Barcelona 3 de Junio de 2008Casa Llotja de Mar

Avances de la NanotecnologAvances de la Nanotecnologíía en a en el Sector Agroalimentario el Sector Agroalimentario

The traslational application of these markers in the industry AROMICS is focused on three sectors:•Health (human and animal)•Agro-food•Environment

AROMICS: company profile

DrugScreening

MolecularBiology

Pharmacology

In vivostudies

Proteomics

Biochemistry

Genomics

Pharmacogenetics Cellbiology

Engineering

Markers

AROMICS is dedicated to the application of the OmicOmic SciencesSciences as well as other disciplines on the identification, selection and validation of markers.

NanotechnologyNanotechnology in in thethe agroagro--foodfood sector sector

The term ‘nanofood’ describes food which has been cultivated, produced, processed or packaged using nanotechnologytechniques or tools, or to which manufactured nanomaterialshave been added (Joseph Joseph andand Morrison 2006Morrison 2006).

Aspectos a destacar en la siguiente charla:

•Destacar como la industria agroalimentaria está utilizando o planea utilizar la nanotecnología

•Destacar algunos aspectos de la investigación en nanotecnología en el sector agroalimentario

•Señalar algunos puntos críticos de cómo la nanotecnología afectará a nuestra alimentación durante la próxima década.

Punto 1. El mercado

Un mercado emergente:• Más de 300 nanoproductos alimenticios disponibles en el mercado. • El mercado de la nanoalimentación tenía en 2005, un valor de 5.300 $ y esa cifra aumentará hasta 20.400 millones en 2010. • En 2015 la nanotecnología se utilizará en el 40 % de las industrias alimentarias.• Este crecimiento proviene principalmente de las aplicaciones de la nanotecnologia en el negocio de envasados (“Food Packaging Business”). • Las ventas mundiales de productos nanotecnológicos relacionados con el envasado de comida y bebida ascendió de US$150m (€120m) en 2002 a US$860m (€687.5m) en 2004.• Está previsto un crecimiento del 25% en la próxima década• Hace tres años habían 40 productos de nanoenvasado, ahora hay cerca de 250 aplicaciones en el mercado.• Numero elevado de patentes y publicaciones en los últimos cinco años•Incremento en el numero de iniciativas y desarrollos en Europa (31,5%), USA (37,2%) y Japón (37,2%)

Helmut Kaiser Helmut Kaiser ConsultancyConsultancy GroupGroup

Ejemplos del uso de Ejemplos del uso de nanomaterialesnanomateriales en agricultura, alimentos y en agricultura, alimentos y packagingpackaging

Altria (Kraft Foods) AssociatedBritish FoodsAjinomotoBASFBayerCadbury SchweppesCampbell SoupCargillDupont Food Industry SolutionGeneral MillsGlaxo-SmithKlineGoodman FielderGroup danoneJohn Lust group Plc

H.J. HeinzHershey FoodsLa DoriaMaruhaMcCain FoodsMars, IncNestléNorthern FoodsNichireiNippon Suisan KaishaPepsiCoSara LeeSyngentaUnileverUnited Foods

Compañías

Empresas agroalimentarias que utilizan nanotecnologEmpresas agroalimentarias que utilizan nanotecnologííaa(ETC group 2004, Innovest 2006, Renton 2006, Wolfe 2005).

Las aplicaciones de la nanotecnología en el campo de la alimentación, se centran principalmente en desarrollar nuevos envases y alterar algunas propiedades de los alimentos.

Agricultura

•Crecimiento controlado de hormonas.•Nanosensores para detectar enfermedades en plantas y animales.•Nanosensores para controlar las condiciones del suelo y el crecimiento de las cosechas.•Nanocápsulas para generar vacunas.

Procesamiento de alimentos

• Nanopotenciadoresdel sabor.• Nanoparticulas paracontrolar la viscosidadde los alimentos.• Nanoparticulas paradetectar virus en losalimentos.

Envasado

• Anticuerpos adheridos ananoparticulas fluorescentespara detectar aditivosquímicos y enfermedades.• Nanosensores biodegradablespara controlar la temperatura,humedad y conservaciónde los alimentos.• Nanopelículas para evitar laabsorción de oxígeno.• Nanosensores electroquímicospara detectar alcohol

Suplementos alimentarios

• Polvos para incrementar laabsorción de los nutrientes.• Nanogotas que contenganvitaminas para una mejorabsorción.• Nanocápsulas paracontrolar la estabilidad de losnutrientes.• Nanopartículas para llevarhasta las células humanas losnutrientes sin afectar al colory al sabor de los alimentos.

