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Development of nanostructures for application in food technology : evaluation o...

Autor(es): Pinheiro, A. C. cv logo 1

Data: 2013

Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/1822/27378

Origem: RepositóriUM - Universidade do Minho


Descrição
Tese de doutoramento in Chemical and Biological Engineering The emerging field of nanotechnology offers new challenges to the food industry either by offering novel tools for the development of strategies to improve food quality and human health, or by the introduction of questions about the behaviour of nanostructures within the human body. Nanotechnology holds a great potential to generate very innovative solutions and to provide food technologists and manufacturers with instruments to meet the evergrowing consumer demands in very diverse aspects related with the foods they eat: safety, quality, health-promotion and novelty. However, the application of nanostructures to foods is hindered by very pertinent problems, which could be summarized in two issues: edibility (only edible materials must be used for their production) and functionality/behaviour once inside the human body, that is raising safety concerns among the consumers, and therefore demands an evaluation (ideally) in vivo, or at least in vitro. In this context, the two main challenges addressed in this thesis were to develop stable nanostructures for food applications and to evaluate their in vitro behaviour. The strategy adopted included the development and characterization of edible nanostructures, incorporation of bioactive compounds and evaluation of their behaviour when subjected to digestion in artificial gastrointestinal (GI) systems. In particular, the research undertaken was based on three different nanostructures: nanofilms composed of κ-carrageenan and chitosan, curcumin nanoemulsions stabilized by different emulsifiers and multilayer nanocapsules composed of chitosan and fucoidan. The interactions between κ-carrageenan and chitosan in nanofilms have been investigated and the results showed that κ-carrageenan/chitosan interaction is an exothermic process and that the alternate deposition of κ-carrageenan and chitosan results in the formation of a stable multilayer structure mainly due to the electrostatic interactions existing between the two polyelectrolytes. The κ-carrageenan/chitosan nanolayers exhibit good gas barrier properties and therefore offer great potential to be used e.g. to coat food systems. positions of the κ-carrageenan/chitosan nanolayered coating and its loading and in vitro release behaviour were evaluated. Loading results suggest that MB was able to diffuse into the κ-carrageenan/chitosan nanolayered coating and not only adhered to the surface of the layer immediately below it. For most of the tested conditions, MB release from the κ- carrageenan/chitosan nanolayered coatings was successfully described by the linear superimposition model, which allowed concluding that MB transport is due to both concentration gradient and polymer relaxation in the nanolayers. However, depending on temperature and pH of the medium and on the position of MB incorporated on the nanolayered coatings, different mechanisms prevailed. These results lead to conclude that the κ-carrageenan/chitosan nanolayered coatings represent a promising platform from which the controlled release of different bioactive compounds may be explored. Regarding curcumin nanoemulsions, they were prepared using four different emulsifiers: Tween 20 (non-ionic), Sodium Dodecyl Sulphate (SDS, anionic), Dodecyltrimethylammonium Bromide (DTAB, cationic) and lactoferrin (protein). Their formulation was optimized and their stability was evaluated during 90 days. DTAB-stabilized emulsions revealed to be the least stable, showing a phase separation, the highest colour change and the highest decrease in the magnitude of ζ-potential. Nanoemulsions stabilized by lactoferrin revealed to be at least as stable as nanoemulsions stabilized by synthetic emulsifiers, thus showing the great potential of lactoferrin to substitute synthetic emulsifiers, which is in line with the current trend of food industry. A human gastric simulator was used as in vitro digestion model (in which stomach, duodenum, jejunum and ileum steps were performed) to evaluate the impact of emulsifier (Tween 20, SDS and DTAB) charge on the digestion of curcumin nanoemulsions. The emulsifier charge had a significant effect on droplet size, particle electric charge and microstructure of curcumin nanoemulsions during the simulated digestion, which consequently influenced free fatty acids release and curcumin bioavailability. Results showed the positively charged DTAB-stabilized emulsions to be the least stable during the digestion process, exhibiting the largest increase in droplet size and eventual phase separation. This also contributed to