Microencapsulation of roasted coffee oil from chitosan nanoparticles-stabilized Pickering emulsions

Abstract

O processo de emulsificação de óleos ricos em compostos bioativos permite sua melhor aplicação e preservação ao longo do tempo de armazenamento. Dentre os vários mecanismos de emulsificação, o método de Pickering tem se destacado devido à utilização de nanopartículas sólidas naturais, em substituição aos surfactantes artificiais. Estas partículas possuem afinidade tanto pela água quanto pela fase lipídica. Elas se adsorvem na interface óleo/água de forma a estabilizar as gotas de óleo, prevenir sua coalescência e viabilizar a incorporação da fase lipídica em produtos alimentícios hidrofílicos. Entretanto, para que as partículas apresentem propriedades adequadas de adsorção, modificações químicas e/ou físicas devem ser realizadas. Devido a propriedade antioxidante, não-toxicidade e disponibilidade, este trabalho buscou analisar a quitosana e suas modificações como potencial partícula de Pickering. As modificações estudadas foram a autoagregação, ou também chamada de desprotonação, e o intercruzamento com tripolifosfato de sódio. O desempenho destas partículas foi avaliado ao emulsificar óleo de café torrado, um subproduto da indústria cafeeira com alto teor de compostos bioativos e voláteis de interesse. Posteriormente, foram analisadas as propriedades físicoquímicas e estabilidade das microcápsulas produzidas após secagem das emulsões por meio das técnicas de spray-drying e liofilização. Emulsões com diferentes concentrações de óleo e de nanopartículas de quitosana foram avaliadas com relação à sua microestrutura, liberação de ácidos graxos e bioativos durante digestão gastrointestinal in vitro e sua bioacessibilidade. Todas as emulsões foram caracterizadas com comportamento reológico pseudoplástico, passando por desestruturação ao longo do processo de digestão. As emulsões formuladas com nanopartículas de quitosana desprotonada e menor concentração de óleo demonstraram melhor estabilização e, consequentemente, maior bioacessibilidade aos compostos fenólicos totais. As diferentes nanopartículas de quitosana foram caracterizadas quanto a sua carga superficial, distribuição de tamanho de partícula, microestrutura e afinidade pela água/óleo. Nanopartículas de quitosana desprotonadas tiveram maior tamanho de partícula, o que resultou em emulsões com gotas de óleo também maiores. Na medida em que se aumentou a concentração destas partículas, a viscosidade das emulsões foi positivamente afetada pela formação de uma rede tridimensional na fase contínua. As nanopartículas obtidas pelo intercruzamento da quitosana com o tripolifosfato de sódio foram menores, originando emulsões com gotas também menores. A viscosidade destas emulsões foi menor e pouco afetada pela concentração de partículas. As imagens obtidas por microscopia permitiram evidenciar a estabilização das gotas pelo método de Pickering. Emulsões de Pickering contendo 10% de óleo de café torrado foram secas por spray-drying e liofilização, utilizando as diferentes nanopartículas de quitosana estudadas e maltodextrina como agentes carreadores. As microcápsulas obtidas apresentaram umidade, atividade de água e solubilidade adequadas para manuseio e estocagem. A presença das nanopartículas de quitosana permitiu maior retenção de óleo nas microcápsulas e eficiência de encapsulação. Enquanto as microcápsulas obtidas por spray-drying tiveram formato esférico mais regular, as micropartículas obtidas por liofilização foram maiores com morfologia irregular. Os compostos bioativos e propriedades antioxidantes foram melhor preservados durante a liofilização. Por outro lado, a secagem por spraydrying permitiu maior proteção destes compostos durante a digestão. As microcápsulas formuladas com nanopartículas desprotonadas foram também submetidas ao ensaio de estocagem durante 30 dias a 25 ºC. Ao longo da estocagem, avaliou-se a sua proteção contra a oxidação lipídica e liberação de voláteis. Para isso, as isotermas de sorção de água destas amostras foram previamente determinadas nas condições de armazenamento. Ambas amostras apresentaram isotermas do tipo II, possibilitando um bom ajuste do modelo de GAB aos dados experimentais. O índice de peróxido e teor de dienos conjugados resultaram em valores adequados ao longo do armazenamento, embora as amostras liofilizadas tenham apresentado ligeira tendência à oxidação devido a maior quantidade de óleo superficial. Estes resultados concordam com os dados de liberação dos compostos voláteis. Apesar de ligeiras diferenças entre as amostras secas, todas mostraram menor perda de aromas totais (~28%) quando comparadas ao óleo não-encapsulado (~51%) ao final da estocagem. Assim, pôde-se concluir que as nanopartículas de quitosana estudadas foram eficientes para encapsular o óleo de café torrado e preservar suas características contra a ação de agentes externos.

