuras irregulares se dan cuando las condiciones de operación del secado por pulverización y la composición del material de revestimiento y la relación núcleo (revestimiento) no son las adecuadas.

Por otra parte, la eficiencia de la microencapsulación por secado por pulverización es relativamente alta en comparación con otros métodos, aunque no es 100 % efectiva, de allí la importancia de su cuantificación ^[50], ^[91], ^[103]. Para la determinación de la eficiencia de microencapsulación se debe tener en cuenta la concentración del compuesto bioactivo inicial, así como es necesario cuantificar la concentración de este resultante en el núcleo de la microcápsula; finalmente será necesario determinar la cantidad del principio activo que queda en la parte externa interactuando con el material encapsulante, pero circundando el núcleo sin que se dé la protección esperada de manera efectiva al no quedar en el núcleo.

Existen varios métodos para la separación de cada componente de la microcápsula, tratamientos que se basan en la evaluación de la polaridad de sistemas de solventes que permitan interactuar de manera selectiva con el material encapsulante o compuestos bioactivo, a lo cual se le suma la aplicación de técnicas de difusión controlada o rompimiento de las cápsulas, como ultrasonido, agitación, pero también apoyados por tratamientos térmicos y variación de volúmenes de solventes que faciliten la solubilidad del material a disolver, entre otras técnicas, que dependerán de la naturaleza química de cada microencapsulación ^[33], ^[75], ^[87], ^[104].

En ^[33] reportan la implementación de un tratamiento para la determinación de la eficiencia de microencapsulación en una matriz lipofílica como es el aceite de café, el cual parte de la extracción con hexano para recuperar el aceite libre de la superficie que no fue encapsulado, empleando una agitación en una botella de vidrio sellada a una temperatura ambiente, seguido de una filtración, lavado que se realizó por triplicado, finalizando esta etapa con la evaporación del solvente hasta obtener peso constante y el aceite no encapsulado se calculó con base en la diferencia entre el matraz limpio inicial y el que contenía el residuo de aceite extraído. La eficiencia del aceite microencapsulado se determinó gravimétricamente mediante extracción con éter, según el método Rose-Gottlieb, reportado por Bradley et al., en 1993. Como resultado obtuvieron que la eficiencia de encapsulación varió entre 48 % y el 82 % estando influenciada positivamente con el contenido de sólidos totales, mientras que la concentración de aceite, con respecto a los sólidos totales, tuvo un efecto negativo sobre la eficiencia de encapsulación y la retención de aceite. Al igual que el aumento de la temperatura del aire de secado, también hubo una disminución tanto de la eficiencia de encapsulación como de la retención de aceite. Por esto, el proceso de microencapsulación se optimizó con un 30 % de sólidos totales y 15 % de aceite con respecto a sólidos totales, y una temperatura de entrada de aire de 170 °C.

En complemento, la microencapsulación de champaca blanca (Michelia alba D.C) realizada por ^[75], logra determinar la eficiencia de microencapsulación de esta matriz de naturaleza polar. Iniciaron con la determinación del contenido superficial o libre del compuesto bioactivo, hidratando inicialmente las microcápsulas con etanol: agitando agua a 50 rpm durante 15 min, seguida de la evaporación al vació del etanol a 40 ºC y 175 mbar y el agua a 72 mbar. El extracto resultante fue pesado y restado de la cantidad inicial, derivando en una eficiencia de 68.91 ± 1.5 %.

De los ejemplos descritos se infiere que para determinar la eficiencia de microencapsulación, se puede emplear en (1) ^[105] .

Donde:

EM (%): eficiencia de microencapsulación en porcentaje en masa.

PAT: principio activo total presente en la microcápsula (g).

PAS: principio activo superficial presente en la microcápsula (g).

En ^[104] investigaron sobre la microencapsulación de la curcumina (colorante natural procedente de la cúrcuma) utilizando la técnica de secado por aspersión y goma arábiga como material de pared en tres concentraciones diferentes: 10 %, 15 % y 20 % (peso/volumen, w/v).

Como resultados, estos autores obtuvieron por microscopia electrónica de barrido (MEB) microcápsulas esféricas e irregulares con una superficie rugosa (sin y con curcumina). Por consiguiente, los investigadores corroboran que el encapsulante es el principal responsable de las características morfológicas de las micropartículas formadas. Todas las micropartículas presentaban una forma esférica, tenían un diámetro de alrededor de 7-9 μm y la eficiencia de encapsulación estuvo entre el 75 % y el 85 %, siendo mayor para las partículas preparadas con mayores concentraciones de agentes encapsulantes, en este caso un 20 % de material de recubrimiento ^[104]. En los estudios de ^[106], el resveratrol se microencapsuló por secado por atomización utilizando goma arábiga como agente encapsulante, donde obtuvieron las micrografías por MEB de las microcápsulas con forma esférica, irregular y superficie rugosa. La eficiencia de encapsulación varió entre 82 % y 87 %, similar a la de Bucurescu y sus coautores, siendo también mayor para las partículas preparadas con mayores concentraciones de agentes encapsulantes.

