Hydrocolloid systems as carriers of ingredients with functional properties

Abstract

In the present study two different delivery systems were evaluated: protein based edible films incorporating antimicrobial agents on the macroscale, and emulsions stabilised by surface active complexes on the microscale. Films were prepared by incorporating different levels of antibacterial agents such as oregano oil, sodium lactate (NaL) and ε-polylysine (ε-PL) into sorbitol-plasticized whey protein isolate (WPI) films. The moisture uptake behavior and the water vapor permeability (WVP) of the films were only affected by the incorporation of NaL into the protein matrix, while in most of the cases incorporation of any of the three antimicrobial agents in the films resulted in a decrease of Young modulus (E) and maximum tensile strength (σmax) accompanied with an increase in elongation at break (% EB). Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA) revealed the existence of two relaxation processes, reflecting two distinct structural domains; one corresponding to the protein’s transition temperature (Tg) and a secondary one, observed at low temperatures that corresponded to the Tg of sorbitol. Both Tgs were highly affected by the water content, while incorporation of oregano oil in the protein matrix resulted in a decrease of the protein’s Tg. The antimicrobial activity of the composite WPI films was tested on fresh beef cut portions. The maximum specific growth rate (μmax) of total flora (Total Viable Count, TVC) was significantly reduced with the use of antimicrobial films containing 0.75% w/w ε-PL or 1.5 % w/w oregano oil in film forming solutions (p<0.05), while the growth of Lactic Acid Bacteria (LAB) was completely inhibited. Oil-in-water emulsions (10% w/w) at pH=5.7 were prepared by mixing appropriate quantities of various sodium stearoyl lactylate (SSL)/chitosan (CH) and sodium caseinate (Na-CAS)/chitosan complexes with oil using an ultrasonic homogenizer. The net charge on the droplets switched from negative to positive as the amount of chitosan increased, while it was shown that emulsions stabilised by complexes containing an increased amount of CH were more stable against creaming than those stabilised solely by Na-CAS or SSL. Evaluation of the interfacial characteristics indicated that all complexes were surface active and the adsorption of SSL/CH complexes at the oil-water interface resulted in a significant increase of the dilatational modulus compared to the interface stabilised solely by SSL. Moreover, for SSL/CH stabilised emulsions, an improved stability against freeze-thaw cycling was observed, while emulsions stabilised by Na-CAS/CH complexes were found to be stable against the acidification process since no aggregation of the emulsions droplets was observed.

Στην παρούσα μελέτη αξιολογήθηκαν δύο διαφορετικά συστήματα εγκλεισμού: εδώδιμες μεμβράνες πρωτεϊνών που περιελάμβαναν αντιμικροβιακούς παράγοντες στο επίπεδο της μακροκλίμακας και γαλακτώματα σταθεροποιημένα από ενεργά διεπιφανειακά σύμπλοκα στο επίπεδο της μικροκλίμακας. Οι μεμβράνες παρασκευάστηκαν με την ενσωμάτωση διαφόρων επιπέδων αντιμικροβιακών ουσιών όπως έλαιο ρίγανης, γαλακτικό νάτριο (NaL) και ε-πολυλυσίνη (ε-PL) σε μεμβράνες πρωτεϊνών ορού γάλακτος (WPI) πλαστικοποιημένων με σορβιτόλη. Η ικανότητα προσρόφησης νερού των μεμβρανών και η διαπερατότητά τους σε υδρατμούς επηρεάστηκαν μόνο από την προσθήκη NaL στο πρωτεϊνικό πλέγμα, ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις η ενσωμάτωση οποιουδήποτε από τους τρεις αντιμικροβιακούς παράγοντες στις μεμβράνες συντέλεσε σε μείωση του συντελεστή ελαστικότητας (E) και της μέγιστης τάσης εφελκυσμού (σmax) με ταυτόχρονη αύξηση της μέγιστης ποσοστιαίας επιμήκυνσης (ΕΒ%). Η χρήση της Δυναμικής Μηχανικής Θερμικής Ανάλυσης (DMTA) ανέδειξε την ύπαρξη δύο περιοχών χαλάρωσης, που αντιστοιχούν σε δύο διακριτές περιοχές του σύνθετου πλέγματος: η πρώτη αντιστοιχεί στη θερμοκρασία μετάπτωσης της πρωτεΐνης (Tg), ενώ η δεύτερη που εντοπίστηκε σε χαμηλότερες θερμοκρασίες αντιστοιχεί στη Tg της σορβιτόλης. Και οι δυο θερμοκρασίες μετάπτωσης επηρεάστηκαν από την περιεχόμενη υγρασία, ενώ η ενσωμάτωση ελαίου ρίγανης στο πρωτεϊνικό πλέγμα συντέλεσε στη μείωση της Τg της πρωτεΐνης. Η αντιμικροβιακή δράση των μεμβρανών πρωτεϊνών ορού γάλακτος εξετάστηκε σε τεμάχια νωπού βόειου κρέατος. Η εφαρμογή αντιμικροβιακών μεμβρανών που περιείχαν 0.75% ε-PL ή 1.5% έλαιο ρίγανης (w/w στο αρχικό διάλυμα) οδήγησε στη στατιστικά σημαντική μείωση (p<0.05), του μέγιστου ρυθμού ανάπτυξης (μmax) της Ολικής Μεσόφιλης Χλωρίδας, ενώ παράλληλα αναστάλθηκε πλήρως η ανάπτυξη των γαλακτικών βακτηρίων.Γαλακτώματα ελαίου σε νερό (10% w/w) και pH= 5.7 παρασκευάστηκαν με ανάμειξη των κατάλληλων ποσοτήτων συμπλόκων στεατοϋλο-γαλακτυλικoύ νατρίου (SSL)/ χιτοζάνης (CH) και καζεϊνικού νατρίου (Na-CAS)/χιτοζάνης (CH) με τη χρήση ομογενοποιητή υπερήχων. Αύξηση της περιεχόμενης ποσότητας CH επέφερε αναστροφή του φορτίου των σταγονιδίων από αρνητικό σε θετικό, ενώ παρατηρήθηκε ότι τα γαλακτώματα στα οποία είχαν χρησιμοποιηθεί σύμπλοκα με υψηλότερα ποσοστά CH παρουσίασαν αυξημένη σταθερότητα στην κρέμωση σε σχέση με αυτά που είχαν σταθεροποιηθεί με τη χρήση αποκλειστικά του SSL ή του Na-CAS. Η αξιολόγηση των διεπιφανειακών χαρακτηριστικών έδειξε ότι όλα τα σύμπλοκα ήταν διεπιφανειακά ενεργά και η προσρόφηση των συμπλόκων SSL/CH στη διεπιφάνεια ελαίου-νερού συντέλεσε σε σημαντική αύξηση του συντελεστή ελαστικότητας διεπιφάνειας σε σχέση με τις διεπιφάνειες που ήταν σταθεροποιημένες μόνο από μόρια SSL. Όσον αφορά τα γαλακτώματα που είχαν σταθεροποιηθεί με τη χρήση συμπλόκων SSL/CH, αυτά παρουσίασαν βελτιωμένη ανθεκτικότητα σε δοκιμές κατάψυξης-απόψυξης, ενώ τα γαλακτώματα που σταθεροποιήθηκαν με τη χρήση συμπλόκων Na-CAS/CH παρουσίασαν αυξημένη ανθεκτικότητα κάτω από συνθήκες οξίνισης.