Avanços Tecnológicos em Alimentos Funcionais e Nutracêuticos

Avanços Tecnológicos com a
Nanotecnologia para Alimentos
Funcionais e Nutracêuticos
Fernando Galembeck e Yara Csordas
LNNano / CNPEM
Unicamp
27 de Março de 2013
Nanotecnologia
“Manipulação ou auto-organização de átomos individuais,
moléculas ou agrupamentos moleculares para criar
materiais e dispositivos com propriedades novas ou
significativamente distintas”
Alimentos naturalmente já
contêm nanoarranjos !
Micrografia de iogurte obtida por SEM.
St = Streptococcus thermophilus, La = Lactobacillus
acidophilus, Cs = Caseína, .V = vazio. Penna et alli,
High hydrostatic pressure processing on microstructure of probiotic low-fat yogurt. Food Research
International (2007), V. 40, Issue 4, p. 510–519.
Nome novo, algumas tecnologias antigas
e outras muito novas
“Nano-technology mainly consists of the processing
of separation, consolidation and deformation of
materials by one atom or one molecule”.
On the Basic Concept of 'Nano-Technology‘
Norio Taniguchi, 1974
O vaso de Licurgo: colorido com
partículas nanométricas de ouro.
Pneus sempre foram “nano”
e estão cada vez mais
“smart”.
Marcos da Nanotecnologia
1982
Microscópio de tunelamento
Gerd Binnig e Heinrich Rohrer,
IBM’s Zurich Research Labs
1986
Microscópio de Força Atômica
Binnig, Quate e Gerber
Importantes Ferramentas
2 nm
1 nm
Cristais de gelo em massa de sorvete visualizados por SEM.
Fonte: Unilever
Imagem topográfica por AFM para caracterização
estrutural e acompanhamento da evolução de
cristais de gorduras em chocolate (Cadbury).
Fat Crystal Growth and Microstructural Evolution in
Industrial Milk Chocolate. Sonwai & Rousseau,
Crystal Growth & Design (2008), Vol. 8, No 9 .
Técnicas
inovadoras
de
microscopia
eletrônica permitem identificar a natureza,
estruturas, arranjos e o comportamento de
alimentos aditivados com nanoingredientes
funcionais ou submetidos a diferentes
condições de processo
Gerações do Desenvolvimento Nanotecnológico
Mihail Roco, U.S. National Nanotechnology Initiative (2010)
Tendências em Nanotecnologia para Alimentos
• Entendimento básico da natureza estrutural dos
principais alimentos humanos e animais para
inovação inteligente
• Mecanismos biológicos envolvidos nos processos
metabólicos dos alimentos
• Nanotoxicologia
• Interface com a indústria de cosméticos
(nanocosmecêuticos)
Patentes em Nanotecnologia
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
2011
2006-2010
1991-2005
Classificação segundo Ludlow’s Nanotechnology Families. Pérez-Esteve, E. et alli. Nanotechnology in
the Development of Novel Functional Foods or their Package. An Overview Based in Patent Analysis.
Recent Patents on Food, Nutrition & Agriculture (2013), 5, 35-43.
Patentes em Nanotecnologia de Alimentos
Pérez-Esteve, E. et alli. Nanotechnology in the Development of Novel Functional Foods or their
Package. An Overview Based in Patent Analysis. Recent Patents on Food, Nutrition & Agriculture
(2013), 5, 35-43.
Mercado : Alimentos Nanotecnológicos
Investimentos em P&D&I (1)
USA: US$ 3,7 bln (2010-2014)
EC: US$ 1,2 bln/ano
Japão: US$ 0,75 bln/ano
Mundo: US$ 10,6 bln (2013)
Fonte: Helmut Kaiser Consultancy, 2009
(1) Estimativas de 2010, European Nanotechnology Gateway,
www.nanoforum.org
2012: Mais de 1000 corporações no mundo atuando
com programas de pesquisa e desenvolvimento e/ou
comercialização de alimentos nanotecnológicos
Nanotecnologia em Alimentos
“Uso de técnicas ou ferramentas nanotecnológicas
e/ou adição de nanomateriais, nanocomponentes ou
nanoaditivos durante o cultivo, produção,
processamento, formulação, acondicionamento ou
garantia da segurança de um alimento.”