The emulsification process of bioactive-rich oils makes possible their better application and preservation over the storage time. Among the many emulsification mechanisms, the Pickering method has been highlighted as it uses natural solid nanoparticles in replacement of artificial surfactants. These particles have affinity for both water and lipid phases. They are adsorbed at the oil/water interface in order to stabilize oil droplets, preventing their coalescence and making easier the oil incorporation into food products. However, in order to provide adequate adsorption properties to these particles, chemical and/or physical modifications must be performed. Due to the antioxidant properties, non-toxicity and availability, this work aimed at studying chitosan modifications to produce potential Pickering particles. The studied modifications comprised self-aggregation, also called deprotonation, and crosslinking with sodium tripolyphosphate. The performance of these particles was evaluated in the emulsification of roasted coffee oil, a by-product of the coffee industry with a high content of bioactive and volatile compounds of interest. Subsequently, the physicochemical properties and stability of the microcapsules produced after drying the emulsions using spray-drying and lyophilization techniques were analyzed. Emulsions with different concentrations of oil and chitosan nanoparticles were evaluated with respect to their microstructure, release of fatty acids and bioactive compounds during in vitro gastrointestinal digestion, as well as their bioaccessibility. All emulsions were characterized as shear-thinning, being them destabilized over the digestion process. Emulsions formulated with deprotonated chitosan nanoparticles and lower oil concentrations showed better stabilization and, consequently, greater bioaccessibility of to total phenolic compounds. The different chitosan nanoparticles were characterized regarding surface charge, particle size distribution, microstructure and oil/water affinity. Deprotonated chitosan nanoparticles had a larger particle size, which resulted in emulsions with larger oil droplets. As the concentration of these particles increased, the viscosity of the emulsions was positively affected by the formation of a three-dimensional network in the continuous phase. The nanoparticles obtained by crosslinking with sodium tripolyphosphate were smaller, resulting in emulsions with smaller droplets. The viscosity of these emulsions was lower and little affected by the concentration of particles. The images obtained by microscopy showed the stabilization of the oil droplets by the Pickering method. Pickering emulsions containing 10% roasted coffee oil were spray-dried and freeze-dried, using the different studied chitosan nanoparticles and maltodextrin as carrier agents. The resulting microcapsules showed adequate moisture content, water activity and solubility for subsequent handling and storage. The presence of chitosan nanoparticles resulted in greater oil retention in the microcapsules and higher encapsulation efficiency. Microcapsules obtained by spray-drying had a more regular spherical shape, while the microparticles obtained by freeze-drying were larger with irregular morphology. Bioactive compounds and antioxidant properties were more preserved during freeze-drying. On the other hand, spray drying allowed greater protection of these compounds during the in vitro digestion. The spray- and freeze-dried microcapsules formulated with deprotonated nanoparticles were subjected to the storage test for 30 days at 25 ºC. During storage, their protection against lipid oxidation and volatile release were evaluated. The water sorption isotherms of these samples were previously determined under the storage conditions. Both samples presented type II isotherms, which resulted in a good fitting accuracy of the GAB model to the experimental data. The peroxide index and the conjugated dienes content resulted in adequate values during storage, although the freeze-dried samples showed a slightly higher tendency to oxidation due to the higher amount of surface oil. These results were in accordance to the release of volatile compounds. Although slight differences were observed between the dried samples, both of them showed less loss of total volatile compounds (~28%) when compared to the non-encapsulated oil (~51%) at the end of storage. Thus, it was concluded that the studied chitosan nanoparticles were efficient to encapsulate roasted coffee oil and to preserve its characteristics against the action of external agents.

