La gelación iónica es una técnica de encapsulación que da como resultado cápsulas con un diámetro menor de 1000 µm, mediante el método de extrusión. Para llevar a cabo la gelación son necesarios materiales de recubrimiento, los cuales pueden ser gomas, carbohidratos, celulosas, lípidos, proteínas y materiales inorgánicos, y una solución reticulante, que, por lo general, son iones calcio (cloruro de calcio) [7], [8].

La gelación iónica consiste en producir pequeñas gotas de solución a partir de la mezcla del material de recubrimiento y el compuesto que se desea encapsular. El material de recubrimiento comúnmente usado es el alginato de sodio, debido a que es un polímero de fácil acceso, baja viscosidad y alta reactividad con los iones calcio. Esta solución se fuerza a través de boquillas generando gotas, y éstas caen en un baño de iones calcio formando así una cápsula de gel [9]. Este mecanismo se denomina de gelificación externa y es el más común y fácil para ambos tipos de compuestos, solubles e insolubles [10]. Se producen geles heterogéneos (Figura 1A), debido a que la gelificación en la superficie ocurre antes de la gelificación del núcleo, dando como resultado una superficie rígida y un núcleo blando [11].

Figura 1. Figura 1. Diagrama representativo de gelación iónica externa (A) e interna (B). Fuente: elaboración propia.

Por otro lado, existe también el mecanismo denominado gelificación interna (Figura 1B), el cual consiste en la preparación de una solución de iones calcio y el compuesto de interés que se desea encapsular, esta mezcla se fuerza a través de una boquilla y se vierte en un baño de alginato de sodio. Para llevar a cabo la liberación de los iones calcio se acidifica el medio adicionando un ácido orgánico como el acético, adípico y la glucono δ-lactona, se añade también un agente secuestrante, el cual se enlaza con el calcio libre retardando así el proceso de gelificación (Figura 1) [12], [13].

Entre las principales ventajas de la gelación iónica está que no emplea altas temperaturas ni disolventes orgánicos. Por otro lado, si se usan materiales de recubrimiento de bajo peso molecular, el producto tiende a presentar una rápida liberación a través del gel, por lo que es necesario el uso de otras estrategias como la preparación de una emulsión, ya que se ha demostrado que a través de ésta se brinda una liberación lenta dentro del organismo, dando una mejor absorción del compuesto encapsulado. La gelación externa brinda tamaños de cápsulas más grandes (>2000 µm) y una mejor eficiencia de encapsulación, por ello se utiliza para la encapsulación de aceites esenciales, compuestos bioactivos y extractos [14]–[16]. Por su parte, la gelación interna se emplea más frecuentemente para la encapsulación de microrganismos debido a que se obtiene un tamaño de cápsulas uniforme y una superficie lisa, mediante la cual es menos probable que se produzcan aglutinaciones y, por lo tanto, menos grietas o poros [17], [18].

En la investigación realizada por [19] utilizaron el proceso de gelación externa para encapsular la proteína de chícharo debido a su característica de tener un olor y sabor indeseables. En su investigación utilizaron alginato de sodio en diferentes concentraciones (1 %, 1.5 % y 2 % p/v) y encontraron que las cápsulas elaboradas con una concentración de 1 % de alginato de sodio fueron más eficaces respecto a la conservación del contenido de proteína (30.26 %) y al tamaño y estabilidad de las cápsulas. La concentración más alta de alginato de sodio (2.0 %) dio resultados positivos respecto a su morfología, debido a que se tenía mayor cantidad de alginato de sodio y se obtuvo una esfera uniforme. En [20] se evaluó la concentración de cloruro de calcio (2 %, 5 %, 10 % p/p) y utilizaron variación de tiempo (30 min, 45 min, 60 min) para la encapsulación de aceite de toronja. Encontraron que el uso de CaCl2 a una concentración de 7.4 % p/p y un tiempo de 58 minutos de reticulación tiene como resultado un rendimiento del 62 %, una eficiencia de encapsulación del 100 % y una capacidad de carga de aceite de 10 % p/p. Estos resultados pueden estar relacionados con un mayor tiempo de reticulación brindando un recubrimiento con mayor rigidez.

Se ha reportado el uso de la gelación interna para la encapsulación de probióticos como el caso de Bifidobacterium BB-12, la encapsulación ayudó a la protección de los probióticos y a una liberación controlada en condiciones gastrointestinales. La morfología de las cápsulas fue esférica, con superficie lisa y uniforme, y un tamaño de (54.82 ± 0.54) µm. Estas características se consideran favorables y proporcionan una opción de incorporación a los alimentos [21].

