RECUBRIMIENTOS COMESTIBLES CON MATERIALES MICRO/NANOESTRUCTURADOS PARA LA CONSERVACIÓN DE FRUTAS Y VERDURAS: UNA REVISIÓN

Los recubrimientos comestibles para frutas y verduras han logrado prolongar la vida útil de los alimentos postcosecha, dichos recubrimientos a base polisacáridos o proteínas, que incorporan en su formulación lípidos y plastificantes, sirven de barrera para intercambio gaseoso, protegen a los alimentos debido a sus propiedades mecánicas, reducen pérdidas nutricionales y organolépticas, no alteran la composición fisicoquímica y adicionan protección antimicrobiana. Actualmente, los recubrimientos comestibles están formados a base de compuestos bifásicos o trifásicos combinados en una matriz polimérica que potencializan, funcionalizan o adicionan nuevas propiedades al recubrimiento, que vinculado al uso de la nanotecnología en la industria alimentaria han permitido obtener nuevos recubrimientos comestibles, incorporando a la matriz polimérica compuestos antimicrobianos, antioxidantes y con potencial bioactivo. Adicionalmente, el uso de métodos de homogenización como microfluidización y ultrasonicación permiten obtener nanoemulsiones con tamaño de gota nanométrica y uniformes, brindando al recubrimiento nuevas características que en conjunto con el uso del electrospinning (electrohilado), como método físico de aplicación del recubrimiento, se puede obtener nanofibras con alto potencial para el control microbiológico, organoléptico y nutricional, aplicable para la conservación de frutas y verduras. Este artículo revisa el uso de algunas innovaciones en recubrimientos comestibles con material nanoestructurado para la conservación de frutas y verduras.

Edible coatings as a postharvest preservation technique for fruits and vegetables, is considered safe and ecological, which offers advantages for the preservation and shelf life of food. Edible coatings based on polysaccharides or proteins, which incorporate lipids and plasticizers in their formulation, serve as a barrier for gas exchange, protect foods due to their mechanical properties, reduce nutritional and organoleptic losses, do not alter the physical-chemical composition and add antimicrobial protection. Currently, edible coatings are made of biphasic or triphasic compounds, combined in a polymeric matrix, which potentiate, functionalize or add new properties to coatings, which together with the use of nanotechnology in the food industry have allowed to obtain new coatings edible, incorporating antimicrobial, antioxidant and bioactive potential compounds into the polymeric matrix. Additionally, the use of homogenization methods such as microfluidization and ultrasonication allow to obtain nanoemulsions with a uniform and nanometric droplet size, providing the coating with new characteristics, used with electrospinning as a physical method of coating application, is possible to obtain nanofibers with high potential for microbiological, organoleptic and nutritional control, useful to preserve fruits and vegetables. This article reviews some development at nanotechnology innovations.

El cambio de preferencias de los consumidores ha provocado que las frutas y verduras tomen importancia en su dieta. La Organización Mundial de la Salud sugiere el consumo mínimo diario de 400 g entre frutas y verduras, que contribuirán a la prevención de enfermedades crónicas, deficiencias de micronutrientes y riegos asociados con la obesidad y prevención de cáncer (Freire et al., 2014; González, 2018; INEC, 2012). En el Ecuador, el consumo aproximado de frutas y verduras es de 183 g al día (INEC, 2012), a pesar que las frutas y verduras pueden poseer minerales, vitamina C, proteínas, antioxidantes, flavonoides, carotenoides y demás compuestos que contribuyen a la nutrición y salud de las personas (Brasil & Siddiqui, 2018).

Las frutas y verduras son cultivos susceptibles a daños mecánicos y microbiológicos, con pérdidas entre el 40 al 50 % durante el periodo de conservación y almacenamiento postcosecha (Singh & Sharma, 2018). Los daños mecánicos y podredumbres ocasionados por microrganismos, limitan su tiempo de vida útil. Su alto contenido de humedad (70 % - 95 % de agua), su tasa de respiración y textura favorecen al crecimiento y desarrollo de microorganismos como Alternaria, Aspergillus, Colletotrichum, Penicillium, Rhizopus, Mucor, Sclerotinia, Erwinia y Pseudomonas (Sharma, Singh, & Singh, 2009; Singh & Sharma, 2018).

