Designing emulsions and nanostructures for the encapsulation of bioactive compounds

Abstract

This thesis aims to advance the understanding of emulsion production for the encapsulation of epigallocatechin gallate (EGCG). The motivation of this work was based on recent research, highlighting the significant consumer shift to healthier food products with different food structures. Therefore, ingredients such as whey protein and bacterial cellulose were used and processes like ultrasonication and electrospraying were applied.The first part of this thesis, aimed at finding the optimal emulsification procedure for emulsions containing BC and whey protein isolate (WPI). Emulsions were prepared using WPI and BC in various concentrations and were homogenized either by ultrasounds or by high pressure homogenizer. The lowest droplet size was found for the emulsions treated by ultrasounds (D50 = 600 nm). At lower BC concentrations, extensive aggregation between the oil droplets led to unstable emulsions due to bridging interactions. Higher BC concentrations resulted in stable emulsions, possibly due to the formation of a BC network between the oil droplets, which prohibited coalescence. These results confirm the greater efficiency of the US homogenization as compared to the HPH treatment in obtaining stable emulsions.The next part of this thesis, aimed at encapsulating EGCG into various emulsion carriers. Firstly, emulsions containing WPI and BC were produced. Two different catechins: hydrophilic (H-EGCG) or lipophilized (L-EGCG) were incorporated in the aqueous or the oily phase of the emulsions. At the optimal EGCG concentration the highest encapsulation efficiency of 85 ± 2% yielded with reasonable droplet diameter of 680 ± 10 nm. The EGCG that incorporated in the oil phase was the lipophilized one, L-EGCG. Moreover, the produced emulsions did not present any phase separation.As a second step, solution and emulsion electrospraying was evaluated as a method of encapsulating EGCG. Again, two different catechins, H-EGCG or L-EGCG, were encapsulated either in the aqueous or the oily phase of the emulsions in order to compare the antioxidants’ stability. Emulsion properties in terms of stability, droplet size, bulk and interfacial viscosity were studied combined with the evaluation of the properties of the produced particles, namely the morphology and size of the particles, the EE and the stability of the EGCG within the particles under different storage conditions: humidity, pH and temperature. Low emulsion viscosity combined with low oil droplet size and high stability yielded particles with the smallest diameters. Ultrasound homogenization combined with L-EGCG proved to be the most adequate combination, reaching EE up to 97%. The use of low RH (26-53%) and neutral or alkaline pH (6-9) are necessary for protecting EGCG in the particles. Emulsion electrospraying can be used as a promising technology for encapsulation in the food industry.All in all, incorporation of EGCG in food systems, could potentially lead to the commercialization of products with enhanced properties

H παρούσα διατριβή εξετάζει την δυνατότητα παρασκευής γαλακτωμάτων ως φορέων εγκλεισμού της επιγαλλικής γαλοκατεχίνης (ΕGCG). Το κίνητρο αυτής της εργασίας βασίστηκε σε πρόσφατες έρευνες που υπογραμμίζουν τη στροφή των καταναλωτών σε επιλογές καινοτόμων τροφίμων για τη διατροφή τους. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν συστατικά όπως η πρωτεΐνη ορού γάλακτος (WPI) και η βακτηριακή κυτταρίνη (BC) και επεξεργασίες όπως οι υπέρηχοι και ο ηλεκτροψεκασμός.Στη συνέχεια μελετήθηκε η βέλτιστη μέθοδος ομογενοποίησης. Γαλακτώματα παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας WPI και BC σε διάφορες συγκεντρώσεις και ομογενοποιήθηκαν είτε με υπερήχους είτε με ομογενοποιητή υψηλής πίεσης. Το χαμηλότερο μέγεθος λιποσφαιρίων βρέθηκε για τα γαλακτώματα που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με υπερήχους (D50 = 600 nm). Σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις BC, εκτεταμένη συσσωμάτωση μεταξύ των λιποσφαιρίων οδήγησε σε ασταθή γαλακτώματα. Η υψηλότερη συγκέντρωση της BC είχε ως αποτέλεσμα σταθερά γαλακτώματα, πιθανώς λόγω του σχηματισμού ενός δικτύου BC με αυξημένο ιξώδες, το οποίο απαγόρευσε τη συνάθροιση των λιποσφαιρίων. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα της ομογενοποίησης με υπερήχους σε σύγκριση με την κατεργασία με ομογενοποιητή υψηλής πίεσης για τη λήψη σταθερών γαλακτωμάτων. Το επόμενο μέρος της παρούσας εργασίας, στοχεύει στην ενθυλάκωση της ΕGCG σε διάφορους φορείς. Αρχικά, παρήχθησαν γαλακτώματα που περιέχουν WPI και BC. Δύο διαφορετικές κατεχίνες: υδρόφιλη (Η-EGCG) ή λιπόφιλη (L-EGCG) ενσωματώθηκαν στην υδατική ή ελαιώδη φάση των γαλακτωμάτων. Στα γαλακτώματα στα οποία ενσωματώθηκε η L-EGCG στην ελαιώδη φάση, επιτεύχθηκε η μεγαλύτερη απόδοση ενσωμάτωσης, 85 ± 2%, η μικρότερη διάμετρος λιποσφαιρίων (680 ± 10 nm) και ο μικρότερος δείκτης αποσταθεροποίησης (0%).Ως δεύτερο βήμα, αξιολογήθηκε ο ηλεκτροψεκασμός διαλύματος ή γαλακτώματος ως μέθοδος για την ενθυλάκωση της ΕGCG. Δύο διαφορετικές κατεχίνες, Η-EGCG ή L-EGCG, ενθυλακώθηκαν είτε στην υδατική είτε στην ελαιώδη φάση των γαλακτωμάτων. Οι ιδιότητες του γαλακτώματος αναφορικά με τη σταθερότητα, το μέγεθος των λιποσφαιρίων και το ιξώδες μελετήθηκαν σε συνδυασμό με την αξιολόγηση των ιδιοτήτων των παραγόμενων σωματιδίων, δηλαδή της μορφολογίας και του μεγέθους των σωματιδίων, της αποτελεσματικότητας της ενθυλάκωσης της κατεχίνης και της σταθερότητας της EGCG εντός των σωματιδίων υπό διαφορετικές συνθήκες αποθήκευσης: υγρασίας, pΗ και θερμοκρασίας. Το χαμηλό ιξώδες του γαλακτώματος σε συνδυασμό με το χαμηλό μέγεθος λιποσφαιρίων και την υψηλή σταθερότητα έδωσε σωματίδια με τις μικρότερες διαμέτρους. Η ομογενοποίηση με υπερήχους σε συνδυασμό με L-EGCG αποδείχθηκε ο πλέον κατάλληλος συνδυασμός, φθάνοντας σε απόδοση ενθυλάκωσης έως 97%. Η χρήση χαμηλής σχετικής υγρασίας (RH) (26-53%) και ουδέτερου ή αλκαλικού pH (6-9) είναι απαραίτητες για την προστασία της EGCG εντός των σωματιδίων. Ο ηλεκτροψεκασμός γαλακτώματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την ενθυλάκωση συστατικών. Η ενσωμάτωση της EGCG στα συστήματα τροφίμων θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει στην εμπορευματοποίηση προϊόντων με βελτιωμένες ιδιότητες, δηλαδή τρόφιμα που μπορούν να προωθήσουν έναν πιο υγιεινό τρόπο ζωής.