La celulosa es una sustancia presente de forma natural en plantas, frutas y verduras. En su forma purificada se denomina celulosa microcristalina (MCC), una fibra insoluble de origen vegetal, obtenida más concretamente de la madera. Cuando se purifica y se agrega con hidrocoloides, más comúnmente carboximetilcelulosa de sodio (CMC), se convierte en un ingrediente dispersable capaz de estabilizar varios sistemas alimentarios. En esta forma coprocesada se conoce como celulosa microcristalina coloidal (MCC coloidal).

El coprocesamiento comprende la aplicación de energía a través de una homogeneización intensiva de los componentes involucrados, dando como resultado un producto con diferentes prestaciones y funciones. A diferencia de una simple mezcla, en este proceso es como si la carboximetilcelulosa sódica recubriera las partículas de celulosa microcristalina, convirtiendo la fibra insoluble en un estabilizador dispersable. Cuando se dispersa, la celulosa microcristalina coloidal forma un gel opaco con comportamiento tixotrópico, estable en un amplio rango de pH y temperatura, además de presentar sinergia con otros hidrocoloides.

La celulosa microcristalina (MCC) se prepara por hidrólisis ácida a partir de pulpa de madera altamente purificada en condiciones controladas. En la primera etapa, la pulpa se trata con una solución mineral ácida diluida en un medio acuoso. Durante la hidrólisis, las moléculas ácidas penetran en las regiones amorfas y rompen los enlaces β-1,4 entre las unidades de glicopiranosa celulósica. La glucosa soluble en agua resultante y los oligosacáridos celulósicos se eliminan mediante lavado y filtración posteriores. La masa húmeda restante contiene solo regiones cristalinas puras de celulosa natural.

Además de la forma coloidal, ya mencionada anteriormente, la celulosa microcristalina se puede producir en forma de polvo y pasta. El MCC en polvo consiste en una masa húmeda y refinada, que mezclada con agua da como resultado una pasta que se neutraliza. Las partículas secas tienen alta fluidez y alta porosidad, ya que son un agregado de muchos materiales aglomerados, compuestos por partículas primarias de celulosa microcristalina, que están fuertemente unidas por puentes de hidrógeno, lo que impide su liberación individual.

El polvo tipo MCC tiene excelentes propiedades como aglutinante para la compresión directa de comprimidos, así como una excelente capacidad de retención de agua, lo que permite la fabricación de productos pastosos en un amplio rango de contenido de agua, pudiendo además mejorar la fluidez del fluido dilatante. Además, tiene una función aglutinante, que es la prevención de la adhesión entre polvos de fármacos adyacentes, para obtener eficientemente gránulos rígidos o esferas con una distribución de tamaño uniforme. Se puede utilizar como agente auxiliar en granulación en lecho fluido, granulación en tambor, etc.

La pasta de celulosa microcristalina se obtiene rompiendo la celulosa hidrolizada en pequeños fragmentos, que se cizallan para liberar microfibrillas celulósicas y cristalitos agregados (partículas de celulosa microcristalina primaria). Dependiendo de la distribución entre las microfibrillas y las partículas de cristalita, se obtiene la funcionalidad deseada. A continuación, se ajusta la concentración de celulosa microcristalina para producir celulosa microcristalina similar a una pasta.

La celulosa microcristalina es conocida como un ingrediente multifuncional, ya que realiza las más diversas funciones en diferentes aplicaciones en la industria alimentaria, actuando como estabilizador, agente de textura y crema, sustituto de grasas, antiaglomerante, auxiliar de extrusión, agente de compresión y contenido de fibra insoluble.

Por otro lado, la carboximetilcelulosa (CMC), normalmente presentada en forma de sodio como carboximetilcelulosa sódica, es muy soluble en agua, tanto fría como caliente, en la que forma soluciones o geles. Es aeróbico y biodegradable por bacterias que se encuentran en el medio ambiente, produciendo pequeñas cantidades de fragmentos de CMC y azúcares; sin embargo, su biodegradabilidad varía de lenta a muy lenta.

La CMC resulta del tratamiento de la celulosa, mediante la reacción de Williamson, a presión atmosférica (a diferencia de otros ésteres de celulosa), que se realiza mediante una solución de hidróxido de sodio y monocloroacetato de sodio, resultando en la sustitución parcial de los grupos hidroxilo de la glucosa por -CH2- Grupo COOH, que atribuye a la celulosa modificada cualidades de solubilidad y viscosidad deseadas en solución, facilitando la hidratación de la molécula.

La estructura de la carboximetilcelulosa se basa en el polímero de celulosa de β-(1→4)-D-glucopiranosa. Las diferentes preparaciones pueden tener diferentes grados de sustitución, siendo el grado medio de sustitución de los grupos hidroxilo superior a 0,5 y posiblemente llegando hasta 0,9.