Aplicaciones (I) : AgriculturaAplicaciones (I) : Agricultura

Aplicaciones (I) : Agricultura

En referencia a la aplicación de la nanotecnología en la producción agrícola destacan dos puntos :- Mejorar la productividad (principalmente en uso de fertilizantes), optimizando el uso del agua, los fertilizantes y los productos fitosanitarios- Proteger los productos de posibles contaminaciones (uso de pesticidas, desarrollo de nanocaptadores para detectar enfermedades, plagas o falta de agua en las plantas).

Ejemplos:

BASF desarrolla nanoemulsiones y nanoencapsulados que permiten que las formulaciones una vez agitadas queden homogeneizadas durante más de un año (antes se agitaban cada dos horas para prevenir que los ingredientes se separaran).

Monsanto, por ejemplo, trabaja con Flamel Technologies en el desarrollo de un herbicida en nanocápsulas.

Syngenta ya tiene una nanocápsula que libera su contenido en el estómago de ciertos insectos.

KX Industries desarrolló filtros físicos con poros o membranas antivirales y antibacteriales que permitirían recuperar agua contaminada para uso agrícola o doméstico.

Flammel MedusaTM

Polymer ofglutamic acid

KX industries, cationic Polymer

Aplicaciones (II) : Alimentos

Aplicaciones (II) : Procesado de alimentosAditivos (conservantes)Aditivos (conservantes)

Silicatos de aluminio: se utilizan como antiagregantes en comidas como cereales, leches en polvo, etc.

Anatase titanium dioxide se usa como aditivo para preservar quesos y salchichas, dandoles un aspecto más fresco y brillante

Micrografia electronica micela de Co-Q10, Ubisol AquaTM, Zymes

Sonotek Company, desarrolla nanocoatingscapa fina de cera de 5nm.Este coating puede ser utilizado para liberar olores, sabores, colorantes. Se puede utilizar en carnes, frutas, quesos, et

Ejemplos de nanoingredientes incluyen nanopartículas de hierro o zinc y nanocápsulas que contienen vitaminas, coenzima Q10 o Omega-3.

Aditivos (nutricionales)Aditivos (nutricionales)

Aplicaciones (II): Suplementos alimentarios

El término NUTRACÉUTICO proviene de “nutrición” y “farmacéutico”

Se define la Nutracéutica como “un alimento o parte de un alimento que proporciona beneficios médicos o para la salud, incluyendo la prevención y/o el tratamiento de enfermedades”.

Debemos distinguir entre:

Nutracéuticos: productos de origen natural con propiedades biológicas activas, beneficiosas para la salud y con capacidad preventiva y/o terapéutica definida.

Alimentos Funcionales: aportan al organismo determinadas cantidades de vitaminas, grasas, proteínas, hidratos de carbono y otros elementos necesarios para el organismo.

Complementos Alimenticios o suplementos dietéticos: productos utilizados para complementar la dieta (vitaminas, minerales, etc)

NANOMICELAS

• Las nanomicelas son partículas esféricas de 5-100 nanómetros en diámetro.• Se forman espontáneamente por la disolución de surfactantes en agua a concentraciones que exceden un nivel crítico, conocido como "concentración crítica de la micela".

• Permiten encapsular moléculas no polares como lípidos,saborizantes, antimicrobianos, antioxidantes y vitaminas. (objetivo:)

Aplicaciones exitosas de microemulsiones incluyen la encapsulación de limonene, licopeno, luteína, y ácidos grasos omega-3

Algunas patentes:Incorporación de aceites esenciales saborizantes a bebidas

carbonatadas Encapsulación de alfa-tocoferol para reducir la oxidación de los lípidos

en el aceite de pescado.

AquanovaAquanova GermanGerman SolubilisateSolubilisate Technologies Technologies GmbHGmbH

Aquanova acaba de patentar en Europa una solución de isoflavonas ambifílicas, conocida como NovaSolNovaSol ®®IsoIso, que consisten en isoflavonas de la soja encapsuladas dentro de micelas, de alrededor de 30 nm de diámetro

Las micelas mejoran la absorción y bioavilidad de estas isoflavonas

El primer producto en mercado ha sido incorporado en “salchichas”, mejorando su textura, sabor y estabilizando el color, pero además mejoran el proceso de producción.

Tienen otros productos usados para encapsular otros ingredientes, vitaminas, coenzima Q10 y ácidos grasos.

