Μικροεγκλεισμός αρωματικών, χρωστικών και γευστικών παραγόντων τροφίμων σε δομές πολυμερών

Abstract

Microencapsulation is defined as a process in which liquid droplets, solid particles or gas compounds are entrapped, surrounded by a coating, or embedded in a food grade agent (wall), to attribute products with many useful properties. The material to be encapsulated (core) may be composed of just one or several ingredients and the wall may be single or double-layered edible polymer materials. In encapsulation systems, the appropriate encapsulating agent should be selected based on its physicochemical properties while the processes applied, as well as the expected product requirements for a certain application are considered very crucial. Microencapsulation is obviously of great importance and relevance in the food industries by virtue of its ability to solve various problems related to food components while leading to the development of novel food products containing functional ingredients. For instance, concerning flavorings, microencapsulation can be applied so as to protect sensitive flavor components against degradation reactions and loss of volatiles, to retain the characteristic flavor during processing and storage of foods and to increase flavors shelf-life and/or to allow their controlled release. As far as colorants are concerned, microencapsulation can increase their shelf life until they are added in a real food system, making them easier to handle and improving their stability to oxidation. In the case of sweeteners, it is usually used in order to mask/reduce their bitter aftertaste, provide protection to high temperatures and control their release. The present study employs the encapsulation of three representative food ingredients, belonging in flavoring, colorant and sweetener categories. The first one is fennel oleoresin, coming from a well-known Mediterranean aromatic plant that as being susceptible to light, heat and oxygen, needs to be encapsulated. Four different encapsulating agents (chitosan-CH, modified starch-MS, gum arabic-GA, and maltodextrin-MD) both individually, in blends (binary and ternary ones) or in complex form were tested in a core to agent ratio of 1/3 using freeze drying method in comparison with spray drying. The objective was to evaluate the encapsulating ability of the above agents in relation to their physicochemical properties. The properties of the initial formed emulsions (mean diameter, stability and viscosity) and the final products including redispersibility, microencapsulation efficiency and morphology (SEM and XRD analyses) were also examined. Following, the storage stability offered towards the main compounds of fennel oleoresin (fenchone, estragole, trans-anethole, and D-limonene) was monitored. The thermo-oxidative stability of the final encapsulated products was also assessed by P&T-GC/MS analysis of the secondary oxidation volatiles, the use of peroxide value (PV) along with thermal study (DSC). Moreover, the conformation of the complexes was confirmed by the use of ζ-potential value (such as GA-CH, GA-MD-CH) in combination with FT-IR analysis. Finally, the verification of the success of the encapsulation process was achieved by FT-IR analysis. Based on the results, freeze drying led to mean microencapsulation efficiency of 63.08 % in comparison to 42.01 % achieved with spray drying while concerning the redispersability, mean values of 3.33 and 2.16 μm were obtained when applying freeze and spray drying method, respectively. As far as the agent is concerned, in both methods, gum arabic proved better providing microencapsulation efficiency values of 86.44 and 78.10 % for freeze and spray drying method, respectively, while concerning the redispersability, blends MS-CH and MS-MD-CH