Microencapsulación del aceite esencial de Cinnamomum verum J. mediante secado por aspersión y su potencial actividad antioxidante

PRODUCTOS NATURALES

 

La microencapsulación del aceite esencial de Cinnamomum verum J. mediante secado por aspersión y su potencial actividad antioxidante

 

Microencapsulation of Cinnamomum verum J. essential oil by spray drying and its potential activity

 

 

Nerlis Paola Pajaro,I Glicerio León Méndez,II María del Rosario Osorio Fortich,II Miladys Esther Torrenegra Alarcón,III Jorge Mario Ropero VegaII

I Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad de Sucre, Grupo de Ciencias Médicas y Farmacéuticas. Colombia.
II Facultad de Ciencias Farmacéuticas, Universidad de Cartagena. Grupo de Investigación en Tecnología Farmacéutica, Cosmética y de Alimentos -GITFCA-. Cartagena, Colombia.
III Centro de Comercio y Servicios, Regional Bolívar (SENA). Grupo de Investigación de Biotecnología e Innovación (GIBEI). Cartagena, Colombia.

 

 


RESUMEN

Objetivo: Evaluar la actividad antioxidante (potencial) del aceite esencial de Cinnamomum verum J. (canela), microencapsulado mediante el secado por aspersión.
Métodos: Se empleó como agente encapsulante, almidón succinatado de yuca. La mezcla fue microencapsulada en un mini spray, y se utilizó una temperatura de entrada y salida que se mantuvo entre 180 °C ± °C y 116 °C ± 5 °C, respectivamente; las variables respuesta fueron el menor porcentaje de pérdida de los compuestos bioactivos determinados por cromatografía gaseosa (acoplada a un espectrómetro de masa) y actividad antioxidante. La actividad antioxidante fue determinada mediante la técnica de actividad antiradicalaria por el método DPPH•, ABTS+ y ORAC.
Resultados: La eficiencia del proceso de microencapsulación fue del 98,89 ± 0,50 %. Los resultados de la prueba de actividad antioxidante mostraron que las microcápsulas de los aceites esenciales de canela ( Cinnamomum verum J.), obtenidos mediante secado por aspersión tuvo un valor de IC50 mediante la técnica de DPPH• de 170,9 ± 0,25 μg/mL y ABTS•+ 34,45 ± 0,15 μg/mL, lo cual está directamente relacionado con el contenido de monoterpenos oxigenados.
Conclusiones: El proceso de microencapsulación diseñado especialmente para no se afectar la composición química y las propiedades activas del aceite esencial, denotó las buenas propiedades del almidón succinatado de yuca como agente filmógeno, para ser utilizado en procesos de microencapsulación, mediante el proceso de secado por aspersión. Los resultados obtenidos demuestran que el aceite esencial de Cinnamomum verum J. contiene mayoritariamente monoterpenos oxigenados, que permiten considerarlo como un promisorio ingrediente activo con actividad antioxidante para productos farmacéuticos y cosméticos.

Palabras clave: productos naturales; estabilidad; almidón de yuca succinatado; antioxidantes.


ABSTRACT

Objectives: To evaluate the antioxidant (potential) activity of Cinnamomum verum J. essential oil (Cinnamon) microencapsulated by spray drying.
Methods: Succinate cassava starch was used as encapsulating agent. The mixture was microencapsulated in a Mini Spray and using for it a temperature of input and output that was maintained from 180 °C ± 5°C to 116 °C ± 5°C, respectively. The response variables were the lowest percentage of loss of bioactive compounds identified by GC/MS and antioxidant activity. The antioxidant activity was determined by the technique of antiradical activity by DPPH•, ABTS• + and ORAC methods.
Results: The efficiency of microencapsulation process was of 98.89 ± 0.50 %. The results of antioxidant activity test showed that the microcapsules of AE cinnamon (Cinnamomum verum J.) obtained by Spray Drying had an IC50 value using the technique of DPPH• of 170.9 ± 0.25 mg/mL and ABTS• + of 34.45 ± 0.15 μg/mL, which is directly related to the content of oxygenated monoterpenes.
Conclusions: Succinate cassava starch acts as an excellent encapsulation material for the essential oil of cinnamon, also microencapsulated AE chemically contains mostly oxygenated monoterpenes which turns AE into an excellent active for the design of master products with antioxidant activity.

Keywords: Natural products; stability; succinate cassava starch; antioxidants.


