El xoconostle (Opuntia oligacantha C. F. Först) posee compuestos antioxidantes con grandes beneficios nutricionales y de salud, aunque presentan el inconveniente que al ser extraídos se degradan en un lapso de tiempo corto, perdiendo sus propiedades benéficas, por lo que surge la necesidad de protegerlos de su degradación. Por tal motivo, el objetivo de este proyecto fue encapsular en nanoemulsiones tipo w/o el extracto acuoso del xoconostle, teniendo como fase dispersante aceite esencial de naranja y como tensoactivo lecitina de soya, para posteriores aplicaciones en alimentos. Se obtuvieron las nanoemulsiones mediante emulsificación ultrasónica, utilizando diferentes proporciones de aceite/lecitina/extracto (A/L/E). Con la determinación de la cantidad de extracto que es posible encapsular y el efecto de la concentración del tensoactivo sobre el tamaño de gota, se encontró la zona de formación de la nanoemulsión en el diagrama de fases ternario; se estableció la formulación óptima mediante el método de superficie de respuesta, usando un diseño Box-Behnken, cuyas variables de respuesta fueron tamaño de gota y potencial zeta. El menor tamaño de gota obtenido fue de 31 nm con una relación A/L/E (70/10/20) y el valor de potencial zeta más elevado fue de -78 mV, con la misma formulación.
Palabras clave: xoconostle, nanoemulsiones, actividad antioxidante
The xoconostle (Opuntia oligacantha Först CF) has antioxidant compounds with nutritional and health benefits, but has the disadvantage that when the pulp has been extracted in a short period of time it lose its beneficial properties, being necessary look a way to protect the antioxidant compounds of the xoconostle for their degradation. Therefore, the main of this project was encapsulated in nanoemulsions type w/o the aqueous extract of xoconostle, having orange essential oil as dispersing phase and soy lecithin as a surfactant. Nanoemulsions were obtained by ultrasonic emulsification, using different ratios of oil / lecithin / extract. After determined the amount of extract can be encapsulated and the effect of surfactant concentration on droplet size, was found the area of formation of the nanoemulsion in the ternary phase diagram. The optimal formulation was established by response surface method using a Box-Behnken design, whose response variables were droplet size and zeta potential. The smaller droplet size obtained was 31 nm with a ratio oil / lecithin / extract of 70/10/20 and the value was higher zeta potential of -78 mV, using the same formulation.
Keywords: xoconostle, nanoemulsions, antioxidant activity
En los últimos años ha ido en aumento la demanda de alimentos funcionales, es decir, aquellos que son elaborados no sólo por sus características nutricionales, sino también para cumplir una función específica como puede ser el mejorar la salud y reducir el riesgo de contraer alguna enfermedad. A este tipo de productos se les añaden componentes biológicamente activos como minerales, vitaminas, ácidos grasos, fibra alimenticia, antioxidantes, entre otros. Algunos de estos componentes pueden ser extraídos de frutas o vegetales. En el caso de los antioxidantes, se ha reportado que el xoconostle (Opuntia oligacantha C. F. Först) es un fruto que posee un contenido elevado de estos compuestos.
Por sus propiedades benéficas, el xoconostle se ha utilizado para el tratamiento de diversas enfermedades en la medicina tradicional, como en el caso del colesterol elevado y contra la diabetes [8]; esto es atribuido al poder antioxidante que presentan algunos de sus compuestos [7], dentro de los cuales se encuentran los ácidos fenólicos, algunos flavonoides y principalmente las betalaínas.
Una forma de poder utilizar los beneficios nutricionales y de salud de algunos de sus componentes es la encapsulación, ya que de esta forma se pueden aprovechar íntegramente estos compuestos, protegiéndolos de factores que puedan llegar a afectarlos, como la presencia de oxígeno, cambio de pH, luz, etc. Son varias las técnicas que se emplean para poder encapsular agentes bioactivos, entre las más empleadas están: el secado por aspersión, extrusión, empaquetamiento por lecho fluidizado, coacervación, liposomas, liofilización, co-cristalización, emulsión, entre otras.
La problemática que existe en algunos casos es que los compuestos activos contenidos en los productos no llegan a aportar el debido beneficio al organismo por su degradación durante la elaboración, almacenamiento y/o transporte del producto o porque el cuerpo humano los destruye antes de que puedan ejercer su efecto. Con la finalidad de evitar estos inconvenientes, se han incorporado estos compuestos bioactivos en gotas muy pequeñas de tamaño nanométrico, o nanoemulsiones [12],[3]. La nanotecnología puede ayudar a mejorar la liberación, absorción y/o protección de estos ingredientes, permitiendo al compuesto realizar su beneficio en el lugar adecuado. Dicha tecnología permite lograr nanoemulsiones de tamaño de gota muy pequeño (20-500 nm) [9], que pueden ser contenedores y transportadores de moléculas con principios activos [10] y presentan mayor estabilidad que las emulsiones de tamaño de gota mayor.