• Los liposomas, o vesículas de lípidos son formados de lípidos polares abundantes en la naturaleza, principalmente fosfolípidos (como los presentes en la soja o los huevos)• Los liposomas son esféricos con una configuración de concha de dos capas. • Las vesículas de lípidos pueden ser uni- o multilamelar conteniendo una o más conchas de dos capas, respectivamente. • Los liposomas varían en tamaño entre 20 nm (nanómetros) y unos cientos de micrómetros. • Su interior es acuoso por naturaleza• Los liposomas pueden incorporar una variedad amplia de componentes funcionales en su interior. • A diferencia de micelas, pueden ser usados para encapsular a compuestos solubles en agua y en grasa.

LIPOSOMAS

Ejemplos:

•Liposomas que encapsulan lactoferrina para incrementar la vida media en el estante de los productos lácteos •Fosvitina atrapada en liposomas para inhibir la oxidación de lípidos en una variedad de productos lácteos y carne molida de cerdo. •La vitamina C encapsulada en los liposomas para retener actividad después de de 50 días de almacenamiento refrigerado mientras que la vitamina C no encapsulada perdió su actividad después de 19 días.

Taylor, Taylor, T.MT.M. et al. Crit. Rev. . et al. Crit. Rev. FoodFood SciSci. . NutrNutr. 45: 1. 45: 1--19, 200519, 2005

Principales aplicaciones:• Los liposomas se usan para encapsular proteínas• El interior del liposoma, tiene propiedades que se asemejan a un solvente orgánico. • Proveen un micro-ambiente que permite mantener funcionalidad proteica

LyposphereLyposphere IncInc

NanosorbNanosorb®® es un sistema de liberación de compuestos basado en liposomas

Nanosorb mimetiza la capacidad del cuerpo humano de crear liposomas de pequeño diámetro para transportar nutrientes poco solubles (peptidos, proteinas) y por tanto de mala-absorción.

NanoSorb technology permite generar liposomas de tamaño nanométrico que encapsulan espontáneamente en su interior diferentes productos al añadirles agua, sin necesidad de calentar, enfriar o agitar.

BiopharmaBiopharma ScientificScientific : : NanosorbNanosorb technologiestechnologies

Algunos productos comerciales : NanoOmega3, Nanogreens10, CoQ10, vitaminB12, vitamin E,…

BiopharmaBiopharma ScientificScientific Inc.Inc.

Nanoemulsiones

• Son emulsiones muy finas (o/w) de dos líquidos inmiscibles (generalemente de aceite en agua) con uno de los líquidos siendo dispersado en el otro en forma de gotas. El de diámetro en las gotas de 50 a 200 nm (nanómetros).

•Ejemplos: mayonesa, leche, salsas con grasa, y aderezos para ensaladas.

•Tienen propiedades de textura interesantes. Por ejemplo, pueden comportarse como una crema viscosa a concentraciones muy bajas de las gotas de aceite, y se utiliza en el desarrollo de productos bajos en grasa.

Ejemplos:Mayonesas que incluyen nanoparticulas de aluminio y siliconaColoides hidrofilos que contienen goma arábica o gelatina

Estas nanopartículas consisten de una matriz de biopolímeros que pueden estar conectadas a través de fuerzas intermoleculares de atracción o a través de enlaces químicos covalentes para formar partículas sólidas.

Las nanopartículas pueden consistir de un biopolímero simple o puede tener una estructura de concha-interior.

Hoy, un a amplia variedad de polímeros naturales y sintéticos, han sido usados para encapsular y transportar compuestos.

Entre estos esta el chitosan, un polímero anti-microbiano y antioxidante obtenido de las conchas de crustáceos y el compuesto sintético poli-láctico

Ejemplos:KitofitC® (Chitosan-Vitamin C Tablets)

Películas de quitosano (al 1%) con espesor de 31nm entartaletas de manzana.

Nanopartículas biopoliméricas

(-)quitosan (+)quitosanPreservación a 4ºC

Quitosán se utilliza por sus propiedades por su capacidad para formar un film, para inhibir el crecimiento bacteriano, y de hongos, y su biodegradabilidad.

Fisheries and Food technologicalInstitute, Bizkaia (Spain)

Microesferas de PLGA conteniendo aditivos.

El contenido se libera en el tracto gastrointestinal, se han generado para evitar la inactivación en el estomago.

El grosor de la microesfera la hace específica a degradación según propiedades de pH, enzimas o temperatura.