 

 

INTRODUCCIÓN

Con el transcurrir del tiempo los aceites esenciales (AE) han adquirido un importante papel en las diferentes áreas; desde la antigüedad se les atribuye propiedades antioxidantes, antivirales, antimicóticas, repelentes, antitumorales y antibacterianas.1-3 Sin embargo, los aceites esenciales son compuestos inestables y frágiles, los cuales pueden verse afectados fácilmente por diversos tipos de degradación (reacciones de oxidación, volatilización, calefacción, luz), si no están protegidos de factores externos.4-6 Tal protección podría aumentar su duración de acción y proporcionar una liberación controlada.7,8 Dicha estabilidad de los AE podría incrementarse mediante las técnicas de encapsulación.

La encapsulación es un proceso mediante el cual ciertas sustancias bioactivas (sabores, vitaminas o aceites esenciales) son introducidas en el interior de una película rígida con el objetivo de impedir su pérdida, para protegerlos de la reacción con otros compuestos presentes o para impedir que sufran reacciones de oxidación debido a la luz o al oxígeno.7,8 Una ventaja adicional es que un compuesto encapsulado se liberara gradualmente del compuesto que lo ha englobado o atrapado y se obtienen productos alimenticios, farmacéuticos y cosméticos con mejores características sensoriales.7,8 En la actualidad existen diversos métodos para la producción de microcápsulas, sin embargo, en el caso de los aceites esenciales, sabores y aromas, se han venido desarrollado diferentes alternativas para encapsularlos y utilizarlos, no obstante, el secado por aspersión (spray drying) es el que más se utiliza. Esta es una alternativa viable, ampliamente usada en las diferentes industrias debido a que es un método económico y efectivo en la protección de materiales.8,9

Existe una amplia variedad de materiales para cobertura que pueden ser usados para encapsular ingredientes alimentarios, farmacéuticos y cosméticos, donde se incluyen aceites hidrogenados, ceras, maltodextrinas, almidones y gomas. Siendo los almidones utilizados frecuentemente como un material de cubierta para la encapsulación y liberación controlada de compuestos volátiles; puesto que estos biopolímeros presentan diversas ventajas frente a otros materiales, como un procesamiento y manejo sencillo, y biodegradabilidad.8-13 En consecuencia, el objetivo de este trabajo fue evaluar la actividad antioxidante (potencial) del aceite esencial de Cinnamomum verum J. (Canela), microencapsulado mediante el secado por aspersión.

 

MÉTODOS

MATERIAL VEGETAL

El aceite esencial de canela (Cinnamomum verum J) fue adquirido en la empresa Naturaltek S.A.S. (Envigado, Colombia). El material encapsulante, almidón succinatado de yuca (Manihot sculenta Crantz) empleado fue tomado de una muestra almacenada en el laboratorio del Grupo de Investigación en Tecnología Farmacéutica, Cosmética y de Alimentos de la Universidad de Cartagena. Las condiciones de almacenamiento para el aceite esencial fue de 4 °C y para el almidón modificado de 20 ± 5 °C.

ANÁLISIS DEL ACEITE ESENCIAL POR CROMATOGRAFÍA GASEOSA ACOPLADA A ESPECTRÓMETRO DE MASA (GC/MS)

Se empleó un equipo GC/MS 7890A/5975C Agilent (EE. UU.), acoplado con un detector selectivo de masas HP 5973 Network conectado en línea con un sistema HP-MS ChemStation y la base de datos NIST-2008. Las condiciones de operación fueron: columna capilar HP-5MS (5 % phenyl methyl silox, 30 m x 250 μm x 0,25 μm), temperatura inicial 45 °C, temperatura de la línea de transferencia de 280 °C y volumen de inyección 1,0 μL en modo Split (20:1), con temperatura del ro de masas, en cada tiempo de retención, con los reportados en la base de datos NIST-2008.

PREPARACIÓN DE LAS MICROCÁPSULAS

La microencapsulación se realizó mediante secado por aspersión. Para la preparación de las microcápsulas se mezcló el material encapsulante (almidón succinatado de yuca), para lo cual este fue tamizado en malla 80 (0,177 mm), y aceite esencial de canela en una proporción del 30 % (peso/peso) de almidón modificado y 20 % de AE, posteriormente fue homogeneizada con un Ultraturrax IKA T-10 Basic a 14 000 rpm y durante 5 min. La mezcla fue microencapsulada en un Mini Spray Dryer Buchi modelo B-290 (BÜCHI Labortechnik, Germany). La temperatura de entrada y salida se mantuvo entre 180 °C ± 5 °C y 116 °C ± 5 °C, respectivamente.