Food and Drug Administration, USA
A definição não se aplica para alimentos em escala
nanométrica, alimentos atomicamente modificados
ou produzidos através de nanomáquinas
Alimento nanofuncional
Alimento convencional enriquecido por matérias-primas, aditivos ou
ingredientes bioativos processados em escala nanométrica. Além das
funções nutricionais básicas, apresenta comprovados benefícios
fisiológicos e/ou a capacidade de reduzir o risco de doenças crônicas. (1)
Nanocomponente funcional
Carotenóides
- e -caroteno, luteína, licopeno
Fibras
Solúveis e insolúveis,
Ácidos graxos
Ácido linoleico conjugado, ácidos carboxílicos de cadeia longa
ômega-3, DHA/EPA
Compostos Fenólicos
Antocianinas, catequinas, flavonas, flavononas, lignanos, taninos
glucan
Esteróis
Prebióticos / Probióticos
Fruto-oligosacarídeos, Lactobacilos
Fitoestrógenos
Isoflavonas
(1) Codex Alimentarius Commission
Nanonutracêutico
Produto isolado ou purificado a partir de alimentos, processado e
comercializado em escala nanométrica, destinado a aplicações
farmacológicas ou biomédicas, com objetivo de prover benefícios fisiológicos
diferenciados ou aumentar a proteção contra doenças crônicas. (1)
Nanocomposto
Antioxidantes
Vitamina C, Resveratrol, Antocianinas
Redutores de colesterol
Psillum, fibras solúveis e insolúveis
Anticancerígenos
Sulforafane
Protetores cardiovasculares
Isoflavonóides, ácido -linolênico
Anti-celulíticos
Cafeína
(1) Codex Alimentarius Commission
Diâmetro médio de componentes e aditivos
comuns na indústria de alimentos
Nesli Sozer, N.; Kokini, J. L. Nanotechnology and its applications in the food sector.
Trends in Biotechnology , Vol.27 , No2 (Jan 2009)
Nanotecnologia em Alimentos Funcionais
Quando e por que fazer?
• Adicionar valor a um alimento pela otimização da
relação entre tamanho, forma e natureza de seus
componentes  funcionalidade desejada
• Balanço do custo econômico vs. benefício funcional
• Questões regulatórias e análise do risco ligado à
bioprocessablidade do nanomaterial
Nanotecnologia em Alimentos Funcionais
Onde e como fazer?
• Vitaminas, agentes antimicrobianos, aromas,
corantes, fibras solúveis e insolúveis, entre outros
nanoingredientes funcionais
• Nanoemulsões, nanoencapsulamento, nanofibras,
nanorevestimentos,
filmes
nanolaminados,
embalagens
Nanoencapsulamento
Proteger – impedindo degradação – e liberar controladamente
ingredientes funcionais em alimentos
Sistemas nanoencapsulados são
especificamente desenhados para liberar
componentes quando submetidos a
parâmetros ambientais específicos ou
variações no meio, como pH, temperatura,
concentração.
1 m
Microscopia de varredura de nanoesferas de cúrcuma nanoencapsulado por zeina. Nanoencapsulation of the
Functional Food Ingredient Curcumin by Electrohydrodynamic Atomization. J. Gómez-Estaca et alli. International
Conference on Food Innovation, 2010.
Nanoemulsões
Ingredientes funcionais solúveis em óleos podem ser nanoemulsificados
e mantidos em condições estáveis em sistemas aquosos
Consideráveis vantagens sobre emulsões
convencionais:
• Maior estabilidade quanto à
agregação de partículas e sinerese
• Maior biodisponibilidade dos
componentes lipofílicos
• Menor turbidez
50 nm
• Capacidade de modular textura do
alimento
TEM de uma emulsão dupla camada de capsaicina estabilizada com alginato. Characterization of Capsaicin-Loaded
Nanoemulsions Stabilized with Alginate and Chitosan by Self-assembly. Choi, A-J. et alli. Food and Bioprocess
Technology (2011), Vol. 4, Issue 6.
Filmes nanolaminados
Nanocamadas de diferentes materiais ou líquidos são especialmente arranjadas
ou superpostas por efeito de atrações eletrostáticas entre as mesmas
Lipídios, biopolímeros,
carboidratos, ceras,
nanopartículas minerais (argilas)
 Adição de sabor, textura, cor ou
brilho diferenciados sobre a
superfície de alimentos
 Barreiras contra umidade, oxigênio
e microrganismos
Caracterização morfológica por SEM da seção transversal de um
filme multinanolaminado de Alginato/Quitosana/PET. Carneiro da
Cunha et alli, Carbohydrate Polymers (2010), Vol. 82, nº1, 153–159
Sistemas nanométricos para imobilização de enzimas
Nanoesferas, nanotubos, nanofibras e nanopartículas metálicas e
inorgânicas agem como plataformas de acoplamento de enzimas
por mecanismos como ligações covalentes, adsorção iônica ou
hidrofóbica, agregação ou captura mecânica
•Expansão da curta vida útil das enzimas
em diferentes aplicações
100 nm
•Otimização do consumo de enzimas,
trazendo benefícios econômicos
•Possibilitam reuso de enzimas e aumento
da vida útil e capacidade de processamento
de bioreatores
Imagem por SEM de nanopartículas de Fe3O4 usadas para imobilização de enzimas. Garcia, J. et alli, Multilayer
enzyme-coupled magnetic nanoparticles as efficient, reusable biocatalysts and biosensors. Nanoscale (2011), 3, 3721.
