Structure and functionality of chitin nanocrystal dispersions

Abstract

The present thesis examines the structure and functional properties of chitin nanocrystal (ChN) aqueous dispersions attempting to explore their potential to be employed in food dispersions, in order to improve the textural and the stability characteristics of the product. The first part of this study deals with the examination of the gel forming ability of aqueous chitin nanocrystal dispersions and the factors that influence the microstructural and viscoelastic properties of structured gels. Chitin nanocrystal aqueous dispersions were prepared by acid hydrolysis of crude chitin from crab shells. The resulting dispersions were studied with small deformation oscillatory rheological testing and polarized optical microscopy under different conditions of nanocrystal concentration, ionic strength, pH and temperature. The viscoelastic behavior of ChN dispersions was strengthened by increasing ChN concentration, adding NaCl, increasing pH and heating, probably due to enhancement of the attractive interactions. Additionally, the effect of mixing of ChN aqueous dispersions with soluble biopolymers, such as proteins and polysaccharides, with varying molecular characteristics was studied and it was found that in most of the cases, the network structure was enhanced, while the addition of some biopolymers did not seem to have any distinctive effect on the rheological properties. Finally, all the above gel-like materials exhibited birefringence and nematic-like ordering, when observed under a polarized optical microscope, indicative of particle ordering in the gel network structure.The ability of ChN to stabilise emulsions was investigated in the second part of this study. Oil-in-water emulsions were prepared by mixing appropriate quantities of a ChN stock dispersion and corn oil. The resulting emulsions were firstly visually assessed for their creaming behaviour, and then were studied with static light scattering, small deformation oscillatory rheometry and optical microscopy. The ChN had the ability to stabilize oil-in-water emulsions against coalescence, over a period of one month and this could be attributed to the adsorption of the nanocrystals at the oil-water interface. Moreover, the stability of the emulsions against creaming increased with increasing the ChN concentration, due to enhancement of the viscoelastic properties. Finally, the ChN-stabilized emulsions were examined for their behaviour under in vitro lipid digestion conditions, and it was found that they exhibit appreciably lower digestibility in comparison to “conventional” milk protein stabilized emulsions. Moreover, the results from lipid digestion kinetics were correlated with the physicochemical properties of the respective emulsions, before and after the in vitro procedure. Incorporation of ChN in food systems, apart from the improvement of their functional characteristics, such as structure and stability, may lead towards the formulation of food products with novel properties; i.e. foods with reduced lipid digestibility that could promote satiety and combat obesity.