Para combatir las pérdidas, se aplica fungicidas químicos de síntesis, pero su residualidad, resistencia del patógeno, impacto ambiental y afecciones al consumidor, restringen su uso (Bettiol, 2006; Brasil & Siddiqui, 2018). Ante esto, surge la necesidad del uso de recubrimientos comestibles que conserven la calidad de las frutas y verduras, permitan la incorporación en la matriz polimérica de antioxidantes, aromatizantes, colorantes, inhibidores de crecimiento, compuestos antimicrobianos, sirvan de barrera contra la humedad e intercambio gaseoso, proporcionen brillo a los productos recubiertos y en cierta medida pueden reemplazar a los plásticos tradicionales de embalaje, por ser compuestos biodegradables, disminuyendo el problema de la generación de residuos (Kumar & Bhatnagar, 2018; Valencia-Chamorro, Palou, Delŕio & Pérez-Gago, 2011).

Recubrimientos comestibles

Los recubrimientos comestibles son capas delgadas elaboradas a parir de diferentes tipos de materiales poliméricos, aplicados de forma directa sobre el alimento (De Ancos, González-Peña, Colina-Coca, & Sánchez-Moreno, 2015). Esta aplicación superficial se realiza de forma tradicional por métodos de inmersión, rociándolos directamente o cepillándolos con polímeros considerados como seguros (GRAS) por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés) y que cumplen con las regulaciones establecidas para el alimento (Dhall, 2013; Valencia-Chamorro et al., 2011).

El uso del término recubrimiento comestible data desde el siglo XII donde se preservaban naranjas y limones mediante recubrimientos a base de cera en China (Ciolacu, Nicolau, & Hoorfar, 2013). En la década de 1930, el uso de cera y agua, aplicados en frutas era común, con la finalidad de aumentar el brillo y color (Kumar & Bhatnagar, 2018).

En la actualidad, el uso de los recubrimientos comestibles es muy amplio y sirven como barrera contra el agua, humedad, O2 y CO2, evitan pérdidas de peso y conservan la calidad nutricional y organoléptica del alimento (Khorram, Ramezanian, & Hashem, 2017; Nawab, Alam, & Hasnain, 2017; Sucheta, Chaturvedi, Sharma, & Kumar, 2019). Además, reducen la tasa de respiración y disminuyen la producción de etileno, debido a que evitan el intercambio gaseoso, lo que provoca que las frutas y verduras cambien a una respiración anaeróbica parcial utilizando 1-3 % oxígeno. Con menos oxígeno la producción de etileno se interrumpe y las frutos conservarán su firmeza, frescura y permitirá extender el tiempo de vida útil de la fruta o vegetal (Farina et al., 2020; Muthmainnah, Suratman, & Solichatun, 2019; Valencia-Chamorro et al., 2011). Además, permite controlar el pardeamiento y oxidación de la fruta (Feng et al., 2018) y ayudan al control e inhibición de microorganismos patógenos (Li et al., 2019; Medina et al., 2019; Ramadan & Moersel, 2009).

Recubrimientos comestibles en la actualidad

Los biopolímeros usados para la elaboración de los recubrimientos comestibles son de diversos tipos, los cuales se pueden clasificar en tres grupos: hidrocoloides, lípidos y mezclas bifásicas y trifásicas.

Hidrocoloides. - son polímeros hidrofílicos de origen animal, vegetal o sintético. Poseen un grupo hidroxilo y pueden ser poli-electrolitos (De Ancos et al., 2015; Raghav, Agarwal, Saini, Vidhyapeeth, & Vidhyapeeth, 2016). Su uso proporciona buenas propiedades mecánicas, sirven de barrera para el O2 y CO2, ayudan a la estabilidad debido a que son gelificantes o espesantes, aumentando la viscosidad de la fase continua y reduciendo el movimiento cinético que permite bajar la tasa de floculación y coalescencia del recubrimiento (Dhanapal, Rajamani, & Banu, 2012). Los principales hidrocoloides pueden ser: polisacáridos como la celulosa, almidón, quitosano, alginatos, carragenatos, gelanos y pectinas de frutas; proteínas de origen animal como gelatinas, caseínas, albúminas o suero de leche; o de origen vegetal como la zeina y soja.

Lípidos.- debido a su propiedad hidrofóbica, los recubrimientos a base de lípidos son buenas barreras para la pérdida de agua y humedad y proporcionan brillo al alimento recubierto (Dhall, 2013; Dhanapal et al., 2012).