En el estudio reportado por ^[107], acerca de la microencapsulación de aceite de pescado mediante el secado por aspersión en presencia de goma arábiga y salvia, como material de pared, empleados de forma individual y en mezcla, conllevó a una eficiencia de encapsulación mayor en presencia de la mezcla de goma arábiga con extracto de salvia, alcanzando valores superiores a 73.21 %, en comparación con el 68.99 % de la muestra de solo goma arábiga, lo que confirma la estabilidad estructural de la matriz de la pared (red formada por polímeros del material de la pared) con los compuestos bioactivos de interés ^[107].

En ^[108] reportan sobre el subproducto del grano de cacao basado en la extracción de agua subcrítica usando el método de secado por aspersión utilizando diferentes vehículos, como maltodextrina y proteína de suero de leche (WPI), para lo cual obtuvieron los mejores resultados al utilizar la MD como portadora con una eficacia aproximada del 74 % del proceso.

Usando WPI como material portador, el contenido de fitoquímicos retenidos en la muestra encapsulada correspondió al 58.61 %. A la hora de microencapsular extracto de fruta de garcinia, ^[52] observaron resultados similares a ^[109] cuando los extractos de la fruta de garcinia cowa fueron secados por aspersión usando MD, WPI y su combinación.

En estudios realizados por ^[88], se reporta cómo la pulpa del fruto de arazá (Eugenia stipitata) microencapsulada, con maltodextrina y goma arábiga (cada una individual), presenta una mayor eficiencias de microencapsulación con MD, ya que esta conservó polifenoles totales y capacidad antioxidante en la bioactividad después de la digestión gastrointestinal in vitro, conservando el 61 % de los polifenoles totales y el 101 %, 85 % y 31 % de capacidad antioxidante según los métodos de prueba ABTS, FRAP y DPPH, respectivamente.

Caracterizar las microcápsulas de acuerdo a la capacidad antioxidante final, es de gran relevancia en la justificación de microencapsular los polifenoles para su conservación, de manera que se puede garantizar la propiedad funcional atribuida a la capacidad de retardar los procesos oxidativos, consolidándose en la efectiva propiedad de antioxidante del compuesto bioactivo microencapsulado ^[109]. Los métodos más empleados, que previamente han sido mencionados, se pueden clasificar en diferentes grupos según su acción, como la capacidad de absorción de radicales de oxígeno (ORAC) y el potencial redox, que se mide a través del método FRAP. Existen métodos que se clasifican según la forma en que se expresen sus resultados, como la capacidad antioxidante equivalente de trolox (TEAC, por sus siglas en inglés), que incluye métodos como la reacción con el radical 2.2-difenil-1-picril hidrazilo (DPPH) y reacción con el radical 2.2’-azino-bis: 3-etilbenzotiazolin-6-sulfonato de amonio (ABTS). Ningún método refleja la capacidad antioxidante total, ya que cada uno posee mecanismos de acción diferentes sobre la forma en que actúan sobre los radicales libres responsables de los procesos oxidativos.

Estos mecanismos se caracterizan por dos acciones: transferencia de un electrón (SET) o transferencia de un protón (HAT); por esta razón es importante elucidar un perfil completo de la capacidad antioxidante asociado al contenido de polifenoles totales para determinar con mayor precisión la propiedad funcional y la efectividad del compuestos bioactivo como antioxidante sobre diferentes radicales y entender cómo va actuar según el medio o la matriz alimenticia ^[110].

Por lo descrito anteriormente, se evidencia que la caracterización y eficiencia de la microencapsulación refleja con mayor precisión el grado de protección que ofrece el método implementado, el cual involucra desde la caracterización inicial de la matriz a encapsular, tratamiento preliminar de la muestra, material encapsulante, hasta parámetros de operación.

Adicional a estos aspectos, se resalta la necesidad de identificar cuáles serán las variables que se tomarán como referencia para evidenciar el cumplimiento del alcance del método, que en el caso de compuestos bioactivos (como polifenoles) determinan la capacidad antioxidante y su vida útil, de manera que el método final, se convertirá en insumo para la comunidad científica e industrial al proveer el perfil o ficha técnica alcanzada, de manera que sirva como un referente para futuras aplicaciones en los sectores de alimentos, farmacia o cosmética.