the observed low bioavailability of curcumin. Conversely, emulsions stabilized with Tween 20 showed retention of emulsion structure (high surface area) and greater free fatty acid production, which could explain increased curcumin bioavailability. A dynamic digestion model, comprising the simulation of stomach, duodenum, jejunum and ileum, was developed and used to evaluate the impact of alginate coating on the digestion of curcumin nanoemulsions stabilized by lactoferrin. Results suggested that alginate coating may be able to control the rate of lipid digestion and free fatty acids adsorption within the GI tract, but encapsulated lipids are digested to the same extent, releasing the lipophilic bioactive compound. Biodegradable hollow nanocapsules were developed through alternate deposition of 10 chitosan/fucoidan layers on polystyrene (PS) nanoparticles, used as templates, followed by removal of the PS core. Poly-L-lysine (PLL) was entrapped in the nanocapsules and its loading and release behaviour was evaluated. Chitosan/fucoidan nanocapsules showed a good capacity for the encapsulation and loading of PLL and the results of fitting the linear superimposition model to the experimental data of PLL release suggested an anomalous release behaviour, with one main polymer relaxation and PLL release was found to be pHdependent. Due to their bioactive and non-toxic nature and to their responsiveness at different pHs, chitosan/fucoidan hollow nanocapsules showed great potential to act as a controlled delivery system for bioactive compounds. In conclusion, the nanostructures developed in this work can be used as platforms for the production of new products with improved characteristics targeted at the most recent consumer trends. This work contributes to the understanding of the behaviour of those nanostructures inside the human body during digestion (e.g. release phenomena involved at the nano-scale and bioavailability of lipophilic compounds during in vitro digestion), which is important to determine their functional performance, aiming at the optimization of nanobased delivery systems to protect and release bioactive compounds. Therefore, the outcome of this thesis is a very positive contribution to the evolution of the state-of-art on the application of nanotechnology to the food sector. A nanotecnologia é uma área emergente que oferece novos desafios à indústria alimentar, quer pela oferta de novas ferramentas para o desenvolvimento de estratégias para melhorar a qualidade dos alimentos e a saúde humana, quer pela introdução de questões sobre o comportamento das nanoestruturas dentro do corpo humano. A nanotecnologia tem um elevado potencial para gerar soluções inovadoras e para fornecer instrumentos que permitem ir ao encontro das exigências dos consumidores, em diversos aspetos relacionados com os alimentos: segurança: qualidade, promoção de saúde e novidade. Contudo, a aplicação de nanoestruturas em alimentos está limitada por problemas bastante pertinentes que se enquadram em duas temáticas: comestibilidade (apenas materiais comestíveis podem ser usados para a sua produção) e funcionalidade/comportamento dentro do corpo humano (questão que está a gerar preocupação entre os consumidores, exigindo, desta forma, uma avaliação in vivo (idealmente) ou pelo menos in vitro). Neste contexto, os dois principais desafios propostos nesta tese são o desenvolvimento de nanoestruturas estáveis para aplicações alimentares e a avaliação do seu comportamento in vitro. A estratégia adotada incluiu o desenvolvimento e caracterização de nanoestruturas, incorporação de compostos bioativos e avaliação do seu comportamento quando submetidos a uma digestão num sistema gastrointestinal artificial. Em particular, a investigação realizada baseou-se em três nanoestruturas diferentes: filmes nanolaminados compostos por κ- carragenato e quitosana, nanoemulsões de curcumina, estabilizadas por diferentes emulsificantes e nanocápsulas multicamadas compostas por quitosana e fucoidana. As interações entre o κ-carragenato e a quitosana em filmes nanolaminados foram investigadas e os resultados demostraram que a interação κ-carragenato/quitosana é um processo exotérmico e que a deposição alternada de κ-carragenato e quitosana resulta na formação de uma estrutura multicamadas estável, principalmente devido às interações eletrostáticas entre os dois polieletrólitos. O filme nanolaminado de κ-carragenato/quitosana exibe boas propriedades de barreira aos gases e por isso apresenta elevado potencial para ser usado como revestimento em sistemas alimentares. Para além disso, incorporou-se um composto catiónico modelo, azul de metileno (MB) em diferentes posições do filme nanolaminado de κ-carragenato/quitosana e avaliou-se o seu comportamento de adesão e libertação in vitro. Os resultados da adesão do MB sugerem que este composto se difundiu no filme nanolaminado em vez de aderir à