Mezclas.- Esta película debe ser heterogénea y se la aplica en forma de emulsión, suspensión o dispersión y su método de aplicación afecta a las propiedades de barreras que se desea obtener (Dhanapal et al., 2012; Khin, Zhou, & Perera, 2005).

Uno de los principales compuestos usados en la elaboración de recubrimientos comestibles bifásicos o trifásicos es el quitosano, debido a que posee naturaleza policatiónica, puede utilizarse para la incorporación y liberación lenta de componentes activos (González-Saucedo et al., 2019; Reyes-Avalos et al., 2019). Además, posee biocompatibilidad con compuestos como almidones y plastificantes (eugenol) obteniendo películas transparentes, incoloras y con flexibilidad, como resultado de la interacción y dispersión del eugenol en la matriz polimérica formada (Figura 1a), produciendo recubrimientos comestibles biodegradables con efecto antimicrobiano en el crecimiento de E. coli y S. aureus, con inhibición en el crecimiento de organismos que se encontraban en contacto directo con los sitios activos del quitosano (Figura 1b) (Zheng et al., 2019). Además, estos recubrimientos presentan características antioxidantes y estructurales y su aplicación como recubrimiento comestible es muy amplio, a pesar que poseen una permeabilidad selectiva a gases (CO2 y O2) y vapor de agua (Crini & Hatchett, 2019; Elsabee & Abdou, 2013; Muthmainnah et al., 2019); potencialmente se usa en frutas y verduras como: fresas, pepinos, pimientos, manzanas, duraznos, peras, plátanos, mangos y otros frutos y verduras de alta susceptibilidad (Dhall, 2013). Su uso no se limita a ser barrera permeable del CO2 u O2, debido a que permite la retención de compuestos volátiles como hexanal, octanal y 1-octen-3-ol (Elsabee & Abdou, 2013; Yu et al., 2017). Su actividad antimicrobiana, le permite inhibir el crecimiento de E. coli y S. aureus (Bonilla & Sobral, 2016; Mokhtari-Hosseini, Hatamian-Zarmi, Mohammadnejad, & Ebrahimi-Hosseinzadeh, 2018), Botrytis cinérea (Badawy, Rabea, El-Nouby, Ismail, & Taktak, 2017), Pseudomonas y Ganoderma tsugaue (Singh, Shitiz, & Singh, 2017), Rhizoctonia solani, Fusarium oxysporum, Collectotrichum acutatum y Phytophthora infestans en vegetales (Divya, Vijayan, & Jisha, 2018).

Figura 1
Membrana comestible a base de Quitosano- almidón de bellota y eugenol: a) Membrana comestible, y b) efecto antifúngico (S. aureus y E.coli) (Zheng et al., 2019)

Otro polisacárido utilizado ampliamente en la elaboración de recubrimientos comestibles son las gomas, debido a su alta capacidad de hidratarse en presencia de agua, formar geles y sistemas de emulsiones estables, característica obtenida por su alta viscosidad (Kumar & Dubey, 2020; Tahir et al., 2019). Los recubrimientos se caracterizan por ser sostenibles, biodegrabables y bioseguros, debido a que son químicamente inertes, de bajo costo, no presenta toxicidad, son inodoras y de fácil disponibilidad (Alizadeh-Sani, Ehsani, Moghaddas, & Khezerlou, 2019).

El uso de recubrimientos a base de goma arábica, se ha demostrado al usar cantidades desde el 10 % (p/p) de esta goma, aplicadas en mangos, donde su uso redujo la pérdida de peso, retardó el incremento de sólidos solubles totales e incrementan el contenido de β carotenoides, extendiendo el tiempo vida útil de la fruta hasta en 15 días (Lelgut, Masani, Matofari, & Mulwa, 2020). Además, se han obtenido efectos antifúngicos contra Bacillus cereus y E. coli al aplicar quitosano-goma guar- proteína (Dhumal, Pal, & Sarkar, 2019). Por lo que, su uso como barrera comestible se está aplicando en frutas con la finalidad de extender su vida útil sin producir cambios en las propiedades organolépticas ni nutricionales de los alimentos recubiertos (Phuoc, Thinh, Van, Thanh, & Kim, 2019). Pero, pueden tener un efecto visual significativo dependiendo de los compuestos que conforman la matriz. La membrana puede tomar coloraciones distintas (Figura 2) que pueden ser usadas dependiendo de la fruta o verdura que la que se le desee aplicar (Dhumal et al., 2019).

