Fenómenos de transferencia de material de activos encapsulados de interés alimentario. I. Modelado matemático y validación

ORONA, JD; NIIZAWA I; ESPINACO, BY; SIHUFE, GA; ZORRILLA, SE; PERALTA, JM

Santa Fe

Congreso; X Congreso Argentino de Ingeniería Química; 2019

Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

La encapsulación deingredientes activos (lípidos, vitaminas, péptidos, antioxidantes, minerales,etc.) y su posterior inclusión en matrices alimentarias tiene por objetoprevenir su degradación, aumentar su estabilidad y biodisponibilidad y asegurarsu liberación en forma controlada en el momento y sitio adecuado del tractogastrointestinal. Por este motivo, es fundamental poder predecir elcomportamiento del sistema de encapsulación, proteger al activo, controlar suabsorción y optimizar su liberación. Esto se consigue con un adecuado estudio ydesarrollo de modelos matemáticos que describan a los sistemasencapsulado-encapsulante y a los fenómenos de transferencia asociados durantesu transporte y liberación. Los fenómenos involucrados durante el proceso deliberación del activo pueden ser: difusión del activo a través de la matrizencapsulante, erosión e hinchamiento de la matriz. Cada uno de ellos puedecontrolar el flujo de liberación del activo dependiendo del material de lamatriz, la morfología del sistema de encapsulación, las propiedadesfisicoquímicas del activo y del material de la matriz y el sistema alimentario enel que está incluida. El objetivo del presente trabajo fue proponer y validar un modelomatemático mecanístico para predecir la liberación de un activo encapsuladoconsiderando los tres mecanismos descriptos simultáneamente.El modelo propuesto pretendedescribir el transporte y transformación de las principales especies queconforman el sistema de encapsulación (agua, matriz polimérica, activo nodisuelto y activo disuelto) durante el proceso de liberación mediante elplanteo de balances de materia. La transferencia o transformación de cadaespecie tiene en cuenta diferentes mecanismos: difusión, hinchamiento, erosióny disolución. Se propone que el agua se transporta por difusión molecular, tipoFickeana en el líquido ocluido y tipo no Fickeana en base a cambios en laspropiedades viscoelásticas de la matriz (hinchamiento), y se consume debido auna reacción con la matriz encapsulante (erosión). Las propiedadesviscoelásticas de la matriz se estiman mediante un modelo de Maxwell. Loscambios en la integridad de la matriz (erosión) se estiman suponiendo unareacción de hidrólisis de la misma con el agua que ingresa. Se considera que elactivo se distribuye entre las fases matriz (no disuelto) y líquido ocluido (disuelto).En el estado disuelto, su transporte depende de un movimiento difusivo y de lacantidad disuelta que existe en todo momento en el líquido ocluido. El planteodel modelo tuvo como principales suposiciones: a) la matriz es homogénea ytixotrópica, b) se desprecia el cambio de volumen del sistema de encapsulación,y c) el activo en estado no disuelto no puede difundir. Se consideraron parámetros detransporte variables. El impacto de la erosión sobre la transferencia de lasespecies y el cambio en las propiedades viscoelásticas del sistema fueronestimados suponiendo que los coeficientes de difusión del agua y del activodisuelto y los parámetros del modelo de Maxwell dependieron del peso molecularde la matríz polimérica. Se consideró que el coeficiente de difusión noFickeano de transporte de agua depende de la concentración de agua y fueestimado con una expresión derivada de la ecuación de Hagen-Poiseuille. Los balances y las condicionesiniciales y de contorno fueron adimensionalizados para facilitar el análisis.Se obtuvieron parámetros adimensionales característicos de los fenómenosinvolucrados. El modelo adimensional fue discretizado mediante un métodoimplícito y resuelto en forma iterativa con el método de Gauss- Seidel. Elsistema de ecuaciones fue implementado en GNU/Octave 4.4.La validación del modelo sehizo con datos in vitro de liberación de astaxantina (compuesto activo) contenidoen esferas de alginato de calcio (matriz encapsulante) de aproximadamente 1 mmde radio. Las condiciones de liberación fueron similares a las del tractogastrointestinal. Se determinó el conjunto de valores de los parámetrosadimensionales característicos que mejor representaron el perfil de liberacióndel activo (error relativo < 10%). Esto permitió caracterizar el proceso deliberación de astaxantina desde la matriz y en las condiciones consideradas, yel efecto relativo de cada mecanismo.El modelo presentado puede serusado para describir la liberación de un compuesto activo en materialesencapsulantes alimenticios y como una herramienta de diseño y optimización desistemas de encapsulación. Los parámetros adimensionales definidos permitirándeterminar la importancia relativa de los mecanismos involucrados durante laliberación del activo. Este trabajo se complementa con una parte II en donde serealizó un estudio de análisis de sensibilidad del modelo para determinar sucapacidad de predicción.