Las moléculas de carboximetilcelulosa normalmente son más cortas que las moléculas de la celulosa original a partir de la cual se produce, con áreas de sustitución mayor y menor. Esta sustitución está predominantemente ligada a 2-O- y 6-O-, seguida en orden de importancia por las uniones 2,6-di-O- y 3-O-, 3,6-di-O-, 2,3 -di -O- y, por último, 2,3,6-tri-O-, que aparentemente ocurre porque la sustitución es ligeramente cooperativa (en los residuos), es decir, más que un proceso aleatorio, dando áreas no sustituidas y trisustituidas a una tasa ligeramente mayor . Las moléculas de carboximetilcelulosa están más ramificadas a bajas concentraciones; en altas concentraciones, las moléculas se superponen y enlazan en espirales, enredándose para formar un gel termorreversible. Disminuir la fuerza iónica, además de reducir el pH, reduce la viscosidad y hace que el polímero tenga una disposición aún más espiral.

En la industria alimentaria, la carboximetilcelulosa se utiliza como espesante, aglomerante, estabilizador de jugos (refrescos en general), agente de suspensión, retención de agua y medio de soporte para la inmovilización de enzimas y/o microorganismos.

Otro compuesto químico derivado de la celulosa es la metilcelulosa (MC), categoría que también incluye la hidroxietilmetilcelulosa (HEMC) y la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC).

La metilcelulosa no se produce de forma natural, sino que se produce sintéticamente calentando la celulosa con una solución cáustica y tratándola con cloruro de metilo. En la siguiente reacción de sustitución, los residuos de hidroxilo (grupos funcionales -OH) se reemplazan por metóxido (grupos -OCH3). Se pueden preparar diferentes tipos de metilcelulosa dependiendo del número de grupos hidroxilo reemplazados. La celulosa es un polímero que consta de numerosas moléculas de glucosa unidas, cada una de las cuales expone tres grupos hidroxilo. El grado de sustitución de una forma dada de metilcelulosa se define como el número medio de grupos hidroxilo sustituidos por glucosa. El máximo teórico es por tanto un DS de 3,0, pero los valores más típicos son de 1,3 a 2,6. Diferentes preparaciones de metilcelulosa también pueden diferir en la longitud promedio de sus polímeros.

La metilcelulosa tiene una temperatura de solución crítica más baja, conocida por el acrónimo LCST, (la temperatura de solución crítica más baja, o temperatura de consoluto más baja, es la temperatura crítica por debajo de la cual los componentes de una mezcla son miscibles para todas las composiciones), entre 40°C y 50 ºC A temperaturas por debajo de la LCST, es fácilmente soluble en agua; por encima de LCST, la metilcelulosa no es soluble, lo que tiene el efecto paradójico de que calentar una solución saturada de metilcelulosa la solidificará porque precipitará. La temperatura a la que esto ocurre depende del grado de valor de sustitución; Los valores de grado más alto de sustitución proporcionan una solubilidad más baja y temperaturas de precipitación más bajas.

La solución de metilcelulosa con agua fría es difícil de preparar, ya que al entrar el polvo en contacto con el agua, se forma una capa de gel a su alrededor, reduciendo drásticamente la difusión de agua en el polvo, es decir, el interior permanece seco. Por tanto, el procedimiento más adecuado es mezclar primero el polvo con agua caliente, para que las partículas de metilcelulosa se dispersen bien en el agua, enfriando y agitando esta dispersión para que las partículas se disuelvan rápidamente.

La metilcelulosa es reconocida como ingrediente emulsionante y textura, codificada con el número E461 en la Comunidad Europea, además de ser considerada como un aditivo espesante y gelificante. Al igual que la celulosa, no es digerible, no tóxico y no alergénico.

La celulosa también produce otros derivados, como la hidroxipropilcelulosa (HPC), la etilcelulosa (CE), la hidroxietilcelulosa (HEC), la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) y la carboximetilhidroxietilcelulosa (CMHEC).

La celulosa y sus derivados son ampliamente utilizados en la industria de alimentos y bebidas, desempeñando importantes funciones debido a sus propiedades de fluidez, emulsificación, estabilización de espuma, modificación de la formación de cristales de hielo, crecimiento y capacidad de retención de agua.

La aplicabilidad de los derivados de celulosa en ciertas aplicaciones alimentarias se puede seleccionar en relación con las características físicas y químicas. Sin embargo, dicha selección debe tener en cuenta algunos parámetros, como el compuesto químico del polímero; peso molecular del polímero; presencia de otros aditivos activos en la matriz alimentaria; proceso de producción de alimentos; y las propiedades físicas, incluido el tamaño de las fibras poliméricas.