Bifidobacterium longum también se encapsuló utilizando alginato de sodio y quitosano como recubrimiento. Se elaboraron dos tipos de cápsulas, una con solo alginato y otra con una matriz mixta de alginato y quitosano, donde se observó que las cápsulas de la matriz mixta protegieron a Bifidobacterium longum del líquido gastrointestinal y de las altas temperaturas [18]. Lactobacillus delbrueckii es un probiótico, el cual, encapsulado con alginato de sodio (25 %) y gelana de alto acilo (75 %), logró conservar el 50 % de su viabilidad en jugos gástricos durante 240 minutos, reforzando así su viabilidad durante el paso a través del estómago. Este resultado es debido a que la goma gelana recubre los poros presentes en las cápsulas aumentando la eficiencia en la encapsulación e impidiendo la interacción entre el microorganismo y los jugos gástricos [22].

En [23] realizaron la microencapsulación de una emulsión de antocianinas de piel de uva mediante gelación interna y posteriormente la sometieron a un secado por aspersión y una liofilización. Los polvos secados por aspersión exhibieron una mayor eficiencia de encapsulación de antocianinas y tamaños de cápsulas más pequeños que los obtenidos por liofilización. En un estudio donde el objetivo fue maximizar la eficiencia de encapsulación mediante gelificación interna de una emulsión elaborada con 400 mL de aceite vegetal, 100 mL de tensoactivo y extracto de menta, utilizando como material de recubrimiento alginato de sodio al 0.5 %, 0.05 M CaCl₂, obtuvieron una eficiencia de encapsulación del 5.6 % y un tamaño de cápsulas de 785 nm. Los valores más altos del rendimiento de encapsulación se encontraron para mayores concentraciones de alginato, esto debido a la alta viscosidad del alginato que causa una mayor cohesión, lo que conduce a un atrapamiento de una mayor cantidad de material bioactivo [24].

En la Tabla 1 se presenta un resumen de trabajos de investigación con distintos mecanismos de gelación.

Tabla 1. Tabla 1. Encapsulación por gelación iónica externa e interna de distintos compuestos de interés en diferentes matrices alimentarias.

Compuesto de interés	Materiales de encapsulación	Tipo de gelación	Resultado	Referencia
Extracto de escamas de cebolla	Alginato de sodio	Externa	Las cápsulas elaboradas con el 6 % de extracto mostraron la máxima actividad antioxidante y presentaron estabilidad frente al fluido gástrico.	[25]
Extracto de orujo de uva	Alginato de sodio	Externa	La estabilidad a largo plazo de las cápsulas (6 meses) presentó mayor cantidad de polifenoles que en estado libre.	[26]
Extracto de orujo de uva	Alginato de sodio y quitosano	Externa	La eficiencia de encapsulación osciló entre 55 % y 79 %, la eficiencia disminuyó al aumentar el diámetro de las cápsulas.	[27]
Lactobacillus acidophilus	Pectina, inulina, salvado y almidón	Interna	Las cápsulas elaboradas con salvado fueron las únicas en mantener el microorganismo viable durante 120 días.	[28]
Espirulina	Alginato de sodio	Interna y externa	La dureza de las cápsulas elaboradas con gelación externa fue tres veces más mayor que las elaboradas con gelación interna, al igual que el contenido de proteína.	[29]
Extracto de diente de león	Alginato de sodio, suero de leche, pectina, hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC)	Interna	La matriz elaborada con alginato de sodio y proteína de suero indicó un óptimo sistema de entrega, mientras que la matriz de alginato y HPMC permitió una liberación más prolongada en los fluidos gastrointestinales.	[30]
Extracto de cocoa	Alginato de sodio	Interna y externa	Las cápsulas elaboradas por gelación interna mostraron una estructura interna más homogénea y compacta.	[31]

Fuente: Elaboración propia.

La variedad de materiales que pueden emplearse para la microencapsulación se ha ampliado gradualmente en la medida en que surgen nuevos materiales de recubrimiento [32].

Las características para seleccionar el material de recubrimiento para la encapsulación son: [9], [32].

- La aplicación en la que se va a utilizar.

La encapsulación por gelación iónica tiene un gran aporte a la industria alimentaria como el enmascaramiento de color, sabor, conservación e incorporación de componentes.

