Quando la nanoscienza incontra gli alimenti

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Capitolo V: I nanoc arrie rs
Il suc c e sso de i nanofoods dipe nde da lla loro c a pa c ità di migliora re la
biodisponibilità de i princ ipi a ttivi fa c ilita ndone la solubilità , la bioa c c e ssibilità , la
sta bilità ne l tra tto ga stro-inte stina le e l’e limina z ione di inte ra z ioni tra c omposti
bioa ttivi e prodotti a lime nta ri c he potre bbe ro infic ia rne l’e ffe tto biologic o. Inoltre ,
i nanofoosds ha nno a ltre c a ra tte ristic he te c nologic he inte re ssa nti: da nno luogo a
soluz ioni limpide , poic hè le ridotte dime nsioni produc ono minori fe nome ni di
diffra z ione , e se dime nta no c on più diffic oltà rispe tto a i siste mi di dime nsioni
norma li. Sono sta te formula te na nopa rtic e lle sia c on ma te ria li inorga nic i
(na nopa rtic e lle d'oro) c he orga nic i (na nopa rtic e lle ma gne tic he ), liposomi, mic e lle ,
na nopa rtic e lle polime ric he . E sse sono se mplic i e fa c ili da pre pa ra re , e la loro
pote nz ia le tossic ità è ba ssa , pe rc hé il c orpo uma no ha a disposiz ione dive rse lipa si
in gra do di dige rire liposomi e mic e lle .
E ssi sono usa ti c ome (Fig. 12) :
1. Nanoc arrie rs pe r il tr aspor to di sostanz e nutr itive e d inte gr ator i
(nanodispe r sioni, c arrie rs inor ganic i e me tallic i, c arrie rs lipidic i e
nanoc apsule ).
Possono e sse re utiliz z a ti pe r influe nz a re c onsiste nz a , sa pore , a spe tti nutriz iona li e
funz iona lità de gli a lime nti.
2 .P e r la pr oduz ione di imballaggi alime ntar i, pe r la sic ur e z z a alime ntar e e
c ome indic ator i de l de te r ior ame nto de gli alime nti.
L e na note c nologie inse rite in imba lla ggi a lime nta ri sono utiliz z a te :
1. pe r prolunga re la c onse rva z ione de ll’a lime nto,
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2. pe r produrre na noinvoluc ri c a pa c i di impe dire lo sc a mbio di ga s e umidità ,
3. c re a re imba lla ggi "inte llige nti" (c onte ne nti na nose nsori e a ttiva tori
a ntimic robic i) pe r rile va re il de te riora me nto de gli a lime nti e rila sc ia re
na no-a ntimic robic i (Mishra U. K., 2012).
Il ma te ria le utiliz z a ti pe r que ste funz ioni c ompre ndono:
polime ri plastic i c he a vvolgono o rive stono na noma te ria li in modo
ta le da migliora rne le proprie tà me c c a nic he e /o funz iona li (a d e s.,
na nola mina ti, bottiglie na noc omposite , bidoni c on na nopa rtic e lle
d'a rge nto), nanoriv e stime nti pe r supe rfic i in c ontatto c on gli alime nti
c on funz ioni di ba rrie ra ve rso i ga s e /o a z ione a ntimic robic a e /o di
na nose nsori pe r l'e tic he tta tura a lime nta re .
3.L e nanosostanz e agr oc himic he sono prodotti c himic i utiliz z a ti in a gric oltura ,
c ome i pe stic idi o fe rtiliz z a nti.
Fig.12: Na note c nologie ne ll’industria a lime nta re e c a se a ria
Nanocarriers per nutrienti
e supplementi
Imballaggio
alimentare
Sicurezza
alimentare
Na n otecn ol ogi e
n el l ’ i n dustr i a
a l i m en ta r e e ca sea r i a
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P ar agr afo 5.1: Nanoc arrie rs
L a biodisponibilità de i c ompone nti bioa ttivi dipe nde da lla struttura mole c ola re e
da lle loro proprie tà fisic o-c himic he . L ’a ssorbime nto ora le è un proc e sso
c omple sso c he pre ve de dissoluz ione , rila sc io da lla forma di dosa ggio, e
pe rme a bilità a ttra ve rso le me mbra ne ga strointe stina le de i c ompone nti bioa ttivi. Di
c onse gue nz a , sono ne c e ssa ri molti siste mi di tra sporto pe r riusc ire a prote gge re e
ve ic ola re i singoli prodotti (Fig. 13). Ogni siste ma ha va nta ggi e sva nta ggi in
te rmini di tra sporto, prote z ione , c a pa c ità di ve ic ola z ione a l sito d’a z ione de l
prodotto, nonc hé di c osto, fa c ilità d'uso, biode gra da bilità e bioc ompa tibilità de l
siste ma usa to. L e na nostrutture possono a ve re una dime nsione , due dime nsioni
(na notubi), o tre dime nsioni (na nopa rtic e lle ).
