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 micro-structure 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

1986

Microscópio de Força Atômica

Binnig, Quate e Gerber

1982 Microscópio de tunelamento

Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, IBM’s Zurich Research Labs

Importantes Ferramentas

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

Cristais de gelo em massa de sorvete visualizados por SEM.

Fonte: Unilever

2 nm 1 nm

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 .

Mihail Roco, U.S. National Nanotechnology Initiative (2010)

Gerações do Desenvolvimento Nanotecnológico

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

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.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

2011 2006-2010 1991-2005

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, glucan

Ácidos graxos Ácido linoleico conjugado, ácidos carboxílicos de cadeia longa ômega-3, DHA/EPA

Compostos Fenólicos Antocianinas, catequinas, flavonas, flavononas, lignanos, taninos

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

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.

Sistemas nanoencapsulados são especificamente desenhados para liberar

componentes quando submetidos a parâmetros ambientais específicos ou

variações no meio, como pH, temperatura, concentração.

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

• 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.

50 nm

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

•Otimização do consumo de enzimas, trazendo benefícios econômicos

•Possibilitam reuso de enzimas e aumento da vida útil e capacidade de processamento de bioreatores

100 nm

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 físico-

químicos, mecânicos e eletrostáticos para formar

diferentes arranjos estruturais

Imagens de SEM mostrando orientação de nanofibras de poli(ácido lático-glicólico) (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

• Caso clássico: intoxicação e morte por absorção intestinal ou respiratória de nanopartículas de óxido de cobre

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.

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 auto-organização 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

• Soda-LoTM

(Tate & Lyle): esferas cristalinas nanoestruturadas de NaCl que promovem o sabor salgado a baixas concentrações, com mínima formação de aglomerados.

• AegisTM

OX (Bayer): filme para garrafas de cerveja aditivado com nanopartículas de silicato que age como barreira e seqüestrante de O2 .

• NanoBioluminescence Detection SprayTM

(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.

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.

NanoCreatine® (Advanced Sports Nutrition): Nanomização da creatina remove contaminantes (sódio, creatinina, diciandiamida e dihidrotriazina) e otimiza sua absorção por atletas.

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.

O LNNano é uma das suas 4 unidades, devotado à criação, disseminação e aplicação de nanotecnologia, focado em inovação.

Linhas do LNLS: mais de 1400 usuários das comunidades acadêmica e empresarial, no Brasil e no

Exterior

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 Metais (CPM) + Materiais Nanoestruturados (LMN)

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

(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.

Exemplo de projeto corrente

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

• Preparação, caracterização e processamento em micro- e 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

Bragança, Galembeck et al. Chemistry of Materials (2007)

Contato

lnnano@lnnano.cnpem.br

http://lnnano.cnpem.br/