El uso de edulcorante en la industria alimentaria ha ido en aumento, como es el caso de la fructosa, la cual se obtiene por medio de una extracción de almidón de maíz y la utilización de catalizadores y enzimas. Por esto hay estudios en los cuales se hace uso de la gelación iónica para la obtención de fructosa, esto a partir de la inmovilización de la inulinasa en alginato de sodio [66].

Bifidobacterium bifidum se encapsuló por medio de gelación iónica externa en una matriz de alginato de sodio y k-carragenina. Estas cápsulas se adicionaron a queso cheddar con la finalidad de determinar la viabilidad del probiótico. Se descubrió que en los dos quesos adicionados con Bifidobacterium bifidum, uno en forma libre y otro encapsulado, se afectaron las propiedades fisicoquímicas, microbiológicas y sensoriales del queso cheddar. El queso adicionado con el probiótico encapsulado presentó una mejor supervivencia comparado con las que se encontraban en estado libre, de igual manera que en las condiciones gastrointestinales [67].

Se han realizado estudios para la viabilidad de la encapsulación de hierro, ya que ayudaría a la prevención de la anemia. Las ventajas que se pueden encontrar en la encapsulación del hierro es una mejora en la biodisponibilidad, reduce alteraciones organolépticas de productos fortificados y disminuye los trastornos gastrointestinales del uso de suplementos [68].

En la industria farmacéutica, la gelación iónica tiene un gran aporte debido a que los polímeros y reactivos biocompatibles garantizan un preliminar de la formulación, que se confirma llevándolo a un experimento in vitro e in vivo; también permite estimar el comportamiento de dicha formulación a largo plazo [69].

La aplicación de fertilizantes se usa para la producción agrícola, éstos se pierden en el medio ambiente causando que no puedan ser absorbidos por los cultivos y provocando pérdidas en el sector agrícola. En la investigación realizada por [70] encapsularon el fertilizante nitrato de potasio utilizando una matriz mixta de quitosano y almidón de papa, mostrando un rendimiento de liberación de nitrato de potasio de 94.89 % a las 2 h [70].

Pseudomonas putida, es una bacteria promotora del crecimiento de las plantas, las cuales se ven influenciadas por factores como la temperatura, la humedad, pH y la salinización del suelo. Se llevó a cabo una encapsulación de esta bacteria por gelación iónica externa. Las cápsulas se elaboraron con alginato de sodio (1.5 g), bentonita (0.5 g), suspensión bacteriana (2x10^8 ufc/mL) y CaCl₂ (2 %). La encapsulación demostró una supervivencia mayor para las bacterias encapsuladas a comparación de las bacterias libres, las cápsulas presentaron un diámetro de 25 μm a 100 μm y una superficie rugosa. En la elaboración de cápsulas se tuvo una variación en la velocidad de agitación (900 rpm -1800 rpm), por lo que el recubrimiento y la velocidad de agitación afectaron significativamente el tamaño y la monodispersidad [71].

El alginato tiene propiedades biocompatibles y rentables, haciéndolo ampliamente utilizado en sectores del medio ambiente. Su principal uso es en la eliminación de contaminantes como metales pesados, antibióticos del agua y en aguas residuales [72].

En [73] elaboraron cápsulas de alginato y goethita, esto para absorber el arsénico de agua subterránea. Se demostró que las cápsulas son efectivas para la eliminación de arsénico con una sorción de 30.44 mgg^-1 [73]. La biosorción se utiliza para eliminar material coloidal durante el tratamiento de aguas. Se encapsuló el hongo Funalia Trogii para inmovilizarlo, utilizando alginato de sodio como material de recubrimiento; la capacidad máxima de biosorción fue de 102.3 mg, esto debido a que los iones metálicos electronegativos se sienten fuertemente atraídos por preparaciones fúngicas vivas e inactivas inmovilizadas [74].