Las nanoemulsiones son sistemas vesiculares en los cuales los compuestos activos son confinados a una cavidad que consiste en un núcleo interno líquido rodeado por una membrana interfacial formada por tensoactivos [1]. Son sistemas translúcidos a simple vista [4], esto las hace atractivas para el uso de productos de cuidado personal y cosméticos debido a que su transparencia se relaciona con frescura, pureza, simplicidad, humectación, etc. Además de que debido a su tamaño son fácilmente adsorbidas por la piel, por lo que son de gran interés para aplicaciones en la industria química, farmacéutica, alimenticia, etc.
Se utilizó xoconostle (Opuntia oligacantha C. F. Först) variedad 'Ulapa' obtenido del municipio de Tezontepec de Aldama, Hgo. Se utilizaron frutos en estado de madurez fisiológica (coloración media).
Para la obtención del extracto de xoconostle, primeramente se hizo una selección de los frutos con el estado de madurez fisiológico adecuado. Posteriormente fueron procesados en una licuadora industrial (Waring HGBSSSS6, Torrington, Connecticutt, USA) durante aproximadamente 3 minutos. Al producto obtenido se le adicionó un complejo enzimático Rohapect B1L (PANIPLUS S.A. de C.V., Querétaro, México) en una relación de 100 μL por cada 200 gr de extracto obtenido y se dejó en maceración en vasos de precipitado protegidos de la luz, durante 3 horas a temperatura ambiente (≈20ºC), pasado este tiempo, la muestra se colocó en un baño de hielo con la finalidad de parar la actividad enzimática, después fue filtrada utilizando papel Whatman No. 2. El producto fue almacenado en refrigeración hasta su utilización por un tiempo no mayor a 6 días para evitar procesos de fermentación [5].
La fase oleosa consistió de aceite esencial de naranja CEDROSA (Central de Drogas S.A. de C.V., Naucalpan, Estado de México, México) y como emulsificante lecitina de soya (Reactivos y Equipos para Laboratorios Reasol, D.F., México).
Las nanoemulsiones fueron obtenidas mediante emulsificación ultrasónica usando un equipo de ultrasonido Sonic Vibra Cell (Modelo VCX 130PB, Newtown, CT, E.U.A.) equipado con una sonda de sonicación de 6mm de diámetro, para la formulación se probaron diferentes proporciones: aceite/lecitina: 50, 60, 70 y extracto: 5, 10, 20. Posteriormente se les midió tamaño de gota y potencial zeta con un equipo Malvern Zetasizer (Modelo Nano-ZS2000 Malvern Instruments Ltd. Malvern, Worcestershire, U.K.). Se diseñó un diagrama de fases ternario para ubicar la zona de formación de las nanoemulsiones. Por último se realizó la optimización por metodología de superficie de respuesta utilizando un diseño Box-Behnken, mediante el software Design Expert 9.
Como puede observarse en el diagrama de fases ternario (Fig. 1), la región de formación de las nanoemulsiones, en el eje de la fase acuosa (extracto) va de 5 a 20%, en el eje de la lecitina de soya va de 10 a 40 % y en el eje del aceite va de 50 a 70%.
La determinación de la zona de formación, nos dice que concentración usar de cada uno de los componentes de la nanoemulsión, dependiendo del tamaño de gota deseado.
Fig. 1 Diagrama de fases ternario de la zona de formación de las nanoemulsiones.
Figura 2.- Superficie de respuesta 3D que muestra el efecto de la concentración de lecitina y aceite sobre el tamaño de gota.
Figura 3.- Superficie de respuesta 3D que muestra el efecto de la concentración de extracto y aceite sobre el tamaño de gota.
Al incrementar la concentración de tensoactivo, la tensión superficial disminuye y por lo tanto también disminuye el tamaño de las gotas [11], esto se puede observar en la Fig. 2, aunque a concentraciones superiores a 20% de lecitina, se obtuvieron tamaños más grandes, esto debido a que se formó un precipitado en las nanoemulsiones debido al exceso de tensoactivo. En la Fig. 3 se observa que la concentración de extracto no influye significativamente en el tamaño de las nanoemulsiones y que a concentraciones superiores de aceite se obtienen tamaños de gota menores.
Una ventaja del método empleado para obtener las nanoemulsiones, es que el pequeño tamaño de las gotas está en función de la composición de la formulación. Lo cual significa que el tamaño de las gotas de las nanoemulsiones puede ser establecido mediante el diseño de la formulación [2].
