Cerqueira, M. A.

Pinheiro, A. C.

Vicente, A. A.

Universidade do Minho: RepositoriUM

dossiê22 tecno hospital 59 SET /OUT  2013Nanotecnologia como ferramenta para produzir novos alimentos funcionais: vantagens e precauçõesAna Cristina Pinheiro, Miguel Ângelo Cerqueira e António Augusto VicenteALIMENTOS FUNCIONAIS: UM CAMINHO A SEGUIRSão inúmeros os fatores que afetam a qualidade da vida moder-na, mas a incidência de problemas de saúde relacionados, por exemplo, com acidentes cardiovasculares, cancro, acidente vas-cular cerebral, arteriosclerose e problemas hepáticos está inti-mamente ligada aos hábitos alimentares. Além disso, o interesse do consumidor numa alimentação saudável e a evidência cientí-fica de que os alimentos funcionais têm efeitos positivos sobre a saúde e bem-estar fazem com que o consumo de alimentos fun-cionais seja visto como um dos caminhos a seguir para melhorar a qualidade de vida. O consumidor exige, assim, cada vez mais, novos e melhores produtos alimentares capazes de aliarem a ca-racterísticas organoléticas únicas características funcionais que possam trazer uma melhoria da sua saúde (traduzida na redução da incidência de doenças e a manutenção do bem-estar físico e mental), garantindo simultaneamente a sua segurança.LIBERTAÇÃO DE COMPOSTOS BIOATIVOSCom o objetivo de responder a estes desafios, a indústria ali-mentar tem feito um esforço para disponibilizar alimentos que, para além da sua função vital, possam ter uma vertente funcio-nal. Uma das estratégias passa pela incorporação de compos-tos bioativos em alimentos durante a sua produção, tais como curcumina, carvacrol, retinol, α-tocoferol, resveratrol, quercetina, β-caroteno, e minerais (ex. ferro, cálcio). No entanto, as tecnolo-gias e os processos utilizados pela indústria alimentar para a in-corporação desses compostos bioativos em alimentos não têm sido eficazes, pois apresentam muitas vezes problemas relacio-nados com solubilidade, degradação, agregação, coalescência e interação com as matrizes alimentares, que fazem com que o seu efeito funcional seja diminuído e até mesmo perdido antes de chegar ao consumidor.A nanotecnologia tem sido apresentada nos últimos anos como uma das formas de solucionar alguns desses problemas. A nano-tecnologia envolve a produção, o processamento e a aplicação de sistemas à nano-escala através do controlo da sua forma e tamanho. Recentemente tem havido um grande interesse no es-tudo do comportamento de nanossistemas como veículos para a incorporação, proteção, transporte e libertação controlada de compostos bioativos, para aplicações alimentares e farmacêuti-cas (Acosta 2009; Huang et al. 2010). Neste contexto, uma das principais aplicações da nanotecnologia na indústria alimentar passa por desenvolver sistemas de libertação de compostos bioativos à nano-escala, que devido ao seu tamanho nanométri-co podem melhorar a solubilidade, biodisponibilidade (bastante importante sobretudo para compostos com baixa solubilidade em matrizes aquosas) e aspetos sensoriais desses compostos, assim como permitir que estes sejam libertados de uma forma controlada. Este comportamento está não só associado com a razão elevada entre área superficial e volume, característica destes sistemas, mas também com as interações físico-químicas entre materiais à nano-escala que influenciam as suas proprie-dades finais (ex. permitem um aumento das forças de adesão à mucosa intestinal, aumentando o tempo de permanência no in-23tecno hospital 59SET /OUT 2013Nanotecnologia na Saúdetestino e, com isso, a sua biodisponibilidade) (Weiss et al. 2006; Chaudhry et al. 2010; Acosta 2009).SEGURANÇA DOS MATERIAIS NA INDÚSTRIA  ALIMENTARNo entanto, na indústria alimentar a legislação aplicada é muito rigorosa, exigindo que todos os materiais utilizados sejam con-siderados seguros para consumo humano (i.e., com o estatuto GRAS - Generally Recognized as Safe). Sendo assim, um dos grandes desafios para a utilização de nanossistemas para apli-cações alimentares é a utilização de materiais com o estatuto GRAS e que permitam o desenvolvimento de sistemas com a funcionalidade desejada. Alguns dos materiais utilizados para alcançar esse objetivo são polissacarídeos, proteínas e lípidos, encontrados em muitos alimentos e que devido à sua biodegra-dabilidade e não toxicidade, podem ser utilizados para cons-truir sistemas à nano-escala. Estes nanossistemas podem ser classificados de acordo com os materiais usados no seu fabrico, método de produção (ex. bottom-up ou top-down), forças pre-dominantes do sistema (ex. eletrostáticas, ligações de hidrogé-nio), propriedades do sistema (ex. propriedades mecânicas ou óticas) e energia livre associada ao sistema (ex. sistema estável do ponto de vista termodinâmico ou cinético) (Morris 2010; Sil-va et al. 2012). Nos últimos anos têm-se desenvolvido diversos nanossistemas através da combinação de diferentes formas de produção, da mistura de