Figura 2.
Pictograma de las membranas comestibles trifásicas a base de quitosano-goma guar- otros compuestos: a) sin aceite esencial, b) eugenol (0,5 %), c) carvacrol (0,75 %), d) citral (1,0 %), e) eugenol (0,5 %)- carvacrol (0,75 %), f) carvacrol (0,75 %)-citral (1,0 %), g) eugenol (0,5 %)-citral (1,0 %) y h) eugenol (0,5 %)-carvacrol (0,75 %)- citral (1,0 %) (Dhumal et al., 2019)

En cuanto, al uso de recubrimientos comestibles a base a proteína, sirven como barreras para el CO2, O2 y lípidos. Además, proporcionan protección contra la perdida de humedad, aroma y mantienen la integridad del alimento debido a su resistencia mecánica en uso en manzanas, peras, fresas, kiwi, zanahorias, tomates, pimientos, papas y zucchini (Ciolacu et al., 2013; N. Kumar & Dubey, 2020).

La eficiencia de estos recubrimiento se basa en la interacción de cadena-cadena de la proteína, es así que proteínas con cadenas largas con mayor interacción producen recubrimientos con alta resistencia mecánica y poca permeabilidad a vapores, líquidos y gases (Hassan, Chatha, Hussain, Zia, & Akhtar, 2018). Por lo tanto, se han estudiado diferentes tipos de proteínas, tanto de origen vegetal como la zeína de maíz, que se caracteriza por formar películas transparentes con alta adherencia, que no afecta al color y brindan brillo al alimento, son termoplásticas e insolubles en agua, soluble en etanol al 70-80 %, resisten al ataque bacteriano y son excelentes barreras para el intercambio gaseoso en especialmente del O2 a temperaturas entre 7 y 35 °C (Hassan et al., 2018; N. Kumar & Dubey, 2020; Mohamed, El-Sakhawy, & El-Sakhawy, 2020; Raghav et al., 2016). Inhibe el crecimiento de bacterias gram positivas como Listeria monocytogenes (Gao et al., 2017). Su uso en combinación con almidón de maíz, poseen mayor espesor, resistencia al alargamiento, no afectan al color del alimento y poseen capacidad antioxidante (Zuo, Song, Chen, & Shen, 2019). Permite extender el tiempo de vida útil de tomates, mangos, peras y manzanas sin alteración a sus propiedades organolépticas, debido a la inhibición microorganismo aerobios y reducción de cambios oxidativos (Arcan, Boyacı, & Yemenicioğlu, 2017).

Además, se ha reportado el uso de gluten de trigo en combinación con glicerol o sorbitol, que permiten extender el tiempo de vida útil de tomates por 20 días, debido a su eficiencia como barrera en el intercambio gaseoso de CO2 y O2 y control e inhibición enzimática (Nawab et al., 2017). Otra proteína utilizada comúnmente son las gelatinas, donde membranas a partir de gelatina han sido estudiadas como barrera en contra de la migración de O2, luz y aceite (Espino-Manzano et al., 2020; Ramziia, Ma, Yao, Wei, & Huang, 2018). Su aplicación es limitada debido a su baja protección al vapor de agua. Además, por razones sociales y de salud, el uso de gelatinas de origen bovinas y porcinas es limitado, ante esto, surge como alternativa el uso de gelatina de origen marino, permitiendo obtener membranas con mayor resistencia al alargamiento, alta solubilidad en el agua y permeabilidad a la humedad (Sabbah et al., 2018).

Se debe considerar que el contenido de proteína afecta al espesor del recubrimiento. A mayor concentración de proteína mayor es el espesor; y con ello, mayores son sus propiedades mecánicas como resistencia a la tracción y alargamiento, pero su permeabilidad al vapor de agua disminuye (Mohamed et al., 2020). Para evitar esta deficiencia, se han usado membranas a base de quitosano con gelatina de pescado e incorporando agentes antimicrobianos como la procianidina, con el fin de usarlo como una alternativa de empaque activo y extender el tiempo de vida en anaquel de los alimentos (Ramziia et al., 2018). Además, el uso conjunto de gelatina y zeína han permitido encapsular compuestos polifenólicos con una conservación del 88 % del antioxidante, lo que permite su potencial uso en diferentes tipos de frutas y vegetales (Torkamani, Syahariza, Norziah, Wan, & Juliano, 2018).