Il c osto pe r la pre pa ra z ione di nanoc arrie rs è dovuto:
1. a ll’uso di ingre die nti ric onosc iuti c ome “ sic uri” pe r la sa lute uma na ,
nonc hé l’a pplic a z ione di pra tic he di la vora z ione e ve ndita ta li da non
nuoc e re a lla sa lute uma na (a d e se mpio, un impia nto di produz ione
c onforme a lle buone pra tic he di fa bbric a z ione ),
2. a lla c a pa c ità di c a ric o, e ffic ie nz a di inc a psula me nto, e d e ffic ie nz a di
rite nz ione de l siste ma prodotto,
3. a lla c a pa c ità di prote gge re i c omposti inc a psula ti da lla de gra da z ione
c himic a (pe r e se mpio, la de gra da z ione ossida tiva ),
4. a lla c ompa tibilità de l siste ma re a liz z a to c on la ma tric e de ll’a lime nto o
be va nda in c ui sa rà inc orpora to, nonc hé a lla sua c a pa c ità di non a lte ra re
l’a spe tto, la c onsiste nz a , il sa pore , o la dura ta di c onse rva z ione de l
prodotto a c ui vie ne a ddiz iona to,
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5. a lla c a pa c ità di re siste re a lle solle c ita z ioni a mbie nta li dura nte produz ione ,
stoc c a ggio, tra sporto e d utiliz z o (a d e se mpio tra tta me nto te rmic o,
e sposiz ione a lla luc e , a gita z ione me c c a nic a , re frige ra z ione , c onge la me nto
o disidra ta z ione ),
6. a lla c a pa c ità di c ontrolla re il rila sc io e /o l’a ssorbime nto de l c ompone nte
bioa ttivo in un pa rtic ola re distre tto de l tra tto ga strointe stina le : boc c a ,
stoma c o, inte stino.
E sistono nanoc arrie rs e dibili pe r c ompone nti bioa ttivi lipofili e idrofili. L e
na nostrutture in gra do di prote gge re e ve ic ola re i c omposti lipofili sono:
1. e mulsione se mplic e (O/W ),
2. doppia e mulsione (W /O/W ),
3. na noc a psula
4. liposomi
5. siste mi c olloida li.
I siste mi in gra do di prote gge re e distribuire i c ompone nti bioa ttivi idrofili
sono:
1. idroge l
2. siste mi c ostituiti da na nopa rtic e lle in ge l
3. e mulsioni W /O
4. strutture prote ic he -polisa c c a ridic he (strutture a uto-a sse mbla te ).
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Fig. 13: C la ssific a z ione de i na noma te ria li c on a pplic a z ione ne lla pre pa ra z ione de i
c ibi
P ar agr afo 5.2: Nanoe mulsioni
L e na noe mulsioni (Fig. 14) (note a nc he c ome minie mulsioni o e mulsioni infe riori
a l mic ron) sono dispe rsioni c olloida li me ta sta bili c on dia me tri di 10-100 nm.
Ve ngono utiliz z a te pe r a ume nta re la biodisponibilità di sosta nz e a lta me nte lipofile
c ome i lipidi bioa ttivi, fa rma c i, a romi, a ntiossida nti e a ge nti a ntimic robic i lipofili.
L e dime nsioni ridotte de lle pa rtic e lle de te rmina la dige stione ve loc e de i lipidi,
poic hé a ume nta l'a ttività e nz ima tic a a ll'inte rfa c c ia olio-a c qua , le pa rtic e lle di
pic c ole dime nsioni pe ne tra no a ge volme nte ne ll'inte stino te nue , a ume nta ndo c osì il
te mpo di dige stione de i lipidi e d il loro a ssorbime nto.