Nanofibras e nanoestruturas
Eletrofiação a altas voltagens produz nanofibras em uma
larga faixa de diâmetros, texturas e composições
A orientação das
nanofibras pode ser
controlada pela aplicação
de processos físicoquímicos, mecânicos e
eletrostáticos para formar
diferentes arranjos
estruturais
Imagens de SEM mostrando orientação de nanofibras de poli(ácido láticoglicólico) (PLGA 85:15) usadas em alimentos como veículo para
disponibilizar vitaminas. Fonte: Nanobioscience Lab, University of Taiwan
Nanotoxicologia e seus impactos
Estudos nanotoxicológicos: determinação da escala em que nanomateriais
podem apresentar interações negativas com o metabolismo e as
estruturas celulares, tecidos e órgãos de seres vivos.
• Relações complexas e dificilmente
modeláveis
• Nanopartículas podem mimetizar
a estrutura de outros compostos,
enganando sistemas vitais
• Regulações estritas
Imagem obtida por SEM da proteína clatrina mostrando
similaridade de estrutura com fullerenos. Zhao et alli,
Nanotoxicology: Toxicological and Biological Activities of
Nanomaterials. Nanoscience and Nanotechnologies.
• Caso clássico: intoxicação e morte
por absorção intestinal ou
respiratória de nanopartículas de
óxido de cobre
Exemplos Top-Down
Aumento da proteção antioxidante em chá verde
Através de processos de moagem a seco, folhas de chá podem ser moídas a
um diâmetro menor que 1000 nm, melhorando o seu aproveitamento.
A maior capacidade de absorção de nutrientes pelo sistema digestivo
promove um aumento na atividade das enzimas antioxidantes
Shibata, T. (2002) Method for producing green tea in microfine powder. United States Patent US 6416803 B1.
Exemplos Top-Down
Desenvolvimento de biosensores
Determinação de compostos de interesse e microorganismos patogênicos,
toxinas e contaminantes diversos, garantindo segurança alimentar
Imagem de nanosensor
colorimétrico para
determinação de vitamina C, à
base de nanopartículas de Ag
e 2,6-diclorofenilindofenol,
produzido no LNNano/CNPEM
Exemplos Bottom-Up
Nanopartículas possuem extensa área superficial por unidade de massa.
Quando adicionadas a diferentes alimentos, são biologicamente mais
ativas do que partículas de mesma composição, otimizando propriedades
como solubilidade, tempo de residência, biodisponibilidade e absorção de
compostos por tecidos e células.
• Auto-organização de micelas de caseína, amido e colóides, estabilizando
nanoemulsões;
• Proteínas arranjadas em estruturas empacotadas otimizam sua absorção por
tecidos musculares, possibilitando produzir alimentos específicos para atletas;
• Cristais líquidos (cubosomos, hexosomos e flexosomos) formados por autoorganização de surfactantes em meios aquosos, usados como veículos que
aumentam a biodisponibilidade de fármacos;
• Nanofibras que seletivamente se acoplam a toxinas, metais pesados e
microrganismos patogênicos e que são posteriormente removidas dos alimentos
por processos mecânicos ou físico-químicos.
Produtos
TM
• Soda-Lo (Tate & Lyle): esferas cristalinas nanoestruturadas de NaCl que
promovem o sabor salgado a baixas concentrações, com mínima formação
de aglomerados.
TM
• Aegis OX (Bayer): filme para garrafas de cerveja aditivado com
nanopartículas de silicato que age como barreira e seqüestrante de O2 .
TM
• NanoBioluminescence Detection Spray
(AgroMicron): Rapid Early
Detection (RED) spray à base de propelentes naturais contendo uma
proteína luminescente nanoestruturalmente arranjada, que se acopla a
microorganismos patogênicos como Salmonella e E. Coli.
• OilFresh® 1000 (OilFresh): nanopartículas cerâmicas de elevada
porosidade e alta área superficial que, quando adicionadas a óleos e
lipídios, diminuem a sua oxidação e reduzem a energia necessária para seu
aquecimento, estendendo sua vida útil.
Produtos
Cereplast®: US Patent 8,389,614 (Mar/2013) para embalagem
alimentícia composta por copolímero poli(ácido lático) / poliéster e
nanopartículas de sílica e de silicato de magnésio.