Στην παρούσα διατριβή εξετάζονται οι λειτουργικές ιδιότητες των υδατικών συστημάτων διασποράς νανοκρυστάλλων χιτίνης (ChN), με σκοπό να διερευνηθούν οι δυνατότητες εφαρμογής τους σε συστήματα τροφίμων για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών δομής και σταθερότητας των προϊόντων.Το πρώτο μέρος της μελέτης περιελάμβανε τη διερεύνηση της ικανότητας υδατικών αιωρημάτων νανοκρυστάλλων χιτίνης για σχηματισμό πηκτής και των παραγόντων που πιθανώς επηρεάζουν τις ρεολογικές και μικροσκοπικές ιδιότητες αυτών των πηκτών.Αρχικά, παρασκευάστηκαν υδατικά αιωρήματα νανοκρυστάλλων χιτίνης με όξινη υδρόλυση ακατέργαστης χιτίνης από κελύφη καβουριών. Τα παραγόμενα αιωρήματα μελετήθηκαν ρεολογικά με δοκιμές μικρών παραμορφώσεων και μικροσκοπικά με οπτική μικροσκοπία πολωμένου φωτός, κάτω από διαφορετικές συνθήκες συγκέντρωσης νανοκρυστάλλων, ιονικής ισχύος, pH και θερμοκρασίας. Οι ιξωδοελαστικές ιδιότητες των αιωρημάτων νανοκρυστάλλων χιτίνης ενισχύθηκαν με την αύξηση της συγκέντρωσης των νανοκρυστάλλων, την προσθήκη NaCl, την αύξηση του pH και τη θέρμανση, πιθανώς λόγω της ενίσχυσης των ελκτικών δυνάμεων μεταξύ των νανοκρυστάλλων. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση της ανάμιξης των υδατικών αιωρημάτων νανοκρυστάλλων χιτίνης με βιοπολυμερή (πολυσακχαρίτες και πρωτεΐνες) με διαφορετικά μοριακά χαρακτηριστικά και διαπιστώθηκε ότι στις περισσότερες των περιπτώσεων, ενισχύθηκε το δικτύωμα του συστήματος, ενώ σε λίγες περιπτώσεις δεν παρατηρήθηκε κάποια σημαντική επίδραση στις ρεολογικές ιδιότητες. Τέλος, όλα τα παραπάνω δείγματα που παρουσίασαν συμπεριφορά πηκτής εμφάνιζαν διπλοδιαθλαστική και νηματική οργάνωση, κατά την παρατήρησή τους με οπτικό μικροσκόπιο πολωμένου φωτός.Το δεύτερο μέρος της μελέτης περιελάμβανε τη διερεύνηση της ικανότητας των νανοκρυστάλλων κυτταρίνης για σταθεροποίηση γαλακτωμάτων ελαίου σε νερό (o/w). Αρχικά, παρασκευάστηκαν γαλακτώματα ελαίου σε νερό με ομογενοποίηση των απαραίτητων ποσοτήτων υδατικών αιωρημάτων νανοκρυστάλλων χιτίνης με έλαιο αραβοσίτου, Τα παραγόμενα γαλακτώματα αξιολογήθηκαν οπτικά για τη συμπεριφορά τους ως προς την αποκορύφωση και επιπλέον μελετήθηκαν με σκεδασμό δέσμης στατικού φωτός, ρεομετρία μικρών παραμορφώσεων και οπτική μικροσκοπία. Οι νανοκρύσταλλοι χιτίνης φάνηκαν να είναι αρκετά αποτελεσματικοί στη σταθεροποίηση των γαλακτωμάτων ελαίου σε νερό ως προς τη συγχώνευση, κατά τη διάρκεια ενός μήνα, και αυτό μπορεί να αποδοθεί στη προσρόφηση των νανοκρυστάλλων στη διεπιφάνεια ελαίου-νερού. Επιπλέον, η σταθερότητα των γαλακτωμάτων στην αποκορύφωση αυξανόταν με την αύξηση της συγκέντρωσης των νανοκρυστάλλων χιτίνης, εξαιτίας της ενίσχυσης των ιξωδοελαστικών χαρακτηριστικών του συστήματος. Τέλος, τα γαλακτώματα που είχαν σταθεροποιηθεί με νανοκρυστάλλους χιτίνης, εξετάσθηκαν ως προς τη συμπεριφορά τους κάτω από in vitro συνθήκες πέψης λίπους, και βρέθηκε ότι παρουσίασαν σημαντικά χαμηλότερη πεπτικότητα του λίπους τους, σε σύγκριση με «συμβατικά» γαλακτώματα που είχαν σταθεροποιηθεί με πρωτεΐνες γάλακτος. Επιπλέον, τα αποτελέσματα από την κινητική της πέψης του λίπους συσχετίστηκαν με τις φυσικοχημικές ιδιότητες των αντίστοιχων γαλακτωμάτων, πριν και μετά την in vitro διαδικασία πέψης.Συνολικά, η ενσωμάτωση ChN σε συστήματα τροφίμων ως παράγοντες δημιουργίας δομής ή/και ως σταθεροποιητές γαλακτωμάτων, εκτός από τη βελτίωση των λειτουργικών τους χαρακτηριστικών, μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη περισσότερο αποτελεσματικών σκευασμάτων υδροκολλοειδών για προϊόντα τροφίμων με καινοτόμες ιδιότητες, όπως τρόφιμα με μειωμένη πεπτικότητα λίπους που μπορούν να βοηθήσουν στην αύξηση του κορεσμού και τον περιορισμό της παχυσαρκίας