Las microcápsulas obtenidas fueron colectadas en un empaque de polietileno autosellable y almacenadas en un cuarto con humedad y temperatura controlada a 45 % y 20 ± 5 °C.7,20

Para evaluar la eficiencia de la encapsulación se empleó un equipo de hidrodestilación tipo Clevenger, en el que se depositaron 20 g de microcápsulas en 300 mL de agua desionizada, en el interior de un balón de 500 mL. Después de destilado por 3 horas, se cuantificó el aceite esencial obtenido, el cual corresponde a un porcentaje del material inicial.21

La medición de las partículas fue realizada mediante el empleo de un microscopio óptico Nikon, Eclipse E-100 (lente graduado de 40X). Muestras muy pequeñas de microcápsulas fueron colocadas sobre porta objetos que posteriormente eran ubicadas en la cuadrícula del equipo. Se observó la morfología, tamaño y bordes de las partículas.7

MEDICIÓN DE LA ACTIVIDAD ANTIOXIDANTE

Para determinar la actividad antioxidante del aceite esencial y las microcápsulas se emplearon tres metodologías: radical 1,1 difenil-2-picrilhidrazilo (DPPH•), radical catión del ácido 2,2´-Azino-bis-(3-Etilbenzotiazolina)-6-sulfónico (ABTS•+) y la capacidad de absorción de radicales de oxígeno (ORAC).

La actividad captadora de radicales libres DPPH• fue evaluada empleando el método descrito por Silva y otros22 con algunas modificaciones, así 75 µL de muestra fueron adicionados a 150 µL de una solución metanólica de DPPH• (100 ppm) y se incubaron a temperatura ambiente durante 30 min, luego de los cuales se determinó espectrofotométricamente la desaparición del radical DPPH• a 405 nm, en lector de microplacas Multiskan Ex (Thermoscientific). Se utilizó ácido ascórbico (25 µg/mL como control positivo de captación de los radicales DPPH•). La IC50 se determinó evaluando varias concentraciones seriadas de la muestra mediante análisis de regresión lineal. Los resultados se expresan como la media ± ESM (error estándar de la media) del porcentaje en la captación del radical DPPH• relativo al grupo control ecuación 1).

    Donde:

          Ao: valores de absorbancia del blanco (solución de DPPH• en alcohol).

           Af: muestra (solución de DPPH• más antioxidante disueltos en alcohol).

La actividad captadora del radical libre ABTS• se determinó empleando el método descrito por Re y otros23 con algunas modificaciones. El radical ABTS• se formó tras la reacción de 3,5 mM de ABTS con 1,25 mM de persulfato potásico (concentración final). Las muestras fueron incubadas entre 2-8 °C y en oscuridad durante 16-24 h. Una vez formado el radical ABTS•, se diluyó con etanol hasta obtener una absorbancia de 0,7 ± 0,05 a 734 nm. A un volumen de 190 µL de la dilución del radical ABTS• se le adicionaron 10 µL de la muestra de AE y se incubó a temperatura ambiente durante cinco minutos; luego de transcurrido este tiempo, se determinó espectrofotométricamente la desaparición del radical ABTS• a 734 nm en el lector de microplacas Multiskan Ex (Thermoscientific). Se utilizó ácido ascórbico (4 µg/mL) como control positivo de captación de los radicales ABTS•.

ORAC hidrofílico: en esta evaluación se empleó trolox como estándar y condiciones controladas de temperatura (37 °C) y pH (7,4). Las lecturas se realizaron a una longitud de onda de excitación de 493 nm y de emisión de 515 nm. Para el desarrollo de la técnica se utilizaron soluciones de fluoresceína 1x10-2 M en PBS (75 mM) y AAPH 0,6 M en PBS (75 mM). La muestra se preparó mezclando 21 µL de fluoresceína, 2,899 µL de PBS, 30 µL del extracto (muestra problema) y 50 µL de AAPH. Como referencia se usó trolox. El efecto protector del antioxidante se calculó usando las diferencias de áreas bajo la curva de decaimiento de la fluoresceína con el blanco y la muestra, y el resultado se comparó con la curva obtenida para el trolox. Los resultados se expresaron en micromoles de equivalentes de trolox por cada 100 gramos de muestra (µmol Tx/100 g muestra), de acuerdo a la ecuación 2.24-26

     Donde:

        AUC: área bajo la curva de la muestra.

       AUC°: área bajo la curva para el control.

  AUCTrolox: área bajo la curva para el trolox.

             f: factor de dilución de los extractos.