La celulosa microcristalina (MCC) es uno de los derivados de la celulosa más utilizados como aditivo alimentario. Sus dispersiones coloidales exhiben un comportamiento de flujo tixotrópico debido a los agregados en polvo. Las dispersiones acuosas también son térmicamente estables. Se utiliza como agente de carga para modificar la textura de los alimentos y como sustituto de grasas en productos alimenticios a base de emulsiones. También es un buen agente de suspensión para partículas y sólidos y agrega cremosidad a muchos productos como la leche con chocolate. Su adición a masas y productos de panadería puede mejorar la adherencia, reducir el tiempo de secado y reducir la absorción de grasa durante la fritura.

Las funciones principales de la celulosa microcristalina incluyen la estabilización de espumas y emulsiones, la sustitución de aceites y grasas, la mejora de la adherencia en salsas, el control de la cristalización, la sinéresis y la viscosidad y, debido a sus propiedades tixotrópicas, el mantenimiento de partículas en suspensión y la formación de geles termoestables. Una de sus aplicaciones más recientes es como sustituto de grasas en productos de panadería, salsas, toppings y glaseados, postres helados, productos cárnicos, frituras, sopas y alimentos estructurados.

La celulosa microcristalina no tiene calorías y puede reemplazar el 100% de la grasa en aderezos para ensaladas, productos lácteos y postres. Su capacidad para actuar como estabilizador es particularmente útil para aplicaciones de formulación bajas en grasas.

Otras aplicaciones de la celulosa microcristalina incluyen quesos, salsas, aderezos para ensaladas, postres congelados y productos lácteos, así como vitaminas y complementos alimenticios, productos lácteos congelados, leche saborizada, pasteles, bollería y bebidas.

También se utiliza para reemplazar la manteca de cacao en las coberturas de chocolate. Una vez en boca, el paso de la grasa del estado sólido al líquido favorece la licuefacción, liberando el sabor y aportando lubricación y una agradable sensación al tacto en boca. Es necesario reponer la grasa en la fase continua sin afectar el desempeño de la cobertura. Los ingredientes del recubrimiento se dispersan en una solución de azúcar saturada que contiene celulosa microcristalina. Las propiedades del sistema azúcar-celulosa microcristalina reproducen las propiedades de la grasa.

La celulosa microcristalina se puede encontrar en diversas presentaciones, dependiendo del tamaño de partícula, grado de sustitución, viscosidad y características de hidratación.

La carboximetilcelulosa (CMC) es otro derivado de la celulosa ampliamente utilizado como aditivo alimentario. Por su carácter hidrofílico, alta viscosidad en soluciones diluidas, buenas propiedades filmógenas, seguridad y excelente comportamiento como coloide y adhesivo protector, la CMC se utiliza como agente auxiliar en el batido de helados, cremas y lácteos; como auxiliar en la formación de geles en jaleas y pudines; y como espesante en salsas y aderezos para ensaladas. También se usa como agente de suspensión en jugos de frutas; como coloide protector en emulsiones y mayonesas; como agente protector para cubrir la superficie de las frutas; y como estabilizante en productos listos para hornear. También se utiliza como agente espesante, estabilizador y suspensor. Puede mejorar el volumen del pan durante la cocción al estabilizar las burbujas de gas; y estabilizar e inhibir el crecimiento de cristales de hielo en postres helados y helados.

La metilcelulosa (MC) y la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) también tienen propiedades que las hacen adecuadas para su uso en la industria de alimentos y bebidas. Dos de sus características funcionales únicas son la solubilidad a temperatura inversa y la gelificación térmica. Debido a sus propiedades multifuncionales, se utilizan como emulsionantes y estabilizantes en aderezos para ensaladas bajos en aceite y/o sin aceite. En productos de panadería, evitan que los rellenos se desborden y ayudan a retener los gases durante la cocción.

Las características de formación de película y gelificación térmica de la metilcelulosa se aplican en alimentos fritos para reducir la absorción de aceite.

Los derivados de celulosa también se utilizan en aplicaciones más específicas, como en alimentos emulsionados. Muchos alimentos líquidos, como salsas, caldos, sopas y jugos, se elaboran con hidrocoloides, incluidos los derivados de la celulosa. Específicamente en estos artículos, los derivados de la celulosa pueden ayudar en la continuidad de la colectividad estructural durante la congelación. Además, pueden reducir significativamente las calorías de los alimentos, reemplazando carbohidratos o grasas. A menudo se prefieren en estos productos debido a sus propiedades de retención de agua y para minimizar la sinéresis en la desintegración, así como para proporcionar viscosidad al sistema alimentario, incluidos niveles reducidos de grasas y aceites. La hidroxipropilcelulosa (HPC), la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) y la metilcelulosa (MC) son importantes derivados de la celulosa en muchos de estos productos, ya que evitan la asociación de gotas de aceite y aseguran la viscosidad del volumen y las características sensoriales deseadas en salsas y caldos.

