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A nanotecnologia no setor de alimentos

Nanotecnologia é a tecnologia aplicada na manipulação de nanomateriais para diversos fins, desempenhando importante papel nos setores de alimentos e agricultura, através da contribuição para o melhoramento das culturas, da qualidade e segurança alimentar e promovendo a saúde humana através de abordagens novas e inovadoras.

O aumento no interesse e no desenvolvimento da nanotecnologia se deve principalmente as novas e incomuns propriedades dessas pequenas partículas, conhecidas como nanopartículas, cujas propriedades físicas, químicas e biológicas únicas, com grande relação superfície-volume, bem como solubilidade e toxicidade alteradas quando comparadas com as suas contrapartes em macroescala, vem ganhando cada vez mais atenção do setor alimentício.

Na indústria de alimentos, a nanotecnologia é aplicada para todas as práticas: produção, processamento, armazenamento e distribuição. 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.

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 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.

O uso da nanotecnologia em alimentos pode ser categorizado como "direto" ou "indireto". O uso direto refere-se à incorporação de substâncias e materiais nanoestruturados em alimentos e também deve ser declarado como tal. Algumas das aplicações diretas incluem fragrâncias, agentes corantes, antioxidantes, conservantes e componentes biologicamente ativos (vitaminas, ácidos graxos ômega-3, polifenóis, etc.). O uso indireto compreende o uso de materiais nanoestruturados em tecnologia de embalagem e sensores, ou o uso de catalisadores nanoestruturados proficientemente para a hidratação de gorduras. Portanto, grande parte das aplicações de materiais nanoestruturados estão incluídas nessa categoria. No entanto, deve-se observar que o uso indireto de nanoestruturas entra em contato com o alimento, pois são incorporadas diretamente à matriz para beneficiar a produção de alimentos, como a hidratação catalisada de gorduras com baixo teor de ácidos graxos trans.

Os nanodispositivos ou nanossensores, em conjunto com polímeros, são usados para monitorar patógenos alimentares e produtos químicos durante os processos de armazenamento e trânsito em embalagens inteligentes, as quais garantem a integridade da embalagem do alimento e a autenticidade do produto alimentício. Esses dispositivos também podem rastrear o histórico de tempo, temperatura e data de validade.

Além de serem capazes de detectar toxinas e patógenos alimentares na embalagem, os nanossensores podem ser usados para análise de alimentos, sabores, água potável e diagnósticos clínicos. As nanopartículas também podem ser incorporadas como transdutores nanoestruturados de dispositivos biossensores.

A nanotecnologia oferece segurança alimentar em termos de embalagem para garantir uma vida útil mais longa, evitando a deterioração ou perda de nutrientes dos alimentos. A embalagem ativa tem um papel desejável na preservação de alimentos, além de fornecer uma barreira inerte às condições externas. Agem liberando moléculas desejáveis, como agentes antimicrobianos ou antioxidantes, ou agem como eliminadores de gases. Essas interações resultam em melhor estabilidade do alimento; alguns desses sistemas de embalagem incluem antimicrobianos, eliminadores de oxigênio e sistemas de imobilização enzimática.

Outra aplicação em embalagens ativas é a embalagem de liberação controlada, onde nanocompósitos também podem ser usados como sistemas de entrega, ajudando na migração de aditivos funcionais, como minerais, probióticos e vitaminas para os alimentos. Um exemplo são as nanopartículas de prata, usadas em materiais de embalagem para preservar alimentos por períodos mais longos, eliminando microrganismos em seis minutos. Os nanocompósitos de náilon, que fornecem barreiras ao fluxo de oxigênio e dióxido de carbono, também têm sido usados em embalagens de alimentos para manter o frescor e bloquear odores. Um exemplo típico são as garrafas multicamadas de tereftalato de polietileno (PET) para cerveja e bebidas alcoólicas.

A atividade antibacteriana das nanoestruturas metálicas depende principalmente de vários fatores, como grande área de superfície, tamanho, forma, internalização de partículas e funcionalidade química.

As aplicações potenciais da nanotecnologia em alimentos funcionais e design de suplementos nutricionais e nutracêuticos contendo ingredientes nanométricos e aditivos, como vitaminas, antimicrobianos, antioxidantes e conservantes estão atualmente disponíveis para melhor sabor, absorção e biodisponibilidade. Para evitar o acúmulo de colesterol, alguns dos nutracêuticos incorporados nos transportadores consistem em licopeno, betacarotenos e fitoesteróis. Ingredientes funcionais como vitaminas, antioxidantes, probióticos, carotenóides, conservantes, ácidos graxos ômega, proteínas, peptídeos e lipídios, bem como carboidratos, são incorporados a um sistema de nanoentrega, aumentado a funcionalidade e a estabilidade desses alimentos, pois não são utilizados na sua forma pura.

A nanotecnologia desempenha importante papel no setor alimentício, possibilitando a produção de alimentos de qualidade, com processamento avançado e armazenamento de longo prazo, além de melhorar o seu sabor e textura.




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