En cuanto al uso de lípidos en recubrimientos comestibles, se debe considerar que los lípidos no forman películas cohesivas independientes, debido a su baja capacidad de resistencia mecánica (Henriques, Gomes, & Pereira, 2016). Por lo que surge la necesidad de incluir proteínas y polisacáridos en las matrices de los recubrimientos con el fin de proporcionar brillo, evitar la migración de humedad y reducir la permeabilidad al agua, por su naturaleza apolar (Henriques et al., 2016; Kumar & Dubey, 2020; Mohamed et al., 2020).

En recubrimientos comestibles se usa comúnmente ceras (cera de abeja, carnauba, candelilla, parafinas); resinas (shellac), aceites, ácidos grasos, triglicéridos y tensoactivos (Ciolacu et al., 2013; Mohamed et al., 2020).

Por último se debe considerar que al incorporar aceites esenciales en la matriz polimérica de los recubrimientos, se ha obtenido actividad antimicrobiana, asociada a la presencia de compuestos volátiles, en especial a los terpenos, terpenoides y compuestos aromáticos (Mohamed et al., 2020).

El uso de los aceites esenciales en los recubrimientos comestibles pueden tener influencia en el sabor del producto, tiempo de vida útil y beneficios antimicrobianos dependiendo del tipo de aceite que se use, el método de aplicación y cantidad que de aceite que se incorpore a la emulsión (De Souza, Lundgren, De Oliveira, Berger, & Magnani, 2019; Ju et al., 2019).

Usos recientes de aceites esenciales en recubrimientos comestibles se presentan a continuación: al usar aceite de menta (Mentha arvenis) y gelatina, se obtiene recubrimientos con mayor grosor, opacos y con propiedades mecánicas y de barrera modificadas, estables térmicamente y con efecto antifúngico sobre Botrytis cinérea y Rhizopus stolonifer (Scartazzini et al., 2019), al usar aceite de tomillo, encapsulado con lecitina, en emulsiones de almidón-gelatina, aplicado como recubrimiento en manzanas se reduce la incidencia de alternaría alternata y Botrytis cinérea (Sapper, Talens, & Chiralt, 2019), emulsiones formadas por quitosano enriquecido con Zataria multiflora Boiss y Bunium persicum boiss inhiben el crecimiento de Listeria monocytogenes, Pseudomonas spp, Enterobacteriaceae, mohos y levaduras (Keykhosravy, Khanzadi, Hashemi, & Azizzadeh, 2020), en fresas recubrimientos comestibles a base a pectina, celulosa y aceite esencial de lemongrass (Cympopogon citratus) son mostradas como buenas barreras al agua y humedad, permiten mantener la textura y propiedades físicas y químicas de la fresa durante ocho días de almacenamiento (Vieira et al., 2019). Además, el uso de alginato y aceites de orégano y tomillo pueden ser aplicados en papaya fresca cortada (Tabassum & Ali, 2020), mientras que como fruta fresca, el uso de recubrimientos a base de almidón de yuca (Manihot esculenta) con aceite esencial de clavo de olor (Syzygium aromaticum) permiten una conservación de la papaya sin cambios físico-químicos (Santos et al., 2020)

Innovación en la aplicación de los recubrimientos comestibles

Un recubrimiento comestible tiene funcionalidad y efectividad cuando tiene la capacidad de adherirse completamente al producto donde es aplicado. Esto dependerá del método de aplicación del recubrimiento, la capacidad de adherencia, la difusión de compuestos, peso, hidrofobicidad y polaridad de los compuestos e interacción en las matrices de las recubrimientos (Ciolacu et al., 2013; Kumar & Dubey, 2020; Mohamed et al., 2020; Raghav et al., 2016).

Conocer la forma de aplicación de los recubrimientos es necesario para entender su aplicabilidad y potenciales uso, es así que se pueden aplicar recubrimientos comestibles por métodos de inmersión, cepillado, extrusión y pulverización (Raghav et al., 2016).