Microesferas de PLGA conteniendo vitamina E

Universidad de Farmacia, UAM, Madrid.

pSivida es una compañía australiana (NASDAQ:PSDV), centrada en el desarrollo y comercialización de silicona modificada (porosa or nano-structured silicon) conocida como BioSiliconBioSiliconTMTM.

Acaba de lanzar una spin-out, pSiNutria Limited (capital USD$1.1m) centrada en las aplicaciones de esta tecnología en la industria agroalimentaria.

La innovación: este producto puede ingerirse como un ingrediente gracias a sus propiedades biodegradables y ópticas. BioSiliconBioSiliconTMTM se degrada en acido silícico que se encuentra ya de forma natural en otros alimentos como cerveza, vinos, cereales, arroz entre otros.

Entre las aplicaciones de la empresa destacan: productos contienen vitaminas, antibioticos para patógenos, aditivos para preservación,, etc.

http://www.psivida.com

Los probióticos son mezclas de especies bacterianas vivas que ingeridas tienen un efecto beneficioso en la salud del consumidor, mejorando la salud intestinal, disminuyendo niveles de colesterol y mejorando el sistema immunológico.

Los probióticos se incorporan en la dieta en forma de yogurt o derivados fermentados de la leche (queso, pudding, bebidas basadas en leche)

Cultivos microencapsulados probióticos de ácido láctico (cápsulas de 2 a 10 micron)

Aplicaciones (II): Alimentos funcionales

La alta resistencia de las cápsulas actúa:•como protección ante influencias perjudiciales del ambiente•evitando un transporte difuso de sustancias inhibidoras•aumentando las propiedades competitivas de los microorganismos frente a la flora intestinal natural•una efectividad máxima posible del probiótico en el lugar de actuación

Aplicaciones (III) : envasado

Entre 400-500 productos ya en el mercado!!!

Objetivo :

Alargar el tiempo de vida de los alimentosenvasados, (menor degradación por gas o por exposición a luz

“Envases Inteligentes” que dan a los productos una apariencia de alimento fresco y de calidad.El envase interaccionar con la comida que contiene (ej.: liberan antimicrobiales, antioxidantes, sabores, fragancias,

Nanotubos de carbono capaces de “bombear” oxígeno o CO2 que causan deterioro del alimento

Envases inteligentes que liberan biocidas y contenedores, instrumentos hechos de materiales biocidas, que preservan los alimentos del crecimiento de microbios por cambios en humedad, etc.

Estos productos suelen contener nanopartículas de Ag, ZnO2, MgO2, TiO2

Aplicaciones (IV) : Trazabilidad

La tinta está formada por nanocápsulas de un polimero de hidroxietilcelulosa que contiene una dispersión acuosa de TiO2, trietanolamina y un indicador redox (azul de metileno)

La tinta es incolora. En presencia de oxigeno o de luz UV, la tinta se vuelve azul por lo que puede trazar aquellos alimentos en los que el oxigeno ha entrado, o han estado en contacto con la luz UV.

La encapsulación del polímero permite que pueda incorporar en plástico, metal, papel u otras superficies

NanoInK: Una nueva tinta para detectar la presencia de oxigeno en comida envasada, como alerta que el producto no está en buen estado.

Etiquetas biocompatibles con un sistema de identificación de radio-frequencyidentification (RFID) que permiten ver como el alimento ha sido tratado

(University of Strathclyde, Glasgow)

Oxonica Inc, incorpora nanopartículas de Au, Ag, Pd, Ni, Pt para incorporarse en contenedores

Aplicaciones (V): Seguridad Alimentaria

La industria alimentaria demanda métodos rápidos para estimar la identidad, la caducidad, el deterioro o la contaminación de los alimentos. A la industria en general, y a la alimentaria en particular, le es necesario controlar de manera confiable los productos en matrices muy complejas. Con la consolidación de la Unión Europea, las medidas dirigidas hacia el control de alimentos cada vez son más estrictas y generan necesidades analíticas muy variadas.

Esencialmente se pueden clasificar en contaminantes microbiológicos (bacterias, virus y parásitos), material exógeno, toxinas naturales, yotros compuestos químicos tales como pesticidas, metales tóxicos, dogas y residuos veterinarios, entre otros.