Scienza e
tecnologia
alimentare
Nanocarriers per
consegnare
supplementi
Nanodispersioni
Nanoemulsioni
collodi associati
nanocarriers
polimerici
Nanocapsule
nanoparticelle
idrogel
carriers metallici
e inorganici
carriers lipidici
Nanoliposomi
nanoparticelle
solide-lipidiche
materiali per
imballaggio
nanocompositi
nanolaminati
nanosensori
nanofibre
nanotubi
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E sistono due tipi di na noe mulsioni:
le nanoe mulsioni olio in ac qua (O/W) in gra do di solubiliz z a re , prote gge re , e
ve ic ola re a ge nti lipofili a ttivi (a d e se mpio, a romi solubili in olio, c olora nti,
c onse rva nti, vita mine , ome ga -3), e nutra c e utic i (a d e se mpio, ste roli ve ge ta li,
c a rote noidi, e c c ),
le nanoe mulsioni ac qua in olio (W/O) utiliz z a te pe r solubiliz z a re sosta nz e
idrofile c ome i polife noli. L e na noe mulsioni possono e sse re re a liz z a te in ma nie ra
ta le da posse de re un’e le va ta visc osità a una c onc e ntra z ione più ba ssa rispe tto a lle
na noe mulsioni c onve nz iona li. E sse sono tra spa re nti, pe rc hé sono molto pic c ole e
dispe rdono le onde luminose , quindi, risulta no e sse re pa rtic ola rme nte utili in
a lime nti e be va nde limpide c ome a d e se mpio i suc c hi di frutta pe r non a lte ra rne
l’a spe tto. L e na noe mulsioni ha nno un’e le va ta sta bilità in c ondiz ioni di pic c ole
va ria z ioni di pH, te mpe ra tura o c onc e ntra z ione sa lina , ma te ndono a rompe rsi a
c a usa de lla forz a di gra vita z ione , de lla floc c ula z ione , de lla c oa le sc e nz a , e /o a
c a usa de i fe nome ni di Ostwa ld. L a ma tura z ione di Ostwa ld è un fe nome no c he
c onsiste ne lla c oa le sc e nz a de lle goc c e c he c ostituisc ono la fa se dispe rsa . In a ltre
pa role , si ha una diminuz ione de l nume ro di goc c e più pic c ole pe r fa vorire
l'a c c re sc ime nto de lle goc c e più gra ndi. A se guito di ta le fe nome no si a ssiste a d
una diminuz ione de ll'a re a supe rfic ia le tota le . Pe rta nto, ve ngono usa ti uno o più
e mulsiona nti pe r a ssic ura re l’e mulsiona me nto e la sta bilità de l proc e sso di
forma z ione de lle e mulsioni in soluz ioni a c quose . Gli e mulsiona nti diminuisc ono
l'e ne rgia di inte rfa c c ia a ggiunge ndo sta bilità a ll’e mulsione . E ssi diminuisc ono
l’e ne rgia ne c e ssa ria pe r forma re goc c e più pic c ole , pe rc hé riduc ono la te nsione
inte rfa c c ia le e impe disc ono o ra lle nta no l'a ggre ga z ione de lle goc c e de lla fa se
dispe rsa , a ume nta ndo le forz e di re pulsione . Inoltre , gli e mulsiona nti sono utili pe r
pre ve nire la c oa le sc e nz a , in qua nto forma no uno stra to prote ttivo c he c irc onda le
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goc c e , forma no inte ra z ioni c on i c a rboidra ti e c ontrolla no il tra sporto di ossige no
e umidità . E se mpi di e mulsiona ti a lime nta ri sono:
-le prote ine
-polisac c aridi.
Ge ne ra lme nte il c a se ina to di sodio, le prote ine di soia isola te e la tra nsgluta mina si
mic robic a ve ngono utiliz z a te in e mulsione W /O, me ntre la polve re di noc c iole
vie ne utiliz z a ta in O/W (Se rda roglu M., 2015). L e na noe mulsioni possono e sse re
ge ne ra te me dia nte l’uso di te c nic he a d a lta o ba ssa e ne rgia (inve rsione di fa se e
se pa ra z ione di fa se sponta ne a ). L ’omoge ne iz z a z ione è a mpia me nte usa ta
ne ll'industria a lime nta re (Gutie rre z J.M., 2008). L e dime nsioni de lle goc c e
prodotte dipe ndono da va ri fa ttori: da l me todo utiliz z a to pe r produrle , da lle
c ondiz ioni c on c ui ve ngono prodotte (a d e se mpio, l’inte nsità di e ne rgia , il te mpo e
la te mpe ra tura ), e da lla c omposiz ione de l siste ma (pe r e se mpio, la te nsione
inte rfa c c ia le e la visc osità ).
Gli a ppa re c c hi c he utiliz z a no a pproc c i a d a lta e ne rgia sono:
-omoge ne izzatori,
-mic rofluidific atori
-sonic atori.
L 'uso di dispositivi me c c a nic i in gra do di ge ne ra re inte nse forz e di disturbo c he
me sc ola no e a lte ra no le fa si olio e a c qua , possono provoc a re la de gra da z ione di
a lc une sosta nz e c himic he dura nte il proc e sso produttivo.
Fig. 14: Una na noe mulsione e un liposoma a c onfronto
P ar agr afo 5.3: M e todi ad alta e ne r gia utiliz z ati pe r la pr oduz ione di
nanoe mulsioni
Omoge ne iz z az ione ad alta pr e ssione (HP H)
L ’omoge ne iz z a z ione è un proc e sso me c c a nic o c he tra sforma una misc e la
e te roge ne a in una omoge ne a gra z ie a d un dispositivo c hia ma to omoge ne iz z a tore .
Una misc e la è de tta "c himic a me nte omoge ne a " qua ndo la misc e la pre se nta ugua le
c omposiz ione in ogni punto de llo spa z io. Il proc e sso di omoge ne iz z a z ione
a vvie ne forz a ndo un prodotto fluido a d a lta pre ssione (150-200 MPa , o 350-400
MPa pe r ultra omoge ne iz z a z ione a d a lta pre ssione , UHPH). L a misc e la z ione di
fa si insolubili può e sse re fa vorita da ll’uso di a ge nti te nsioa ttivi. Que sta te c nic a è
di gra nde e ffic a c ia , l’unic o sva nta ggio è ra ppre se nta to da l gra nde c onsumo di
e ne rgia e da ll’inc re me nto de lla te mpe ra tura de ll’e mulsione dura nte il proc e sso.