Con el avance de la nanotecnología, los recubrimientos comestibles se innovaron con el uso de nanoemulsiones conformadas con nanopartículas que proporcionan nuevas características y propiedades a los recubrimientos (Kumar & Dubey, 2020). La nanotecnología a través de la nanoestructura permite que los recubrimientos puedan ser caracterizados y fabricados a base de estructuras biológicas y no biológicas con tamaños inferiores a los 100 nm, permitiendo el manejo de materiales con dimensiones a escala nanométrica, logrando incorporar metales micro y nano estructurados a la matriz polimérica, lo que brinda que las películas mejoren sus propiedades de barrera, fotodegradación y aumenten su actividad antimicrobiana (Solano-Doblado, Alamilla-Beltrán, & Jiménez-Martínez, 2018) Esto permite la incorporación de metales nanoestructurados como el óxido de zinc, cobre y titanio a recubrimientos y películas. Estos metales son usados debido a sus características de acarrear de oxígeno y oxidación del etileno, lo que permite extender el tiempo de vida útil de frutas y verduras (Solano-Doblado et al., 2018).

El uso de dióxido de titanio (TiO2) incorporado a recubrimientos a base de quitosano, ha permitido obtener recubrimientos con reducida rugosidad, estabilidad térmica y con efectos inhibidores ante el crecimiento de E. coli y S. Aureus, esto se debe a los efectos sinérgicos que presentan los aminocationes que contiene el quitosano que conjunto con las especies reactivas de oxígeno que son producidas por el TiO2, actúan sobre la superficie de las células bacterianas, atacando a las membrana externa de microorganismo, provocando daño al ADN, procesos de transporte, oxidación o destrucción microbiana (Xing, Li, et al., 2020). Un efecto similar se observa en el trabajo de Xing, Yang et al. (2020), donde mangos recubiertos de quitosano con TiO2 modificado por medio de laurato de sodio, permite la reducción del 14,49 % del daño ocasionado por descomposición de la fruta, reduce la tasa de respiración y su pico aparece cinco días después. Esto permitió que la fruta mantenga su composición nutricional, disminuya perdidas de fenoles y flavonoides, prolongando el tiempo de vida útil de los mangos hasta en 15 días a conservación de 13 ºC (Xing, et al., 2020).

Otro de los metales nano estructurados usado para la elaboración de recubrimientos comestibles es el óxido de zinc (ZnO), que en recubrimientos comestibles a base de quitosano o alginato permite prolongar el tiempo de vida útil de guayabas de 7 días a 20 días, inhibe la aparición de pudrición por efecto microbiano, no afecta la coloración externa y permite conservar la calidad de fruta durante el almacenamiento postcosecha (Jarma et al., 2020). Esto se debe a que el ZnO mejora las propiedades mecánicas y de barrera de vapor de agua de los biopolímeros, creando una atmósfera modificada entre la fruta y el recubrimiento, que reduce la tasa de respiración y transpiración de la fruta, evitando el intercambio gaseoso y prolongando el tiempo de vida útil de la misma (Jarma et al., 2020).

Por otro lado, el uso de nanoemulsiones a base de caseinato de sodio y aceite esencial de jengibre, brindan un control antimicrobiano, actividad antioxidante, mayor durabilidad, flexibilidad y resistencia mecánica, debido a que la homogenización de la matriz polimérica se obtiene a través de ultrasonicación, lo que reducen el tamaño de gota de la emulsión (Noori, Zeynali, & Almasi, 2018). En manzanas fuji los recubrimientos a base de nanoemulsiones de alginato de sodio y aceite esencial de lemongrass (C. citratus), reducen la tasa de respiración y producción de etileno de la fruta, inhiben el crecimiento de E. coli, mantienen la calidad nutricional y organoléptica de las frutas frescas cortadas, efecto que se logra debido a que el tamaño de gota se reduce de 1775 a 494 nm disminuyendo el contenido de aceite utilizado de 1 % a 0,1 %, lo que provoca que la emulsión sea uniforme y se pueda aplicar de forma homogénea en toda la fruta cortada (Salvia-Trujillo, Rojas-Graü, Soliva-Fortuny, & Martín-Belloso, 2015). Efectos antimicrobianos similares se observa en recubrimientos a partir de nanoemulsiones de proteína de quinua, quitosano y timol, donde fresas recubiertas y almacenadas a refrigeración, extienden su vida útil y microbiológica a 16 días (Robledo, López, Bunger, Tapia, & Abugoch, 2018). En frutas tropicales como la piña para evitar su maduración y cambios se color se elaboró un recubrimiento a partir de la nanoemulsion de alginato de sodio, citral como agente antibacterial, aceite de sésamo; evitando los cambios de color en la maduración, reduciendo tasas de respiración y un control en el crecimiento de Salmonella entérica y L. monocytogenes (Prakash, Baskaran, & Vadivel, 2020).