El proceso de emulsificación de aceites ricos en compuestos bioactivos permite su mejor aplicación y conservación durante el tiempo de almacenamiento. Entre los diversos mecanismos de emulsificación, se destaca el método de Pickering ya que utiliza nanopartículas sólidas naturales en sustitución de los tensioactivos artificiales. Estas partículas tienen afinidad tanto por el agua como por la fase lipídica y se adsorben en la interfaz aceite/agua para estabilizar las gotas de aceite, previniendo la coalescencia y permitiendo la incorporación de la fase lipídica en productos alimenticios. Sin embargo, para que las partículas tengan propiedades de adsorción adecuadas, se deben realizar modificaciones químicas y/o físicas. Debido a sus propiedades antioxidantes, no toxicidad y disponibilidad, en este trabajo se estudiaron distintas modificaciones del quitosano para su potencial aplicación como partícula de Pickering. Las modificaciones estudiadas fueron la autoagregación, también denominada desprotonación, y el entrecruzamiento con tripolifosfato de sodio. Se evaluó el comportamiento de estas partículas emulsionando aceite de café tostado, un subproducto de la industria de café con un alto contenido de compuestos bioactivos y compuestos volátiles de interés. Posteriormente, se analizaron las propiedades físico-químicas y la estabilidad de las microcápsulas producidas tras el secado de las emulsiones mediante técnicas de secado por atomización y liofilización. Se prepararon emulsiones con diferentes concentraciones de aceite y nanopartículas de quitosano y se estudió su microestructura, liberación de ácidos grasos y bioactivos durante la digestión gastrointestinal in vitro así como su bioaccesibilidad. Todas las emulsiones se caracterizaron por tener un comportamiento reológico pseudoplástico, sufriendo desintegración a lo largo del proceso de digestión. Las emulsiones formuladas con nanopartículas de quitosano desprotonadas y menor concentración de aceite mostraron una mejor estabilización y, en consecuencia, una mayor bioaccesibilidad de los compuestos fenólicos totales. Las diferentes nanopartículas de quitosano se caracterizaron estudiando su carga superficial, distribución del tamaño de partícula, microestructura y afinidad agua/aceite. Las nanopartículas de quitosano desprotonadas tuvieron un tamaño de partícula más grande, lo que dió lugar a emulsiones con gotas de aceite más grandes. A medida que se aumentó la concentración de estas partículas, se afectó positivamente la viscosidad de las emulsiones debido a la formación de una red tridimensional en la fase continua. Las nanopartículas obtenidas al entrecruzar quitosano con tripolifosfato de sodio fueron más pequeñas, dando como resultado emulsiones con gotas más pequeñas. La viscosidad de estas emulsiones fue menor y poco afectada por la concentración de partículas. Las imágenes obtenidas por microscopía mostraron la estabilización de las gotas por el método de Pickering. Las emulsiones de Pickering que contenían un 10% de aceite de café tostado se secaron por atomización y se liofilizaron utilizando las diferentes nanopartículas de quitosano estudiadas y maltodextrina como agentes portadores. Las microcápsulas obtenidas tuvieron la humedad, actividad del agua y solubilidad adecuada para su manipulación y almacenamiento. La presencia de nanopartículas de quitosano permitió una mayor retención de aceite en las microcápsulas y mayor eficiencia de encapsulación. Las microcápsulas obtenidas por secado por atomización tuvieron una forma esférica más regular, mientras que las micropartículas obtenidas por liofilización fueron más grandes y con morfología irregular. Los compuestos bioactivos y las propiedades antioxidantes se conservaron mejor durante la liofilización. Por otro lado, las microcápsulas obtenidas por atomización presentaron mayor protección de estos compuestos durante la digestión. Las microcápsulas formuladas con nanopartículas desprotonadas fueron sometidas a almacenamiento durante 30 días a 25 ºC. Durante el almacenamiento, se evaluó la protección contra la oxidación de lípidos y la liberación de volátiles. Las isotermas de sorción de agua de estas muestras se determinaron también previamente en las condiciones de almacenamiento. Ambas muestras presentaron isotermas del tipo II, lo que permitió un buen ajuste del modelo de GAB a los datos experimentales. La determinación del índice de peróxido y del contenido de dienos conjugados dio lugar a valores adecuados durante el almacenamiento, aunque las muestras liofilizadas presentaron una ligera tendencia a la oxidación debido a la mayor cantidad de aceite superficial. Estos resultados estuvieron en concordancia con los datos de liberación de compuestos volátiles. Aunque hubo ligeras diferencias entre las muestras secas, todas mostraron menos pérdida de aromas totales (~28%) en comparación con el aceite no encapsulado (~51%) al final del almacenamiento. Así, se concluyó que las nanopartículas de quitosano estudiadas fueron eficientes para encapsular el aceite de café tostado y preservar sus características frente a la acción de agentes externos.