superfície da camada imediatamente abaixo desta. Para a maior parte das condições testadas, a libertação do MB dos filmes nanolaminados de κ-carragenato/quitosana foi descrita com sucesso pelo modelo da sobreposição linear, que permitiu concluir que o transporte do MB ocorre devido ao gradiente de concentração e à relaxação das nanocamadas. Contudo, dependendo da temperatura e do pH do meio e da posição do MB no filme nanolaminado, podem prevalecer diferentes mecanismos. Estes resultados permitem concluir que o filme nanolaminado de κ- carragenato/quitosana representa uma plataforma de trabalho promissora a partir da qual se pode explorar a libertação de diferentes compostos bioativos. Em relação às nanoemulsões de curcumina, preparam-se usando quatro emulsificantes diferentes: Tween 20 (não iónico), Dodecil sulfato de sódio (SDS, aniónico), brometo de dodeciltrimetilamónio (DTAB, catiónico) e lactoferrina (proteína). Otimizaram-se as formulações das nanoemulsões e avaliou-se a sua estabilidade durante 90 dias. A nanoemulsão estabilizada pelo DTAB revelou ser a menos estável, pois verificou-se separação de fases e sofreu a maior alteração de cor e o maior decréscimo no valor absoluto do potencial zeta. As nanoemulsões estabilizadas com lactoferrina revelaram ser pelo menos tão estáveis como as estabilizadas pelos emulsificantes sintéticos, o que demonstra o grande potencial da lactoferrina em substituir os emulsificantes sintéticos, que é a tendência atual da indústria alimentar. De forma a avaliar o impacto da carga do emulsificante (Tween 20, SDS e DTAB) na digestão das nanoemulsões de curcumina, utilizou-se um digestor gástrico como modelo de digestão in vitro (no qual se simularam o estômago, o duodeno, o jejuno e o íleo). A carga do emulsificante teve um impacto significativo no tamanho, carga elétrica e microestrutura das nanoemulsões de curcumina durante a simulação da digestão, influenciando consequentemente a libertação de ácidos gordos livres e a biodisponibilidade da curcumina. Os resultados demostraram que as emulsões estabilizadas pelo DTAB (carregado positivamente) são as menos estáveis durante o processo de digestão, pois exibiram o maior aumento de tamanho e separação de fases. Isto contribuiu para a baixa biodisponibilidade da curcumina. Pelo contrário, as emulsões estabilizadas com Tween 20 preservaram a sua estrutura (elevada área de superfície) e verificou-se uma maior produção de ácidos gordos livres, o que pode explicar a elevada biodisponibilidade da curcumina. No decurso do trabalho foi desenvolvido um modelo de digestão dinâmico, que inclui a simulação do estômago, duodeno, jejuno e íleo, utilizado para avaliar o impacto do revestimento de alginato na digestão das emulsões de curcumina estabilizadas por lactoferrina. Os resultados obtidos sugerem que o revestimento de alginato pode ser capaz de controlar a taxa de digestão dos lípidos e a adsorção de ácidos gordos livres no tracto intestinal, contudo os lípidos encapsulados são digeridos na mesma extensão, libertando o composto bioativo lipofílico. Desenvolveram-se nanocápsulas ocas biodegradáveis através da deposição alternada de 10 camadas de quitosana/fucoidana em nanopartículas de poliestireno (PS), usadas como suporte, seguido pela remoção do núcleo de PS. A poli-L-lisina (PLL) foi aprisionada nas nanocápsulas e o seu comportamento de adesão e libertação foi avaliado. As nanocápsulas de quitosana/fucoidana revelaram uma boa capacidade para encapsular a PLL e os resultados de ajuste do modelo de sobreposição linear aos dados experimentais da libertação da PLL sugerem um comportamento de libertação anómalo, com uma relaxação principal do polímero, sendo a libertação da PLL dependente do pH. Devido sua à natureza bioativa e nãotóxica e à sua capacidade de resposta a diferentes pHs, as nanocápsulas de quitosana/fucoidana demostram elevado potencial para ser usadas como sistema de libertação controlada para compostos bioativos. Em conclusão, as nanoestruturas desenvolvidas neste trabalho podem ser usadas como plataformas para a produção de novos produtos com características melhoradas e focalizadas nas mais recentes tendências dos consumidores. Este trabalho contribuiu para a compreensão do comportamento de tais nanoestruturas dentro do corpo humano durante a digestão (ex. fenómeno de libertação envolvida à escala nano e biodisponibilidade de compostos lipofílicos durante a digestão), que é importante para determinar o seu desempenho funcional, visando a otimização dos sistemas de libertação à escala nano como veículos para proteger e libertar compostos bioativos. Desta forma, os resultados desta tese são um contributo bastante positivo para a evolução do estado-da-arte da aplicação da nanotecnologia ao setor alimentar.
Tipo de Documento Tese de Doutoramento
Idioma Inglês
Orientador(es) Vicente, A. A.; Coimbra, Manuel
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