presented the highest values of 1.72 and 1.14 μm for freeze and spray drying method, respectively. Based on the stability study, concerning the main fennel flavor compounds, they significantly differed in their stability behaviour that can be attributed both to their intrinsic properties as well as to the interaction with the encapsulating agents. The MS-CH and MS-MD-CH formulations showed good microencapsulation efficiency 84.90 and 69.19 %, respectively) along with the best oxidative stability, their behaviour is associated with their physicochemical character, and therefore are suggested as effective agents of fennel oleoresin. The study also employs the microencapsulation of two natural colorants, saffron and beetroot which are typically used as colorants in quite a wide range of food products. However, because of their poor stability against heat and light, encapsulation is needed for their feasible usage in food products. The encapsulating agents used were selected based on the previous study and freeze drying was also applied. The objective was to evaluate the stability of the encapsulated colorants against heat, to examine their keepability when stored under different water activities, and to study their incorporation in a chewing gum model system. Based on the obtained results, MD along with GA proved to be effective agents for beetroot and saffron color-extracts microencapsulation by freeze drying. MD presented the greatest protection against heat during storage accompanied also by high half-life period (t1/2) with values of 53.03 and 60.03 weeks for beetroot and saffron. The water sorption study showed that MD and GA retained their structural integrity up to water activities of 0.66 and 0.82, respectively. The incorporation study demonstrated high stability for chewing gum samples prepared with extracts encapsulated in GA-MS and MD agents. Therefore, microencapsulation by freeze drying could be suggested not only as a suitable method for color stabilizing of beetroot and saffron extracts, but also as a feasible mean of production of food-grade colorants. An attempt has also been conducted to encapsulate sweetener steviol glycosides derived from the plant Stevia rebaudiana Bertoni using different drying methods and agents. Nowadays, there is a growing interest in using steviol glycosides, natural, non-calorie sweetener, as alternative to sucrose. However, it is inadequate for use in food applications involving heating or a controlled release of the sweet taste, encapsulation is needed. Thus, the aim of this study was to microencapsulate steviol glycosides in purpose of masking/reducing its bitter aftertaste and improving its properties. Freeze, spray and oven drying were applied using maltodextrin and inulin in different ratio (80-20, 75-25, 70-30, 65-35, 60-40) as the wall material with a level of steviol glycosides 2.5 % in total solids. The obtained products were evaluated in terms of microencapsulation efficiency, hygroscopicity, solubility, moisture, morphology and release profile, while the produced syrups were tested with respect to viscosity and turbidity as well as to sensory properties. Moreover, the molecular structure of the steviol glycosides upon encapsulation was studied using FT-IR technique. Based on the tested ratio of maltodextrin and inulin, the ratio of 80-20 led to the highest values of microencapsulation efficiency with mean value of 81.82 %. Concerning the applied methods, oven drying led to products with the highest moisture content (7.68 %) while spray drying method presented the highest mean solubility (96.87 %) accompanied with the lowest mean turbidity value of 4.13 NTU. The release profile of glycoside rebaudioside A was not affected significantly with the applied drying method. Overall, the