Para la elaboración de estas nanoemulsiones es necesario el uso de nuevas tecnologías que permiten la formulación, homogenización y estabilidad de las matrices, entre las cuales se utilizan microfluidización, homogenización a altas presiones y ultrasonicación que permiten una mayor producción, funcionalidad y capacidad bioactiva de los recubrimientos comestibles, actualmente elaborados de quitosano en su mayoría (Chaudhary, Kumar, Kumar, & Sharma, 2020).

Microfluidización y ultrasonicación

La microfluidización y ultrasonicación son procesos de homogenización que se utilizan para obtener nanoemulsiones con tamaños de gotas que se encuentran entre 30 y 600 nm, este tamaño de gota depende de diversos factores como energía suministrada, diámetro de la sonda, tiempo, fracción de volumen de la fase dispersa, viscosidad, concentración y tipo de emulsión (Páez-Hernández, Mondragón-Cortez, & Espinosa-Andrews, 2019).

La microfluidización es una técnica de homogenización que se utiliza para producir emulsiones a partir de emulsionantes de base molecular. Se caracteriza por ser eficiente en producir gotas pequeñas con distribución uniforme, para lo cual, utiliza un microfluidizador que consta de dos pasos, el primero consiste en una licuadora con alto poder de cizallamiento que forma una emulsión a base de aceite, un emulsificante y agua; mientras que el segundo paso, consiste en hacer pasar las emulsiones gruesas a través del microfluidizador utilizando presión neumática, lo que provoca que la emulsión se choque entre sí a altas velocidades, ocasionando que las fuerzas de adhesión y cohesión se vean alteradas provocando cavitación y turbulencia, dando como resultado gotas de emulsión finas (Bai et al., 2019).

Mientras que la ultrasonicación, es un proceso tecnológicamente ecológico, que se usa para la descomposición de las gotas de emulsión mediante el uso de ondas de ultrasonido de alta frecuencia. Se usa frecuentemente los 20 KHz, a esta frecuencia se proporciona a la emulsión una energía cercana a 103-105 KJ.m-3, que provoca vibración mecánica (Páez-Hernández et al., 2019). Estas ondas al transferirse por medio de la emulsión, crean fenómenos de cavitación que provocan una ruptura de las gotas, ya sea por efecto del campo acústico o provocado por el colapso asimétrico de la cavidad (Figura 3), produciendo la ruptura y dispersión de la gotitas en fase continua, dando como resultado gotas por debajo de 100 nm (Cheaburu-Yilmaz, Karasulu, & Yilmaz, 2018).

Figura 3
Ultrasonicador. Reducción del tamaño de gota de una emulsión Adaptado de: (Cheaburu-Yilmaz et al., 2018)

Por último, el uso de tecnologías limpias e innovadoras, ha abierto el camino al uso del electrospinning como tecnología amigable al ambiente y de optimización de materiales, esto se debe a la formación de nanofibras estables y biodegradables a partir de pocas volúmenes de nanoemulsión, usadas en empaques de alimentos activos que garantizan la seguridad, calidad y tiempo de vida útil de los productos (Zhang, Li, Wang, & Zhang, 2020).

Electrospinning (electrohilado)

El proceso de electrohilado o electrospinning es un proceso físico, que permite obtener membranas fibrosas, porosas y finas con tamaños medios entre 100-500 nm (Subbiah, Bhat, Tock, Parameswaran, & Ramkumar, 2005). El proceso para la obtención de fibras se la logra por medio de estiramiento coaxial de una solución o matriz polimérica, que consiste en la expulsión controlada del flujo de emulsión por medio de una jeringuilla, con aguja adecuada, mientras un delgado hilo de polímero líquido se va alargando por efecto de un campo eléctrico que es aplicado en el colector (Figura 4). En la obtención de nanofibras interviene la fuerza superficial, fuerza de repulsión coulumbica, fuerzas electrostáticas, viscosidad, gravedad y arrastre de aire (Liao, Loh, Tian, Wang, & Fane, 2018).

Figura 4
Elaboración de nanofibras a base de zeína cargada con curcumina, obtenida por método de electrohilado. Efecto antomicrobiano en la conservación de manzana (Yilmaz et al., 2016)

Las membranas producidas por electrohilado, pueden proporcionar diversas características: resistencia al trabajo mecánico, alta porosidad por efecto de las estructuras interconectadas mejora el rendimiento de las matrices del biopolímero, topografía única y diferentes propiedades químicas que dependen de la composición química de la fibra (Xue, Wu, Dai, & Xia, 2019).