El seguimiento de la estabilidad se realizó por cromatografía gaseosa acoplada a espectrómetro de masa, GC/MS, la presencia de algunos de los compuestos responsables del aroma de la canela fueron analizados mediante dicha técnica, con el fin de determinar su disminución; asimismo se determinó la actividad antioxidante in-vitro de las microcápsulas por los métodos previamente relacionados.21, 27, 28

Los resultados correspondientes a tres ensayos independientes se expresaron como el promedio / desviación estándar (DS).

 

RESULTADOS

El análisis de la composición química del aceite esencial por CG/EM es mostrado en la tabla 1. Siete compuestos fueron identificados, todos pertenecientes al grupo de los monoterpenos. El componente mayoritario fue el eugenol.

La actividad antioxidante del aceite esencial de C. verum, se evaluó por tres métodos diferentes: DPPH•, ABTS•+ y ORAC, los resultados obtenidos por los métodos indicados se muestran en la tabla 2.

Los resultados se expresan como actividad antiradical o IC50 (Concentración Eficaz 50), la cual está definida como la concentración del antioxidante que disminuye la absorción del radical a un 50 % de la cantidad inicial. El valor IC50 mide la capacidad captadora de radicales DPPH• y ABTS•+ del AE con respecto a un estándar antioxidante como el ácido ascórbico, el cual cede un hidrógeno, al producir una transferencia de electrones de doble enlace hacia el oxígeno, que sufrió la pérdida de un electrón; se repite la misma acción en el siguiente átomo de oxígeno, que sufrió la pérdida del átomo de hidrógeno, hasta establecerse el equilibrio de energía. De acuerdo a esta reacción, el ácido ascórbico cede dos hidrógenos.29 Los resultados obtenidos para el ácido ascórbico fueron 14,98 ± 0,33 y 3,00 ± 0,50 para DPPH• y ABTS•+ respectivamente.

La capacidad antioxidante de una mezcla no viene dada solo por la suma de las capacidades antioxidantes de cada uno de sus componentes; también depende del microambiente en que se encuentra el compuesto. Estos interactúan entre sí, pudiendo producirse efectos sinérgicos o inhibitorios.28

Microcapsulas del aceite esencial C. verum fueron obtenidas empleando almidón succinatado de yuca como material encapsulante y se obtiene un porcentaje de la eficiencia en la encapsulación del 98,89 ± 0,50 %.

Las microcápsulas obtenidas del aceite esencial de canela mediante secado por aspersión presentaron una forma esférica (Fig.). La presencia de esferas redondeadas (como se muestra) es deseable para la estabilidad de los ingredientes, y para controlar su liberación y facilitar su solubilidad, propiedades que mejoran la efectividad de los activos, al ser incorporadas en diferentes matrices complejas.7

La caracterización cromatográfica se llevó a cabo con el fin de determinar el perfil de los principales componentes del AE de canela (contenido en los productos encapsulados), para conocer el efecto del proceso de secado aplicado a la calidad de este (tabla 3).

Para determinar si el aceite esencial mantiene su actividad antioxidante (al ser incorporado dentro de las microcápsulas), se realizó la actividad antioxidante in-vitro, cuyos resultados se presentan en la tabla 4.

 

DISCUSIÓN

Silva-Espinoza y otros,30 encontraron como compuestos mayoritarios del aceite esencial de hoja de canela al eugenol (70,26 %), seguido de cariofileno (4,48 %), benzoato de bencilo (2,78 %), o-eugenol (2,23 %), safrol (1,52 %), linalool (1,49 %), cinamil acetato (1,03 %), α-cariofileno (0,97 %), copaeno (0,73 %) y aldehído cinámico (0,72 %), respectivamente.31 El compuesto mayoritario está presente en el perfil cromatográfico mostrado en la tabla 1, pero es visible una variación en el porcentaje de abundancia, ocasionada por el efecto de diferentes factores ambientales sobre el contenido de compuestos en plantas medicinales. La intensidad de la luz y el fotoperíodo, que varían de región en región, afectan la composición del aceite esencial. Mallavarapu y otros32 demostraron que el eugenol y el cinamaldehído son los principales componentes del AE, y que son los que otorgan capacidad antifúngica y antioxidante al aceite.

