Na indústria de alimentos, a nanotecnologia é aplicada para todas as práticas: produção, processamento, armazenamento e distribuição de alimentos. Fornece segurança aprimorada usando nanossensores para detectar qualquer patógeno ou contenção em alimentos. Embalagens para alimentos aprimoradas com nanotecnologia oferecem benefícios em relação às embalagens convencionais que usam barreiras de plástico e, ao mesmo tempo, seus componentes funcionais, como atividades antimicrobianas, fornecem maior vida útil aos produtos alimentícios. Também está envolvida na detecção de toxinas alimentares, produção de sabor e formação de cor. Os sistemas inteligentes e baseados em nanotecnologia fornecem localização, detecção, geração de relatórios e controle remoto de alimentos com maior eficiência e segurança. Além disso, os sistemas de entrega baseados em nanotecnologia melhoram os valores nutracêuticos dos componentes dos alimentos.
A área com maior potencial de crescimento para a indústria de alimentos e bebidas se concentra nas melhorias no desenvolvimento de produtos e na funcionalidade dos ingredientes. As propriedades de textura, sabor e estabilidade estão relacionadas com a estrutura do produto alimentício e a funcionalidade dos ingredientes.
Muitos alimentos naturais e processados já estão organizados em nanoescala, ou seja, algumas das matérias-primas mais importantes dos alimentos, como proteínas, amidos e gorduras, passam por mudanças estruturais em escalas nanométricas e micrométricas durante o processamento normal dos alimentos. As proteínas alimentícias, como a betalactoglobulina nativa, que tem cerca de 3,6nm em comprimento, pode sofrer desnaturação; os componentes desnaturados remontam para formar estruturas maiores, como fibrilas ou agregados que, por sua vez, podem ser montados para formar redes de gel ainda maiores. As micelas de caseína podem ser úteis como nanoveículos para aprisionamento, proteção e entrega de nutracêuticos hidrofóbicos sensíveis dentro de outros produtos alimentícios.
Outro exemplo são as soluções mistas de proteína-polissacarídeo, que podem se separar espontaneamente em uma fase do processamento, com gotículas nanométricas ou microcruzadas dispersas em uma fase contínua. Os grânulos de amido se expandem quando aquecidos e hidratados, liberando biopolímeros que podem ser recristalizados em estruturas nanométricas. As dextrinas e outros produtos da degradação de extrusão podem ser usados para encapsular substâncias bioativas em microrregiões.
No caso das gorduras, os monoglicerídeos podem se automontar em muitas morfologias em nível de nanoescala e, hierarquicamente estruturados em triglicerídeos, podem ser cristalizados (10 a 100nm), seguido por um arranjo em grandes aglomerados, flocos e, finalmente, redes de cristal de gordura.
A utilização de ingredientes nanoencapsulados na indústria alimentícia apresenta crescente expansão. Contudo, a escolha do material a ser utilizado deve levar em consideração as propriedades físicas e químicas do núcleo, como porosidade, solubilidade, etc., e da parede, incluindo viscosidade, propriedades mecânicas, transição vítrea, capacidade de formação de filme, etc.; além de compatibilidade do núcleo com a parede; e mecanismo de controle. Da mesma forma, os encapsulantes devem possuir boas propriedades de formação de filme; baixa higroscopicidade; baixa viscosidade a altas concentrações de sólidos; sabor e odor suaves; e fácil reconstituição.
As novas propriedades dos nanomateriais oferecem muitas novas oportunidades para a indústria de alimentos. Diferentes tipos de nanoestruturas funcionais podem ser usados como blocos de construção para criar novas estruturas e introduzir novas funcionalidades nos alimentos.
Os nanomateriais usados em aplicações alimentícias incluem substâncias inorgânicas e orgânicas, podendo ser encontrados em produtos de nanoalimentos (alimentos gerados pelo uso da nanotecnologia no processamento, produção, segurança e embalagem) em três categorias principais: inorgânicos, materiais funcionalizados de superfície e nanomateriais orgânicos projetados.
Os nanomateriais inorgânicos para aplicação em aditivos alimentícios, embalagens ou armazenamento de alimentos incluem nanomateriais projetados de metais de transição, como prata e ferro; metais alcalino-terrosos, como cálcio e magnésio, e não metais, como selênio e silicatos; outros nanomateriais que podem ser potencialmente usados em aplicações alimentícias incluem dióxido de titânio.
Os nanomateriais funcionalizados de superfície adicionam certos tipos de funcionalidade à matriz, como atividade antimicrobiana ou ação conservante por meio da absorção de oxigênio. Para materiais de embalagem de alimentos, são usados para se ligar à matriz polimérica para oferecer resistência mecânica ou uma barreira contra o movimento de gases, componentes voláteis (como sabores) ou umidade. Comparados aos nanomateriais inertes, são mais propensos a reagir com diferentes componentes alimentícios ou se ligar a matrizes alimentares e, portanto, podem não estar disponíveis para migração de materiais de embalagem ou translocação para outros órgãos fora do trato gastrointestinal.
Os nanomateriais orgânicos (muitos deles substâncias de ocorrência natural) são usados, ou foram desenvolvidos para uso em produtos alimentícios para aumentar a captação e absorção e melhorar a biodisponibilidade de vitaminas e antioxidantes no organismo, em comparação com equivalentes convencionais a granel. Uma ampla gama de materiais está disponível nessa categoria, como por exemplo, aditivos alimentares (ácido benzóico, ácido cítrico, ácido ascórbico) e suplementos (vitaminas A e E, isoflavonas, betacaroteno, luteína, ácidos graxos ômega-3 e coenzima-Q10). Proteínas, moléculas de gordura e açúcar, bem como neutracêuticos consistindo de aditivos alimentares derivados de plantas, são exemplos de nanomateriais orgânicos.