materiais e da utilização de forças du-rante o processo de produção por forma a alcançar as funciona-lidades desejadas (Yu et al. 2006, Hu et al. 2008; Lertsutthiwong et al. 2008; Choi et al. 2011).Por exemplo, os autores Zimet e Livney (2009) verificaram que os ácidos gordos polinsaturados podem encapsular-se em na-nohidrogéis compostos por β-lactoglobulina e pectina, e que este nanossistema é estável e capaz de proteger o DHA (ácido docosa-hexaenóico) contra a oxidação. Outro dos exemplos são as nanoemulsões produzidas pelo nosso grupo (Silva et al., 2011) contendo β-caroteno usando a técnica de emulsificação-evapo-ração. Estas nanoemulsões mostraram boa estabilidade durante o armazenamento e uma vez que a sua produção não recorre ao uso de um homogeneizador de alta pressão, esta metodologia aparece como uma alternativa de baixo custo para a produção de nanoemulsões de β-caroteno pela indústria alimentar. Desta forma, a encapsulação de compostos bioativos ou in-gredientes que promovem a saúde (nutracêuticos), tais como vitaminas, péptidos bioativos e antioxidantes em nanossistemas e a sua posterior incorporação em sistemas alimentares é uma forma simples de desenvolver alimentos funcionais. Contudo, a eficácia dos ingredientes funcionais depende da preservação da sua biodisponibilidade. A biodisponibilidade e consequente-mente os potenciais benefícios para a saúde humana dos com-postos bioativos podem ser comprometidos pelo insuficiente tempo de residência no trato gastrointestinal, pela sua baixa permeabilidade e/ou solubilidade, assim como pela sua instabi-lidade quando submetidos às condições encontradas durante o processamento alimentar ou no trato gastrointestinal (Leonard, 2000). A avaliação do comportamento dos nanossistemas face a dife-rentes condições (ex. pH, temperatura e força iónica) no trato gastrointestinal, assim como do destino dos compostos bioa-tivos encapsulados é bastante importante para otimizar a bio-disponibilidade destes compostos e para assegurar a sua fun-cionalidade e segurança quando usados para consumo humano (McClements e Xiau, 2011). Nos últimos anos, têm-se utilizado diferentes modelos de digestão in vitro para estudar o compor-tamento físico-químico das nanoestruturas no trato gastroin-testinal. O nosso grupo construiu recentemente um sistema gastrointestinal dinâmico que simula os principais eventos que ocorrem durante um processo de digestão e consiste em qua-tro compartimentos, o estômago, o duodeno, o jejuno e o íleo (Figura 1). Figura 1 - Sistema gastrointestinal dinâmico: (A) compartimento gástrico, (B) com-partimento duodenal, (C) compartimento jejunal, (D) compartimento ileal, (E) ca-misa de vidro, (F) parede flexível, (G) elétrodos de pH, (H) bombas de seringa, (I) membranas de fibras ocas, (J) banho de água, (K) bombas peristálticas, (L) controla-dores das bombas, (M) recolha dos filtrados do jejuno e do íleo e da fração do íleo que não é filtrada. dossiê24 tecno hospital 59 SET /OUT  2013Demonstrou-se em estudos recentes que o comportamento de nanoemulsões no trato intestinal pode ser alterado pe-las suas características iniciais, tais como tamanho, tipo de emulsificante e óleos usados. Em geral, a taxa e a extensão da digestão dos lípidos aumenta com a diminuição do diâmetro das partículas das emulsões, o que está relacionado com o aumento da área superficial dos lípidos exposta à ação das lipases. Para além disso, a biodisponibilidade dos compostos bioativos também aumenta com a diminuição do tamanho das emul-sões, uma vez que as emulsões de maior tamanho apresentam uma maior quanti-dade de óleo não digerido, que faz com que o composto bioativo fique retido na emulsão (Salvia-Trujillo et al., 2013). Re-centemente, num trabalho desenvolvi-do pelo nosso grupo, foram produzidas nanoemulsões contendo curcumina (um composto bioativo para o qual está re-portada uma vasta gama de proprieda-des funcionais – antioxidantes, anti-infla-matórias e anticancerígenas), que foram estabilizadas usando diferentes emulsifi-cantes. Neste trabalho verificou-se que a carga do emulsificante tem um papel significativo na digestão dos lípidos e na biodisponibilidade deste composto (Figura 2), uma vez que o emulsificante altera a capacidade dos sais biliares e da lipase se adsorverem à superfície das emulsões (Pinheiro et al., 2013). Outros autores avaliaram o comportamento de nanopartículas poliméricas contendo luteína (composto bioativo com proprie-dades antioxidantes e oftalmoprotecto-ras) no trato intestinal in vitro e in vivo, usando micelas mistas como controlo (Arunkumar et al., 2013). Estes autores verificaram que a biodisponibilidade da luteína nas nanopartículas é significati-vamente maior do que para o controlo e que os níveis de luteína no plasma, fí-gado e olhos dos ratos alimentados com luteína nanoencapsulada são significati-vamente superiores comparativamente com o controlo.Figura 2 - Influência do tipo