encapsulation process proved to reduce the hygroscopicity of steviol glycosides enhancing thus the stability of the products. Concerning the sensory evaluation, spray drying led to products with great sensory characteristics. In particular, highest values of sweet intensity and overall acceptance (mean values of 4.26 and 8.50, respectively) accompanied with lowest values of bitter aftertaste (mean value of 3.37) were recorded. Based on the sensory evaluation results, spray drying could be considered as an effective method for masking/reducing bitter aftertaste of steviol glycosides. Concerning the obtained morphology, oven dried products presented a low degree of crystallinity. This morphology may present particular technological interest in the production of sweeteners, steviol glycosides- based products (crystalline sweeteners products-imitating sugar). The molecule of steviol glycosides proved to remain intact upon encapsulation with the different drying methods, which could be correlated with the nutritional value of the products. Overall, this study focused on developing products using microencapsulation that can not only be stable but also easy to be incorporated into food systems, leading thus to final products with improved properties, better quality characteristics and health benefits.

Η τεχνική του μικροεγκλεισμού ορίζεται ως η διαδικασία κατά την οποία σταγονίδια υγρού, στερεά σωματίδια ή αέριες ενώσεις παγιδεύονται, περιβάλλονται από ένα επικαλυπτικό μέσο ή ενσωματώνονται σε ένα υλικό (φορέα εγκλεισμού), με σκοπό την παραγωγή προϊόντων υψηλής ποιότητας. Το προς εγκλεισμό υλικό (πυρήνας) όπως και ο φορέας εγκλεισμού μπορεί να αποτελούνται από ένα μόνο ή περισσότερα συστατικά. Για το σχεδιασμό ενός συστήματος εγκλεισμού απαιτείται επιλογή του κατάλληλου μέσου εγκλεισμού κυρίως βάσει των φυσικοχημικών ιδιοτήτων καθώς και της μεθόδου εγκλεισμού βάσει των ιδιοτήτων του προϊόντος που απαιτούνται ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή. Η τεχνική του μικροεγκλεισμού είναι μεγάλης σημασίας για τις βιομηχανίες τροφίμων λόγω της δυνατότητας που παρέχει για επίλυση προβλημάτων που σχετίζονται με τα συστατικά των τροφίμων. Ειδικότερα, αναφορικά με τους αρωματικούς παράγοντες η εφαρμογή της εν λόγω τεχνικής στοχεύει στην προστασία των ευαίσθητων ουσιών έναντι αντιδράσεων υποβάθμισης, στη μείωση της απώλειας των πτητικών, στη διατήρηση των χαρακτηριστικών τους αρωμάτων κατά την επεξεργασία και την αποθήκευση των τροφίμων και στη δυνατότητα της ελεγχόμενης απελευθέρωσής τους. Όσον αφορά τους χρωστικούς παράγοντες, η εφαρμογή του μικροεγκλεισμού έγκειται στην παράταση του χρόνου ζωής τους μέχρις ότου προστεθούν στο τρόφιμο και στη βελτίωση της σταθερότητάς τους έναντι της οξείδωσης. Στην περίπτωση, τέλος, των γλυκαντικών παραγόντων, ο μικροεγκλεισμός χρησιμοποιείται συνήθως για την κάλυψη της πικρής μετάγευσης, την παροχή προστασίας σε υψηλές θερμοκρασίες και τον έλεγχο της απελευθέρωσής τους. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε ο μικροεγκλεισμός αντιπροσωπευτικών συστατικών των τροφίμων που υπάγονται στις τρεις προαναφερθείσες κατηγορίες. Από τους αρωματικούς παράγοντες τροφίμων επιλέχθηκε η ελαιορητίνη μάραθου, λόγω της ευαισθησίας που παρουσιάζει στο φως, τη θερμοκρασία και το οξυγόνο. Οι φορείς εγκλεισμού περιελάμβαναν: χιτοζάνη-CH, τροποποιημένο άμυλο-MS, αραβικό κόμμι-GA, και μαλτοδεξτρίνη-MD είτε μεμονωμένους ή σε μίγματα (διμερή και τριμερή) ή και με τη μορφή συμπλόκων, σε αναλογία με το προς εγκλεισμό συστατικό 3/1, ενώ η μέθοδος εγκλεισμού που χρησιμοποιήθηκε ήταν η ξήρανση υπό κατάψυξη (λυοφιλίωση) σε σύγκριση με την ξήρανση με ψεκασμό. Στόχος ήταν να αξιολογηθεί η ικανότητα εγκλεισμού των ανωτέρω φορέων σε σχέση με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Εξετάστηκαν οι