Muitas tecnologias foram exploradas para fabricação de nanoestruturas e nanomateriais. Uma nanoestrutura é o tamanho intermediário entre uma nanodimensão e uma microdimensão, que pode ser desenvolvida em várias formas. É basicamente "estruturada" usando modelos soft/hard para formar estruturas de micronível.
Nos últimos anos, a definição de materiais nanoestruturados tem se limitado a materiais que apresentam propriedades físicas e químicas inteiramente novas e, portanto, diferem consideravelmente de materiais em macroescala com a mesma estrutura química. Os materiais nanoestruturados são vistos basicamente na forma de filmes em camadas (lamelares), aglomerados e estruturas. Além disso, as propriedades do material nanoestruturado são completamente dependentes do tamanho e da natureza da sua microestrutura. Os blocos de construção dos materiais nanoestruturados são basicamente nanopartículas, que são, da forma mais simples, nanocompósitos feitos de estruturas elementares mais complexas.
Alguns produtos alimentícios contêm ingredientes nanométricos e diferentes dos nanomateriais fabricados sinteticamente. Muitas proteínas alimentícias possuem estruturas globulares entre 10nm e 100nm de tamanho e outras incluem a maioria dos polissacarídeos e lipídios, que são polímeros lineares de espessura menor que 1nm (nanoestruturas unidimensionais). Leite e seus derivados, como proteínas do leite e caseínas, também são nanoestruturas naturais.
Os sistemas nanoestruturados sintéticos mais significativos em alimentos são nanopartículas poliméricas, lipossomas, nanoemulsões e microemulsões. Esses materiais aumentam a solubilidade, melhoram a biodisponibilidade, facilitam a liberação controlada e protegem os componentes bioativos durante a fabricação e armazenamento.
As partículas nanoestruturadas biopoliméricas incluem as micelas, estruturas esféricas de 5nm a 100nm de diâmetro, capazes de encapsular moléculas não polares, como lipídios, vitaminas e antioxidantes. Os elementos que não são solúveis em água podem ser solubilizados usando micelas e são chamados de microemulsões, as quais também têm sido usadas para produzir glicerídeos para aplicações em produtos alimentícios. Uma aplicação importante da microemulsão é fornecer eficácia antioxidante melhorada devido a possibilidade de um efeito sinérgico entre os antioxidantes hidrofílicos e lipofílicos.
Os biopolímeros de grau alimentício, como proteínas ou polissacarídeos, podem ser usados para produzir partículas de tamanho nanométrico. Um dos componentes mais comuns de muitas nanopartículas biopoliméricas biodegradáveis é o ácido poliláctico, usado regularmente para encapsular e distribuir medicamentos, vacinas e proteínas. Contudo, possui certas limitações: é removido rapidamente da corrente sanguínea e permanece isolado no fígado e rins. Como o seu propósito como nanopartícula é entregar componentes ativos a outras áreas do organismo, o ácido poliláctico precisa de um composto associativo, como o polietilenoglicol, para ter sucesso nessa atividade.
Os lipossomas são vesículas esféricas formadas por pelo menos uma bicamada concêntrica de fosfolipídios que se organizam espontaneamente em meio aquoso ou por ultrassons em meio aquoso, em que o componente da solução usada pode preencher a cavidade do interior do lipossoma.
Os lipossomas têm sido usados na indústria de alimentos para encapsular ingredientes funcionais e, mais recentemente, por sua capacidade de integrar antimicrobianos de alimentos que podem auxiliar na proteção de produtos alimentícios contra o crescimento de deterioração e microrganismos patogênicos. A nanoencapsulação à base de lipídios pode melhorar potencialmente a solubilidade, estabilidade e biodisponibilidade dos alimentos, evitando interações indesejadas com outros componentes dos alimentos. Os nanolipossomos também ajudam na entrega controlada e específica de nutracêuticos, nutrientes, enzimas, vitaminas, antimicrobianos e aditivos. Possuem tamanho menor e área de superfície interfacial maior para contato com tecidos biológicos e, portanto, fornecem maior biodisponibilidade de compostos encapsulados.
As nanoemulsões são dispersões coloidais com tamanhos de gotículas que variam de 50nm a 1.000nm. São usadas para produzir produtos alimentícios para óleos aromatizados, temperos para saladas, bebidas personalizadas, adoçantes e outros alimentos processados.
As nanoemulsões apresentam muitas vantagens, como descontaminação e alta clareza, sem comprometer a aparência e o sabor do produto. Compostos funcionais nanométricos que são encapsulados pelas nanoemulsões são usados para a distribuição direcionada de luteína, betacaroteno, licopeno, vitaminas A, D e E3, coenzimaQ10 e ácidos graxos ômega-3. Outra aplicação da nanoemulsão inclui água potável engarrafada e leite fortificado com vitaminas, minerais e antioxidantes.
Os nanocompósitos são matrizes poliméricas, onde uma das fases tem pelo menos uma, duas ou três dimensões menores que 100nm de tamanho. Vários polímeros sintéticos (poliamida, poliestireno, náilon e poliolefinas) e naturais (quitosana, celulose e carragenina) têm sido usados em embalagens de alimentos.