de emulsificante na morfologia das nanoemulsões de curcumina à medida que pas-sam pelo sistema gastrointestinal in vitro. (Pinheiro et al. 2013 - Reproduced by permission of The Royal Society of Chemistry). Com base nas suas características únicas, a nanotecnologia pode resolver alguns dos problemas associados à incorporação de compostos funcionais em alimentos. Desta forma, podem desenvolver-se nanossistemas para o transporte e libertação de compostos bioativos resolvendo problemas como a compatibilidade com as matrizes alimentares (ex. agregação e separação de fases) que influencia a aparência, textura, estabilidade e sabor do produto; transporte e libertação que deve ser controlada e apenas ativada quando o sistema for consumido (i.e. muitos dos compostos bioati-vos começam a ser libertados quando misturados com o produto alimentar o que faz com que percam a sua atividade); e a perda de atividade destes compostos que pode acontecer também com a incidência de luz, presença de oxigénio e tratamento térmico. Apesar disso, o conhecimento relativamente ao destino dos nanossistemas ingeridos é ainda incipiente, sendo por isso necessário um estudo mais profundo de forma a determinar a sua segurança e produzir sistemas de transporte e liberta-ção adaptados a cada aplicação (isto é, com bioatividade maximizada). Para além disso, sendo inviável o uso de sistemas in vivo (custos elevados e restrições éticas frequentemente envolvidos), há a necessidade do uso de modelos gastrointestinais in vitro mais realistas, isto é, modelos que consigam simular com precisão os pro-cessos físico-químicos e fisiológicos complexos que ocorrem no sistema gastroin-testinal humano. Aliados a estes modelos torna-se necessária, também, a avaliação da interação desses sistemas com o trato gastrointestinal. Uma das propostas tem sido a utilização de modelos epiteliais celulares (ex. linha celular Caco-2), que se têm mostrado muito úteis para avaliar a toxicidade e permeabilidade (podendo dar indicações da adsorção e biodisponibilidade) desses novos nanossistemas (Coco et al., 2012; He et al., 2013).Os alimentos funcionais obtidos pela incorporação de compostos bioativos em na-noestruturas poderão vir a ser colocados à venda num futuro próximo. No entanto, é absolutamente necessário fornecer ao consumidor elementos que lhe permitam ter 25tecno hospital 59SET /OUT 2013Nanotecnologia na Saúde“Os alimentos funcionais obtidos pela incorporação de compostos bioativos em nanoestruturas poderão vir a ser colocados à venda num futuro próximo ”um conhecimento adequado das vantagens e cuidados asso-ciados à sua utilização. De facto, apesar dos grandes avanços feitos no que concerne à caracterização e avaliação em sistemas in vitro, é necessário que estes modelos sejam validados in vivo como forma a dar resposta às precauções e receios dos consu-midores e legisladores.AGRADECIMENTOSO autor Miguel A. Cerqueira agradece à Fundação para a Ciên-cia e Tecnologia (FCT, POPH-QREN e FSE Portugal) a bolsa con-cedida (SFRH/BPD/72753/2010).REFERÊNCIAS ¬ Acosta E (2009) Bioavailability of nanoparticles in nutrient and nutraceutical delivery. Curr. Opin. 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Tem dedicado a sua atividade de investigação a temas relacionados com nanotecnologia aplicada a sistemas alimentares, mais concretamente ao desenvolvimento de nanoestruturas para incorporação e libertação de compostos funcionais e à avaliação do comportamento destas nanoestruturas in vitro (i.e. quando submetidas a um processo de digestão num sistema gastrointestinal modelo).António Vicente é Engenheiro Alimentar pela Escola Superior de Biotecnologia da Universidade Católica Portuguesa, no Porto, Doutor em Engenharia Química e Biológica pela Universidade do Minho e Agregado em Engenharia Química e Biológica pela Universidade do Minho.Tem estado envolvido em vários projetos de investigação nacionais e internacionais, juntamente com parceiros industriais, como participante e coordenador. É Professor Associado com Agregação e Investigador no Departamento de Engenharia Biológica da Universidade do Minho.Miguel Ângelo Cerqueira  é licenciado em Engenharia Biológica pela Universidade do Minho e possui o Doutoramento em Engenharia Química e Biológica pela Universidade do Minho. Atualmente é investigador de Pós-Doutoramento no Centro de Engenharia Biológica da Universidade do Minho. Tem dedicado a sua atividade de investigação ao desenvolvimento de novos produtos para a indústria alimentar, nomeadamente revestimentos comestíveis para a conservação de alimentos e micro e na-noestruturas para incorporação de compostos funcionais e sua libertação controlada em sistemas alimentares.  ¬ Coco R, Plapied L, Pourcelle V, Jérôme C, Brayden DJ, Schneider Y-J, Préat V (2012) Drug delivery to inflamed colon by nanoparticles: comparison of different strategies. 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