ιδιότητες των αρχικώς σχηματιζόμενων γαλακτωμάτων (μέση διάμετρος σταγονιδίων, σταθερότητα και ιξώδες) και των τελικών προϊόντων: ικανότητα ανασύστασης, απόδοση μικροεγκλεισμού και μορφολογία (μέσω τεχνικών SEM και XRD). Μελετήθηκε η σταθερότητα κατά την αποθήκευση ως προς τις κύριες ουσίες της ελαιορητίνης μάραθου (φενχόνη, εστραγόλη, trans-ανηθόλη και D-λιμονένιο). Η θερμο-οξειδωτική σταθερότητα των τελικών προϊόντων αξιολογήθηκε μέσω ανάλυσης Purge and Trap – Gas Chromatography/Mass Spectrometry (P&T-GC/MS) των δευτερευουσών πτητικών ενώσεων οξείδωσης και χρήσης της τιμής υπεροξειδίου σε συνδυασμό με τη μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων (Differential Scanning Calorimetry, DSC). Η επιβεβαίωση του σχηματισμού των παραγόμενων συμπλόκων πραγματοποιήθηκε μέσω μέτρησης του ζ-δυναμικού σε συνδυασμό με εφαρμογή της τεχνικής της φασματομετρίας με χρήση μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) και η επαλήθευση της επιτυχίας του εγκλεισμού έγινε με χρήση της τεχνικής FT-IR. Με βάση τις εφαρμοσθείσες μεθόδους προέκυψε ότι η λυοφιλίωση οδήγησε σε μέση τιμή απόδοσης μικροεγκλεισμού 63.08 % έναντι 42.01 % της ξήρανσης με ψεκασμό, και με ικανότητα ανασύστασης των προϊόντων, εκφραασμένη ως προς τη μέση διάμετρο των σταγονιδίων των ανασυσταθέντων γαλακτωμάτων, κατά μέσο όρο 3.33 μm για τη λυοφιλίωση έναντι 2.16 μm της ξήρανσης με ψεκασμό. Όσον αφορά τους φορείς εγκλεισμού, καλύτερος φορέας εγκλεισμού ως προς την απόδοση μικροεγκλεισμού και στις δύο μεθόδους ξήρανσης απεδείχθη το αραβικό κόμμι με τιμές απόδοσης εγκλεισμού 86.44 και 78.10 % για τη λυοφιλίωση και την ξήρανση με ψεκασμό, αντίστοιχα, ενώ ως προς την ικανότητα ανασύστασης, το MS-CH και MS-MD-CH παρουσίασαν τις καλύτερες τιμές 1.72 και 1.14 μm για τη λυοφιλίωση και την ξήρανση με ψεκασμό, αντίστοιχα. Από τη μελέτη σταθερότητας, οι κύριες αρωματικές ενώσεις της ελαιορητίνης μάραθου βρέθηκε ότι διαφέρουν σημαντικά ως προς τη συμπεριφορά τους κατά την αποθήκευση, γεγονός που μπορεί να αποδοθεί τόσο στις εγγενείς ιδιότητές τους, όσο και στον τρόπο αλληλεπίδρασής τους με τους φορείς εγκλεισμού. Οι φορείς εγκλεισμού MS-CH και MS-MD-CH παρουσίασαν υψηλή απόδοση μικροεγκλεισμού (84.90 και 69.19 %, αντίστοιχα) σε συνδυασμό με υψηλή οξειδωτική σταθερότητα, η οποία σχετίζεται με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, και ως εκ τούτου προτείνονται ως αποτελεσματικοί φορείς εγκλεισμού της ελαιορητίνης μάραθου με εφαρμογή της μεθόδου της λυοφιλίωσης. Όσον αφορά τους χρωστικούς παράγοντες τροφίμων μελετήθηκε ο μικροεγκλεισμός δύο φυσικών χρωστικών, προερχόμενων από παντζάρι και κρόκο Κοζάνης, που ενώ χρησιμοποιούνται συνήθως ως χρωστικές ουσίες σε ένα αρκετά ευρύ φάσμα προϊόντων διατροφής, ωστόσο, λόγω των προβλημάτων σταθερότητάς τους κατά την αποθήκευση (θερμοκρασία, φώς) κρίνεται σκόπιμος ο εγκλεισμός τους. Οι φορείς εγκλεισμού επιλέχθηκαν με βάση προκαταρκτική μελέτη, ενώ ως μέθοδος εγκλεισμού εφαρμόστηκε η λυοφιλίωση. Στόχος ήταν η μελέτη της σταθερότητας των παραγόμενων προϊόντων ως προς τη θερμοκρασία, η δυνατότητα διατήρησής τους σε σχέση με την τιμή ενεργότητας νερού του περιβάλλοντος καθώς και η μελέτη της ενσωμάτωσής τους σε ένα σύστημα-μοντέλο τροφίμου (τσίχλας). Συμπερασματικά, η μαλτοδεξτρίνη και το αραβικό κόμμι αποδείχθηκαν αποτελεσματικοί φορείς εγκλεισμού κατά το μικροεγκλεισμό των εκχυλισμάτων παντζαριού και κρόκου Κοζάνης με χρήση της λυοφιλίωσης. Η μαλτοδεξτρίνη παρουσίασε την καλύτερη προστασία κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης με υψηλούς χρόνους ημιζωής 53.03 και 60.03 weeks για την περίπτωση των εκχυλισμάτων παντζαριού και κρόκου Κοζάνης, αντίστοιχα. Η μελέτη των ισόθερμων ρόφησης απέδειξε ότι οι φορείς MD και GA διατήρησαν τη δομική τους ακεραιότητα σε τιμές ενεργότητας νερού έως 0.66 και 0.82, αντίστοιχα. Από