El procés d'emulsificació d'olis rics en compostos bioactius permet la seua millor aplicació i conservació durant el temps d'emmagatzematge. Entre els diversos mecanismes d’emulsificació, destaca el mètode de Pickering, ja que utilitza nanopartícules sòlides naturals en substitució als tensioactius artificials. Aquestes partícules tenen afinitat tant per l'aigua com per la fase lipídica. Les partícules s'adsorbeixen a la interfase oli/aigua per a estabilitzar les gotes d'oli, prevenint la coalescència i permetent la incorporació de la fase lipídica en productes alimentaris. No obstant això, perquè les partícules tinguen propietats d'adsorció adequades, s'han de realitzar modificacions químiques i/o físiques. A causa de la seua propietat antioxidant, de la no toxicitat i de la disponibilitat, aquest treball va buscar analitzar el quitosà i les seues modificacions com potencials partícules de Pickering. Les modificacions estudiades van ser la autoagregació, també anomenada desprotonació, i l'entrecreuament amb tripolifosfat de sodi. Es va avaluar el comportament d'aquestes partícules emulsionant oli de cafè torrat, un subproducte de la indústria del cafè amb un alt contingut de compostos bioactius i volàtils d'interès. Posteriorment, es van analitzar les propietats fisicoquímiques i l'estabilitat de les microcàpsules produïdes després de l'assecat de les emulsions mitjançant tècniques d'assecatge per atomització i liofilització. Es van avaluar emulsions amb diferents concentracions d'oli i nanopartícules de quitosà, estudiant la seua microestructura, alliberament d'àcids grassos i bioactius durant la digestió gastrointestinal in vitro així com la seua bioaccesibilitat. Totes les emulsions tenien un comportament reològic pseudoplàstic, sofrint desintegració al llarg del procés de digestió. Les emulsions formulades amb nanopartícules de quitosà desprotonades i menor concentració d'oli van mostrar una millor estabilització i, en conseqüència, una major bioaccesibilitat als compostos fenòlics totals. Les diferents nanopartícules de quitosà es van caracteritzar estudiant la seua càrrega superficial, distribució del tamany de partícula, microestructura i afinitat aigua/oli. Les nanopartícules de quitosà desprotonades van tindre un tamany de partícula més gran, el que va resultar en emulsions amb gotes d'oli més grans. A mesura que es va augmentar la concentració d'aquestes partícules, es va afectar positivament la viscositat de les emulsions a causa de la formació d'una xarxa tridimensional en la fase contínua. Les nanopartícules obtingudes a l'entrecreuar quitosà amb tripolifosfat de sodi van ser més menudes, donant com a resultat emulsions amb gotes més menudes també. La viscositat d'aquestes emulsions va ser menor i poc afectada per la concentració de partícules. Les imatges obtingudes per microscòpia van mostrar l'estabilització de les gotes pel mètode de Pickering. Les emulsions de Pickering que contenien un 10% d'oli de cafè torrat es van assecar per atomització i es liofilitzaren utilitzant les diferents nanopartícules de quitosà estudiades i maltodextrina com a agents portadors. Les microcàpsules obtingudes van obtenir una humitat, activitat de l'aigua i solubilitat adequada per a la seua manipulació i emmagatzematge. La presència de nanopartícules de quitosà va permetre major retenció d'oli en les microcàpsules i major eficiència d'encapsulació. Les microcàpsules obtingudes per assecat per atomització van tindre una forma esfèrica més regular, mentre que les micropartícules obtingudes per liofilització van ser més grans i amb morfologia irregular. Els compostos bioactius i les propietats antioxidants es van conservar millor durant la liofilització. D'altra banda, les microcàpsules obtingudes per atomització presentaren major protecció d'aquests compostos durant la digestió. Les microcàpsules formulades amb nanopartícules desprotonades també van ser sotmeses a la prova d'emmagatzematge durant 30 dies a 25°C. Durant l'emmagatzematge, es va avaluar la seua protecció contra l'oxidació de lípids i l'alliberament de volàtils. Per això, les isotermes de sorció d'aigua d'aquestes mostres es van determinar prèviament en les condicions d'emmagatzematge. Les dues mostres van presentar isotermes de tipus II, el que va permetre un bon ajust del model de GAB a les dades experimentals. L'índex de peròxids i el contingut de diens conjugats van resultar en valors adequats durant l'emmagatzematge, encara que les mostres liofilitzades van presentar una lleugera tendència a l'oxidació a causa de la major quantitat d'oli superficial. Aquests resultats van estar d'acord amb les dades d'alliberament de compostos volàtils. Encara que va haver lleugeres diferències entre les mostres seques, totes van mostrar menys pèrdua d'aromes totals (~28%) en comparació amb l'oli no encapsulat (~51%) a la fi de l'emmagatzematge. Així, es va concloure que les nanopartícules de quitosà estudiades van ser eficients per encapsular l'oli de cafè torrat i preservar les seues característiques enfront de l'acció d'agents externs.