Principle: son immunoensayos cuyo principio de operación se basa en la migración de micro- y nanopartículas a través de la membranaLas líneas son fácilmente detectables (por ojo humano) una vez la muestra se aplica

Lateral Flow (LF) tests: Lateral Flow (LF) tests: formatoformato y y beneficiosbeneficios

•Not quantitative•Sensitivity limits•Not useful for on-lineapplications•No automatic recording•Applicability for genetictesting

•Qualitative•Selective•User-friendly, fast andeasy•Easily configured fordifferent analytes• Many applications: clinical, veterinary, agro-food, environmental

LimitationsBenefits

Nucleic Acid

Antibody

Enzyme

Recceptor

Cell-organelle

Whole cell

Tissue

Recognition material

Electrical signal

Un nano-biosensor es un dispositivo analítico capaz de aportar informacióncuantitativa o semi-cuantitativa por la señal generada por el reconocimientobiológicos específico entre el analito de interés y la molécula de reconocimiento

Signal Transducers

Electroactivesubstance

Light

Mass change

Heat

pH

Electrode

PMT, CCDPiezoelectric

SPR

Temperature sensor

pH electrode

Nanobiosensores

Principales beneficios•Medidas cuantitativas•Información fiable y rápida•Selectividad y sensibilidad•Instrumento portable•Plataformas rápidas, fáciles de manejar•Facilmente aplicables a medidas on-line•Bajo requerimento energético•Configurable para diferentes analitos

AplicacionesClinica: diagnostico In vitro and in vivo (glucose detection, bacterial

urinary tract infections, cancer cell targeting, …)

Agro-food: Seguridad alimentaria (patógenos, pesticidas, aditivos, metales pesados, toxinas, antibióticos …)

Medioambiente: pesticidas en aguas, toxicos en suelos, sedimentos, aguas, etc.

•Diseño de biosensores:

El principio de operación del sensor recae en el elemento de captura inmobilizado sobre la superficie transductora. •Existen diferentes aproximaciones para inmovilizar este elemento: adsorción inespecífica, unión a avidina o estreptoavidina, proteina A, SAMs, …

•Problemas: Uniones inespecíficas, que dependen de condiciones ambientales, una mala unión, …

Nano-biosensores

Nuevas tendencias

DNA dendrimers

Schematic drawing showing the hybridization detection at the dendrimer/QCM biosensor. The 38-mer probe is attached to the core dendrimer by complementary oligonucleotide (a(-)) binding on one (a(+)) of the outer arms. The probe sequence for target hybridization is 5′-GGG GAT CGA AGA CGA TCA GAT ACC GTC GTA GTC TTA AC-3′.

Nanoparticles as recognizing elements

Nanopartículas magnéticas funcionalizadas con elementos de reconocimiento específicos (anticuerpos, secuencias nucleótidos,…) para biosensorización magnéticas

En esta aproximación el “label” es magnético

Ventajas: sensibilidad, doble-uso para immunoseparación de biomoléculas y sensorización

Nanopartículas magnéticas

AROMICS EU project CRAFT (FP6)“Analytical tool for the in-situ detection of pathogens by a rapid andlow cost assay”.

Example of Magnetic bead-based biosensor

Magnetic nanoparticles (100 nm) functionalized with specificAntibodies for the pathogen of interest

No-funcionalizadas Funcionalizadas-Ab

Nanodispositivos“Miniaturización de

biosensores”

Los dispositivos de escala nanométrica se basan en muchas de las técnicas estándar empleadas para los circuitos electrónicos integrados

Los sistemas más sofisticados son los llamados lab-on-a-chip que integran:Microfluidica + superficie sensora + transductor de señal

Nanoestructuras(litografia)

Revestimiento con

biomoléculas

Nanodispositivos : “nanocantilevers”

•Cuando el analito a detectar se une a la superficie del nanocantilever, se producen cambios en la tensión superficial y el nanocantilever se dobla (estructuras resonantes).

•Monitoreando estos cambios, podemos cuantificar el número de moléculas/analito presentes en la muestra

•Como tienen una medida tan pequeña, tienen una gran resolución en un rango muy pequeño: permiten detectar cantidades muy pequeñas del analito

Son pequeñas estructuras de distintas formas (cuadradas, rectangulares, triangulares, …) formadas generalmente por silicio.

Problemas:

-Los efectos sobre el cuerpo humano, impacto sobre salud de las nanopartículas no se conocen

- Algunas preguntas no son claras:¿Atraviesan distintas barreras de órganos?¿Qué efectos causan cuando se depositan en órganos?El uso de la nanotecnología en comida y bebida puede generar el desarrollo de nuevos alergenos, reaccione immunológicas y pueden incluso tener secuelas toxicas.

Tendencias futuras...

Gracias!!!www.aromics.esinfo@aromics.es

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