100% biodegradável, propriedades mecânicas e térmicas diferenciadas,
pode ser moldada por injeção, sopro, extrusão ou termoformagem.
NanoCreatine® (Advanced Sports Nutrition):
Nanomização da creatina remove contaminantes
(sódio, creatinina, diciandiamida e dihidrotriazina) e
otimiza sua absorção por atletas.
Quali®-D (DSM): Nano-encapsulação permite uso
de ergocalciferol (Vit. D2) em soluções translúcidas
à base de água e o protege de oxidação por fatores
ambientais, e carrega colecalciferol (Vit. D3) em
nanopartículas de éster de oleoil-alginato para
melhorar sua absorção.
CNPEM e LNNano
O CNPEM é um laboratório nacional aberto, multiusuário e interdisciplinar
criando e provendo soluções integradas de P&D&I para problemas e
necessidades científicas e tecnológicas, usando partículas de alta energia,
nanotecnologia, biotecnologia e técnicas analíticas sofisticadas.
Linhas do LNLS:
mais de 1400 usuários das
comunidades acadêmica e
empresarial, no Brasil e no
Exterior
O LNNano é uma das suas 4 unidades, devotado à criação, disseminação e
aplicação de nanotecnologia, focado em inovação.
Laboratório Nacional de
Nanotecnologia
(LNNano / CNPEM)
Criado em Julho de 2011 pela junção de três laboratórios:
Microscopia Eletrônica (LME) + Microscopia de Força Atômica e
Tunelamento (MTA) + Microfabricação (LMF)
Duas novas unidades entre 2012 e 2013:
Caracterização e Processamento de
Nanoestruturados (LMN)
Metais
(CPM)
+
Materiais
30 colaboradores full-time incluindo 26 pesquisadores, engenheiros e
técnicos altamente capacitados (Dez/2012)
Laboratório de Microscopia Eletrônica
•
Facilidade aberta para multiusuários
•
•
540m2 área / Equipamentos modernos e sofisticados: 3 TEM + 4 SEM
Laboratório é líder e referência no estado da arte no Brasil
•
Pesquisa competitiva e técnicas avançadas de microscopia eletrônica para:
spintronics, catalisadores, células de energia, dispositivos para conversão de energia,
sensores químicos e biológicos, parasitologia, análise de proteínas, análise de
fármacos, análise de falhas, caracterização estrutural e da composição de compostos
naturais, biomassa, cerâmicas, elastômeros, polímeros.
•
Desenvolvimento de metodologias e técnicas de microscopia eletrônica
•
Treinamento e capacitação de pesquisadores, estudantes e profissionais
Exemplo de projeto corrente
(a)
(b)
Bernardes, J. Imagens de (a) campo claro e (b) energia filtrada (15 eV)
de fibra de celulose de eucalipto obtidas por TEM no LMN-LNNano,
visando aproveitamento destas frações vegetais como nanofibras.
Laboratório de Microscopia de Tunelamento e Força Atômica
•
Facilidade aberta para usuários
•
•
129 m2 de área
Projetos de pesquisa externa e interna
voltados para caracterização de superfícies
de materiais nos campos da física, química
e biologia
•
•
Equipamentos modernos e user-friendly
Configuração versátil dos equipamentos
permite realizar estudos sobre amostras
não convencionais e obter mapas de
caracterização mecânica e topográfica
•
Treinamento e capacitação de estudantes e
pesquisadores das comunidades acadêmica
e empresarial
Laboratório de Microfabricação
• Facilidade aberta para usuários
• Salas limpas classe ISO-7 (30 m2)
• Ambiente robusto de pesquisa que atende projetos
desde engenharia de sistemas até ciências da vida
• Desenvolvimento de metodologias, processos e
dispositivos em microescala para aplicações
ambientais e em eletrônica, química, mecânica,
biologia e biomedicina.
• Parcerias com usuários das comunidades acadêmica
e industrial
• Workshops, cursos, treinamento e capacitação de
pesquisadores e estudantes
Laboratório de Materiais Nanoestruturados
• Multidisciplinar, parcerias com usuários acadêmicos e
de empresas
• R&D&I de produtos e processos nanotecnológicos a
partir de:
 Fontes renováveis e abundantes
 Biomassas diversas
 Rejeitos do agronegócio
Bragança, Galembeck et al.
Chemistry of Materials (2007)
• Preparação, caracterização e processamento em microe nanoescala de diversos materiais, sistemas líquidos e
coloidais e de compósitos, blendas e híbridos de
polímeros/elastômeros com partículas, incluindo
ensaios de eletrização
• Atendimento aos mercados de tintas, cosméticos,
ingredientes e alimentos, têxteis, construção civil,
indústria de transformação e especialidades químicas
Contato
[email protected]
http://lnnano.cnpem.br/