Se realizó un estudio del rendimiento de adsorción de cápsulas compuestas de alginato de sodio y halloysita para la eliminación de Pb2+, obteniendo un resultado de capacidad de adsorción de 325 mg/g, lo cual indica que la matriz mixta de alginato y halloysita contribuyen a la adsorción de Pb²⁺ por el intercambio iónico y fisisorción [75]. Se encontró que la inmovilización de P. laccase en cápsulas de alginato de calcio mejoró su estabilidad térmica y de almacenamiento. Las cápsulas se elaboraron a partir de alginato de sodio (2 % p/v) y CaCl₂ (2 % p/v). El estudio demostró que la enzima inmovilizada tiene potencial para su aplicación en el tratamiento de colorantes en aguas residuales [76]. En la investigación llevada a cabo por [77] elaboraron dos tipos de cápsulas para eliminar el azul de metileno, debido a que se encuentra en aguas residuales y presentan un riesgo para la salud de todas las formas de vida. La primera donde el material de recubrimiento era carbón activado-alginato de sodio, y la segunda con carbón activado-bentonita-alginato. La cápsula con máxima adsorción fue la matriz mixta de carbón activado-bentonita-alginato (756.97 mg). La combinación de los materiales de recubrimiento tiene una alta capacidad de adsorción debido a la gran superficie y la baja competencia entre las moléculas de tinte. La industria alimentaria produce toneladas de residuos orgánicos, los cuales provocan daños al medio ambiente, por lo tanto, se han buscado opciones para aprovechar tales residuos. En [78] utilizaron alginato de sodio para encapsular residuos de arándano, evaluaron el total de antocianinas (37.82 ± 5.69) y el contenido fenólico (281.0 ± 3.0) en el cual obtuvieron una retención fenólica de (67.01 ± 1.04) %, lo cual se debe a la viscosidad del alginato de sodio, ya que un aumento en la matriz tiene como consecuencia una encapsulación mayor de compuesto activo. En [79] obtuvieron extracto de Aronia melanocarpa L., la cual es un tipo de baya rica en polifenoles. Utilizaron una matriz mixta de alginato de sodio e inulina y como solución reticulante se utilizó CaCl₂ (2 %) y el extracto de Aronia. Probaron variación en los calibres de aguja (18, 20, 22), contenido de inulina (0.5 %) y tipo de alginato (baja viscosidad, viscosidad media). Se obtuvo una mejor liberación a partir de las cápsulas elaboradas con aguja de calibre 20, un alginato de viscosidad media y con un contenido de inulina del 5 %, las cuales contenían 0.24 mg de GAE/g de polifenoles. Esto debido a que los polifenoles tienen una mayor afinidad por el alginato/inulina, ya que interaccionan los grupos polares de los polifenoles y los grupos hidroxilo de la inulina. Las micrografías electrónicas de barrido permitieron observar que la utilización de inulina favoreció las propiedades de las cápsulas.

En la encapsulación de extracto de maíz morado y de arándano por separado en una matriz compuesta por alginato y pectina, se encontró que la eficiencia de encapsulación del arándano con la matriz fue significativamente mayor a diferencia de la del maíz morado, esto debido a la compatibilidad de las estructuras. Durante el almacenamiento se reducían las pérdidas de antocianinas cuando se utilizaban bajas temperaturas [80].

En [81] elaboraron una emulsión con azafrán y achiote, la cual encapsularon utilizando quitosano y trifosfato de sodio como materiales de recubrimiento. El objetivo de este estudio fue evaluar la protección solar de la emulsión encapsulada, encontrando resultados de una protección mínima, ya que los valores variaron de 2.15 a 4.85 de factor de protección solar.

También se evaluó el pH durante el almacenamiento, el cual oscilaba en los rangos 5.44 a 5.88, indicando así que es una emulsión viable para la utilización en la piel humana [81].

Las enzimas inmovilizadas por encapsulación muestran mejor estabilidad debido a que intensifican el control de su microambiente. Además, se ha demostrado que son catalíticamente activos en temperaturas más altas en disolventes orgánicos, así como también se separan fácilmente de la reacción sustrato-producto [82].

Se encapsuló lipasa de Penicillium crustosum, el cual se utiliza como biocatalizador para la producción de propionato de geranilo. Se utilizó alginato de sodio y cloruro de sodio como material de recubrimiento, las cápsulas tenían un diámetro de 0.5 cm, las condiciones con las que se obtuvo la mayor concentración (50­ %) de la enzima fueron con una relación molar de 5:1 geranilo/ácido propiónico y 150 rpm [83].

La enzima diamino oxidasa se encapsuló en una matriz mixta de almidón y alginato de sodio, presentando una menor porosidad, disminuyendo así el acceso del fluido gástrico al interior de la cápsula para no tener pérdida de la enzima; al igual, esta se encontraba activa mientras estaba encapsulada. La matriz brindó una protección a la enzima contra la degradación gastrointestinal [84].

Este apartado de la revisión presenta la versatilidad y utilidad de la gelación iónica para tratar aspectos importantes en las áreas de alimentos, residuos, aguas, farmacéutica y ambiental.