Los aderezos para ensaladas y las coberturas batidas se encuentran en el grupo de alimentos emulsionados, siendo los primeros emulsiones de aceite en agua y las segundas emulsiones espumosas de aceite en agua. Ambos tipos necesitan propiedades químicas y físicas básicas específicas que se adquieren con el uso de derivados de celulosa. Más comúnmente, las emulsiones de aderezo para ensaladas se preparan con hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) y celulosa microcristalina (MCC), con HPMC incluida en la mezcla como emulsionante, controlador de reología y desarrollador de propiedades sensoriales.

La celulosa y sus derivados también son los ingredientes preferidos en la elaboración de productos de panadería, particularmente en productos de panadería ricos en fibra, que incluyen cantidades disminuidas de harina, debido a la atenuación del valor calórico y, en consecuencia, necesitan un reajuste específico para proporcionar estructura y calidad de horneado comparable a los productos que contienen harina de trigo. En estos casos, la celulosa microcristalina (MCC), la metilcelulosa (MC) y la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) se utilizan para la sustitución fraccionada de la harina de trigo. El uso de MC y HPMC evita la pérdida de mantenimiento del pan, debido a la menor concentración de harina de trigo, asegurando una masa elástica durante el amasado y horneado, que retiene el CO2 y permite que el pan mantenga su volumen satisfactoriamente.

En la estructura del pan, los derivados de celulosa con propiedades gelificantes son muy beneficiosos térmicamente. Dado que MC y HPMC son interfacialmente activos y forman geles elásticos a temperaturas elevadas, se pueden implementar para aumentar la resistencia y el aspecto de la masa.

En los postres helados se utilizan derivados de la celulosa para controlar la acumulación de cristales de hielo y modificar la reología. También pueden producir textura en postres congelados bajos en grasa o sin grasa, con una sensación en la boca similar a los productos que incluyen niveles más altos de grasa en su formulación. La metilcelulosa (MC) es la más utilizada en este ámbito. En helados y otros productos ultracongelados, reduce la acumulación de cristales de hielo durante la congelación y fusión. En mayonesas, especias, cremas y salsas, permite fijar y controlar la viscosidad de la emulsión y disminuir la variedad de grasas y huevos; en consecuencia, está indicado para su uso en productos alimenticios no digeribles bajos en calorías y grasas. También está indicado para promover la espuma en las bebidas frías y para actuar en la disgregación homogénea de los diversos agentes en los productos alimenticios.

En los alimentos fritos industrializados, la metilcelulosa (MC) y la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) son los derivados de celulosa preferidos. Además de mantener la forma del producto durante la fritura, se utilizan para añadir textura cuando el producto está caliente y para evitar que hierva durante la cocción o la fritura.

La metilcelulosa es más adecuada para rebozados de alimentos fritos debido a sus propiedades gelificantes naturales y su temperatura de gelificación más baja. Su alta viscosidad también es beneficiosa en esta área, ya que la viscosidad de la masa afecta el incremento de grasa durante la fritura, y una mayor viscosidad da como resultado mejores recubrimientos para la masa y una menor penetración de aceite.

Una tecnología emergente para la aplicación de derivados de celulosa se encuentra en el recubrimiento de películas comestibles, donde se presentan como excelentes herramientas para aumentar la vida útil de los alimentos. Debido a que son hidrofílicos, tienen características de formar una barrera contra la humedad, además de proporcionar una conservación eficiente contra la oxidación de lípidos y otros materiales alimentarios sensibles.

Los recubrimientos obtenidos con derivados de la celulosa son comparativamente duraderos a la penetración del agua y no son afectados por grasas, aceites y solventes orgánicos no polares, dificultando el acceso al aceite en aproximadamente un 50% a 90% y con beneficios en sistemas complejos en cuanto a controlar el conducción de vapor de agua, reduciendo la eclíptica del aceite. Estas películas están especialmente formuladas para alimentos congelados, evitando la remoción de agua de áreas de alta humedad relativa a áreas de baja humedad relativa y preservando las características de textura de las preparaciones de productos frescos.

La hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) fue el primer derivado de celulosa utilizado para la producción de películas con esta técnica. Una de las propiedades únicas de estas películas es que los geles HPMC hidratados evitan que la humedad se mueva a temperaturas superiores a 65 °C, lo que ralentiza el transporte desde áreas con actividad de agua relativamente alta a áreas con actividad de agua baja.