Figura 4. Superficie de respuesta 3D que muestra el efecto de la concentración de lecitina y aceite sobre el potencial zeta.
Figura 5. Superficie de respuesta 3D que muestra el efecto de la concentración de extracto y aceite sobre el potencial zeta.
Como se puede ver en la Fig. 4, la concentración de lecitina no influye directamente en el valor de potencial zeta, mientras que la concentración de aceite en ambas figuras (4 y 5) se observa que es significativa, ya que a mayor concentración de aceite se obtuvieron valores más altos de potencial zeta, de igual manera, a mayor concentración de extracto se eleva el valor de potencial zeta. Con lo que se obtienen nanoemulsiones con una estabilidad considerable.
La emulsificación ultrasónica es un método eficiente para disminuir el tamaño de gota y obtener las nanoemulsiones.
Comparadas con las emulsiones a escala micrométrica, las nanoemulsiones presentan una mayor área superficial y tienen la facilidad de incrementar la solubilidad debido a la combinación de una gran adsorción interfacial de los compuestos del núcleo, mejor viabilidad y liberación controlada, lo cual permite una mejor precisión de focalización de los compuestos encapsulados [6].
Mediante la metodología de superficie de respuesta se logró optimizar la formulación de las nanoemulsiones, el menor tamaño de gota obtenido fue de 31 nm con una relación A/L/E (70/10/20) en la que se logró encapsular una proporción considerable de extracto de xoconostle, con esta formulación también se obtuvo el valor de potencial zeta más elevado que fue de -78 mV. La estabilidad de una dispersión depende de las partículas que la componen, del tipo de enlaces entre ellas y esto depende del potencial zeta; con lo que observa que las nanoemulsiones obtenidas son muy estables y pueden ser empleadas en algún alimento posteriormente.
[1] Couvreur, P., Dubernet C., y Puisieux, F. “Controlled drug delivery with nanoparticles: current possibilities and future trends”. Euopean Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 41:2 – 13, 1995.
[2] Fang, Z. y Bhandari, B. “Encapsulation of polyphenols – a review”. Trends in food science and technology, 21:510-523, 2010.
[3] Hoeller, S., Sperger, A., y Valenta, C.” Lecithin based nanosemulsions: A comparative study of the influence of non-ionic surfactants and the cationic phytosphingosine on physicochemical behavior and skin permeation”. International journal of pharmaceutics, 370:181 – 186, 2009.
[4] Mason, T., Wilking, J., Meleson, K., & Chang, C. “Nanoemulsion formation, structure and physical properties”. Journal of Physics: Condensed Matter, 18:R635R66,2006.
[5] Morales-Luna E. Tesis: “Evaluación de las propiedades funcionales de pulpa de xoconostle (Opuntia oligacantha) y su conservación mediante microcápsulas. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. México, 2012.
[6] Mozafari, M. R., Khosravi-Darani, K., Borazan, G., Cui, J., Pardakhty, A. y Yurdugul, S. “Encapsulation of food ingredients using nanoliposome technology”. International Journal of Food properties, 11:833-844, 2008.
[7] Osorio-Esquivel, O., Ortiz-Moreno, A., Álvarez, V., y Dorantes-Álvarez, L. “Phenolics, betacyanins and antioxidant activity in Opuntia joconostle fruits”. Food Research International, 2160-2168, 2011.
[8] Pimienta, B., Méndez, M., Ramírez, H., y García, G. “Efecto de la ingestión del fruto de xoconostle (Opuntia joconostle Wed.) sobre la glucosa y lípidos séricos”. Agrociencia, 645-653, 2008.
[9] Solans, C., Izquierdo, P., Nolla, J., & Azemar, N. “Nanoemulsions”. Current Opinion in Colloid and Interface Science, 10:102-110, 2005.
[10] Tadros, T., Izquierdo, P., Esquena, J., y Solans, C. “Formation and stability of nano-emulsions”. Advances in Colloid and Interface Science, 303-318, 2004.
[11] Yuan Y., Gao, Y., Zhao J., y Mao, L. “Characterization and Stability Evaluation of β-carotene Nanoemulsions prepared by High Pressure Homogenization under Various Emulsifiying Conditions”. Food Research Internationa, 41:61-68, 2007.
[12] Zhou, H., Yue, Y., Liu, G., Li, Y., Zhang, J., Yan, Z. y Duan, M. “Characterisation and skin distribution of lecithin-based coenzyme Q10- Loaded lipid nanocapsules”. Nanoscale Research letter, 5: 1561-1569, 2010.
[a] Instituto de Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.