La capacidad antioxidante evaluada in vitro puede usarse como un indicador indirecto de la actividad in vivo. La mayoría de los métodos para determinar capacidad antioxidante consisten en acelerar la oxidación en un sistema biológico. La capacidad antioxidante de un AE está determinada por interacciones entre diferentes compuestos con diversos mecanismos de acción.32

Actualmente los radicales libres resultan comprometidos en un buen número de enfermedades humanas, incluyendo alteraciones cardiovasculares y algunos tipos de cáncer. Se ha encontrado que la cisteína, el glutatión, el ácido ascórbico, el alfa-tocoferol, los fitofenoles y algunas aminas aromáticas reducen y decoloran el DPPH• por su habilidad para donar hidrógenos. Los compuestos de naturaleza fenólica del AE de canela están probablemente involucrados con su actividad antirradical.32,33

Los resultados obtenidos demuestran que el aceite esencial de canela tiene una alta capacidad de inhibir la decoloración de la molécula de fluoresceína. Lo expresado puede explicar el efecto protector que ejercen las sustancias antioxidantes presentes en el AE, actúan sobre el AAPH (2, 2-azobis (2 amidinopropano) dihidrocloruro), generador de radicales peroxilo o radicales hidroxilos (haciendo que atenúe la generación de estas especies), con lo cual el sustrato oxidable (fluoresceína) disminuye su fluorescencia y la magnitud de esta interferencia se puede detectar y se cuantifica como un valor en equivalentes de trolox).23-26

La acción antioxidante de los fitofenoles es altamente reconocida como derivada de su capacidad para secuestrar especies reactivas del oxígeno, en tanto que su habilidad para quelar metales, es considerada como el mecanismo menos influyente en su bioactividad como antioxidantes. Sin embargo, si se tiene en cuenta la alta inestabilidad energética y cinética de las EROS, se puede pensar que la capacidad captadora de radicales libres de los polifenoles es la menos factible, y que más bien estos actúan bloqueando la formación de aquellas especies por interacción con sus precursores, tales como el anión superóxido y el peróxido de hidrógeno, predecesores del radical hidroxilo, considerado como el más potente oxidante entre las EROS; y a la acción quelante de metales de transición como el cobre y el hierro, los cuales colaboran en la formación de EROS a través de las reacciones de Fenton-Haber-Weiss, lo que reduciría la toxicidad de la célula.34 El aceite esencial de canela también ha sido reportado como antibacteriano35,36 y beneficiosos para la conservación de tomate37 y la pera, por su acción fungicida.38

La técnica de microencapsulación mediante secado por aspersión se fundamenta en el recubrimiento del AE por una película sólida de almidones para incrementar su estabilidad y reducir su movilidad.7,8

Bertolini y otros,27 encapsularon diversos monoterpenos, entre ellos el limoneno, usando goma arábiga como filmógeno, utilizando concentraciones de 10, 20 y 30 % del monoterpeno con respecto al material de cubierta. Obtuvieron la mejor retención durante el proceso de secado por aspersión cuando se utilizó el 10 % de estos comparado con las demás concentraciones. El porcentaje de recuperación del limoneno fue del 91 % cuando se usó dicha concentración del monoterpeno, este resultado fue menor al porcentaje de recuperación obtenido en el presente estudio el cual fue del 98,89 ± 0,50 %.

La tabla 3 muestra los componentes mayoritarios identificados en el aceite esencial luego de ser microencápsulado; al comparar estos resultados con los obtenidos en la tabla 1, es posible observar que solo un compuesto identificado en el AE original (minoritario) desaparece al microencapsularlo, por lo cual es posible considerar que el proceso seguido no influyó negativamente en la composición y por ende en la capacidad antioxidante del AE. Estos resultados evidencian la presencia de compuestos de reconocida actividad antioxidante, lo cual fue comprobado experimentalmente (tabla 4). Estos compuestos naturales constituyen una fuente disponible que posibilitará desarrollar diferentes preparados cosméticos, farmacéuticos o nutricionales con actividad biológica definida.

El proceso de microencapsulación diseñado especialmente para no se afectar la composición química y las propiedades activas del aceite esencial, denotó las buenas propiedades del almidón succinatado de yuca como agente filmógeno, para ser utilizado en procesos de microencapsulación, mediante el proceso de secado por aspersión. Los resultados obtenidos demuestran que el aceite esencial de Cinnamomum verum J. contiene mayoritariamente monoterpenos oxigenados, que permiten considerarlo como un promisorio ingrediente activo con actividad antioxidante para productos farmacéuticos y cosméticos.


Conflicto de intereses

Los autores declaran que no presentan conflicto de intereses.

 

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Recibido: 6 de enero 2017.
Aprobado: 6 de marzo 2017.

 

 

Nerlis Paola Pajaro. Grupo de Ciencias Médicas y Farmacéuticas. Facultad de Ciencias de la Salud. Universidad de Sucre, Colombia.

Correo electrónico: nerlis.pajaro@unisucre.edu.co

 

 

 

 

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