Por ser una técnica muy versátil, se requiere del estudio de viscosidad, tensión superficial, conductividad del polímero y su matriz, al igual que el estudio en las condiciones de proceso donde los parámetros de voltaje, caudal, punta del colector y distancia al mismo, influyen en la calidad de la fibra a obtenerse (Melendez-Rodriguez et al., 2018). Al igual que la selección de los polímeros y elección del solvente, pueden afectar a la humectabilidad/hidrofilia de las membranas (Zhu, Zheng, Zhang, & Dai, 2020).

Su aplicación se ve en productos frutícolas como la manzana en donde se obtiene recubrimientos nanofibrosos y biodegradables a base de zeina de maíz y curcumina, que redujeron el 50 % de lesiones ocasionadas por Penicillium expansum durante su almacenamiento (Yilmaz et al., 2016). En fresas, recubrimientos aplicados por electrospinning a base a alcohol polivinílico, aceite esencial de canela y dextrinas permite fibras uniformes, homogéneas y con capacidad anti fúngica (Wen et al., 2016), efectos antifúngicos y de conservación similares se presentan al usar nanoemulsiones en base de carboximetil quitosano y polioxietileno (Figura 5), además de proporcionar alta permeabilidad al agua e intercambio gaseoso (Yue et al., 2018). Al usar ácido poliláctico, nanotubos de carbono y quitosano se obtiene mediante electrospinning películas flexibles, con resistencia mecánica, solubilidad y efectos antimicrobianos que se ha aplicado en fresas, extendiendo el tiempo de vida útil de la fruta (Liu, Wang, Lan, & Qin, 2019).

El uso de carboximetilquitosano con acetato polivinílico forma fibras con actividad antimicrobiana y permiten transpirabilidad e intercambio gaseoso que pueden ser aplicadas en bananas (Zhu, Zaarour, & Jin, 2019). Por lo que, el uso de nanofibras obtenidas mediante el electrospinning presenta un alto potencial en la elaboración de recubrimientos comestible.

Figura 5.
Efecto microbiano y de conservación de distintos recubrimientos en fresas almacenadas durante 6 días a temperatura ambiente: a) Condición inicial, b) Control, c) plástico polietileno, d) carboximetil quitosano- oxido polioxietileno (método de pintado), y e) carboximetil quitosano-oxido polioxietileno (método de electrospinning) (Yue et al., 2018)

Los recubrimientos comestibles son capas delgadas que se aplican directamente a las frutas y verduras, con la finalidad de extender su de vida útil, conservar la composición nutricional, organoléptica y sensorial del alimento. En la actualidad, son aplicados en forma de mezclas bifásicas o trifásicas, siendo los polisacáridos, lípidos y proteínas, los compuestos principales en las diversas matrices poliméricas que permiten combinar, potencializar e incorporar compuestos bioactivos a los recubrimientos. Su efectividad depende de la capacidad de adherencia, método de aplicación, interacción, estabilidad y sinergia entre los polímeros. Como resultado se obtiene recubrimientos comestibles que son considerados como ecológicos, amigables con el ambiente y seguros al consumo.

La innovación en la formulación y elaboración de recubrimientos comestibles ha logrado incorporar nuevos nanomateriales como: ZnO, TiO2, que en conjunto con los métodos de elaboración de nanoemulsiones como la ultrasonicación y microfluidización, han permitido elaborar nanoemulsiones con tamaños de gota en el orden nanométrico, que proporcionan nuevas propiedades al recubrimiento dependiendo de los compuestos que se utilicen en la matriz polimérica. Además, el uso de procesos físicos considerados como limpios, tal es el caso del electrospinning, permite la incorporación de nuevos polímeros con alto potencial para la elaboración y formulación de recubrimientos comestibles; lo que demanda continuos estudios basados en el uso de nuevos nanomateriales aptos para el consumo y compatibles con los procesos y técnicas usadas para formulación de nanoemulsiones y membranas fibrosas; que permitan el control microbiológico, organoléptico y nutricional de la fruta o verdura recubierta y, además, brinde propiedades bioactivas que permitan no solo extender el tiempo de vida útil de frutas y verduras, sino que adicionen nuevos nutrientes al alimento recubierto.