τη μελέτη ενσωμάτωσης των εγκλεισμένων χρωστικών προέκυψε ότι οι φορείς GA-MS και ΜD παρείχαν μεγαλύτερη σταθερότητα στα δείγματα τσίχλας. Συνεπώς, ο εγκλεισμός μέσω λυοφιλίωσης μπορεί να προταθεί όχι μόνο ως μέθοδος κατάλληλη για τη σταθεροποίηση του χρώματος στα εκχυλίσματα παντζαριού και κρόκου Κοζάνης, αλλά και ως ένας τρόπος παραγωγής χρωστικών ουσιών που προορίζονται για χρήση σε τρόφιμα. Λόγω του αυξανόμενου ενδιαφέροντος για χρήση εναλλακτικών γλυκαντικών μελετήθηκε η δυνατότητα εγκλεισμού των γλυκοζιτών στεβιόλης (προερχόμενων από το φυτό Stevia rebaudiana Bertoni), με σκοπό την κάλυψη/μείωση της πικρής μετάγευσης και τη βελτίωση των ιδιοτήτων των παραγόμενων προϊόντων, ώστε να είναι εφικτή η χρήση τους σε διεργασίες που περιλαμβάνουν θέρμανση ή ελεγχόμενη απελευθέρωση της γεύσης. Ως μέθοδοι εγκλεισμού μελετήθηκαν η ξήρανση με ψεκασμό, η λυοφιλίωση και η ξήρανση σε φούρνο κενού, με χρήση φορέων εγκλεισμού, μαλτοδεξτρίνης και ινουλίνης (σε διάφορες αναλογίες: 80-20, 75-25, 70-30, 65-35, 60-40), ενώ το ποσοστό των γλυκοζιτών στεβιόλης προς εγκλεισμό διατηρήθηκε σταθερό, 2.5 %. Τα προϊόντα εγκλεισμού που προέκυψαν αξιολογήθηκαν ως προς την απόδοση μικροεγκλεισμού, την υγροσκοπικότητα, τη διαλυτότητα, την περιεχόμενη υγρασία, τη μορφολογία και το ρυθμό απελευθέρωσης του γλυκοζίτη ρεμπαουδιοσίδη Α, ενώ τα παραγόμενα μέσω αυτών υδατικά διαλύματα ως προς το ιξώδες, τη θολότητα και τις οργανοληπτικές τους ιδιότητες. Παράλληλα, μελετήθηκε η μοριακή δομή των γλυκοζιτών στεβιόλης με εφαρμογή της τεχνικής FT-IR. Με βάση την αναλογία των φορέων μαλτοδεξτρίνης και ινουλίνης, η αναλογία 80-20 οδήγησε στις υψηλότερες τιμές απόδοσης μικροεγκλεισμού, με μέση τιμή 81.82 %. Ως προς τις ιδιότητες των παραγόμενων προϊόντων, η περιεχόμενη υγρασία παρουσίασε την υψηλότερη τιμή (7.68 %) με εφαρμογή της ξήρανσης σε φούρνο κενού. Παράλληλα, η ξήρανση με ψεκασμό οδήγησε σε προϊόντα που παρουσιάζουν την υψηλότερη μέση τιμή ικανότητας διάλυσης (96.87 %) και τη χαμηλότερη τιμή θολότητας με μέση τιμή 4.13 NTU έναντι των τιμών 362.8 και 392.7 NTU για τα παραγόμενα μέσω λυοφιλίωσης και ξήρανσης σε φούρνο κενού προϊόντα, αντίστοιχα. Ο ρυθμός απελευθέρωσης του γλυκοζίτη ρεμπαουδιοσίδη Α στα προϊόντα εγκλεισμού βρέθηκε ότι δεν επηρεάζεται σημαντικά ανάλογα με την εφαρμοζόμενη μέθοδο ξήρανσης. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η εφαρμογή του μικροεγκλεισμού οδηγεί σε μείωση της υγροσκοπικότητας των γλυκοζιτών στεβιόλης, ενισχύοντας τη σταθερότητα των προϊόντων. Η εφαρμογή της ξήρανσης με ψεκασμό οδήγησε σε προϊόντα με τα καλύτερα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Ειδικότερα, καταγράφησαν οι υψηλότερες τιμές έντασης γλυκύτητας και ολικής αρέσκειας (μέσες τιμές 4.26 και 8.50, αντίστοιχα), οι οποίες συνοδεύτηκαν και από τις χαμηλότερες τιμές (μέση τιμή 3.37) της πικρής μετάγευσης. Με βάση, λοιπόν, τα αποτελέσματα της οργανοληπτικής αξιολόγησης η ξήρανση με ψεκασμό μπορεί να προταθεί ως μία αποτελεσματική μέθοδος για τον περιορισμό της πικρής μετάγευσης των γλυκοζιτών στεβιόλης. Ως προς την παραγόμενη μορφολογία, η εφαρμογή της ξήρανσης σε φούρνο κενού φάνηκε ότι διαφοροποιεί τη δομή των τελικών προϊόντων, με τάση εμφάνισης κρυσταλλικών περιοχών. Η εν λόγω παραγόμενη μορφολογία δύναται να παρουσιάσει ιδιαίτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον κατά την παραγωγή γλυκαντικών προϊόντων με βάση τους γλυκοζίτες στεβιόλης (κρυσταλλικά προϊόντα γλυκαντικών απομίμησης ζάχαρης). Τέλος, η χημική ακεραιότητα των γλυκοζιτών στεβιόλης φάνηκε ότι διατηρείται μετά την εφαρμογή των διεργασιών ξήρανσης, γεγονός που μπορεί να συσχετισθεί με τη θερμιδική αξία των προϊόντων. Η μελέτη επομένως επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη προϊόντων με χρήση της τεχνικής του μικροεγκλεισμού, τα οποία πέραν των ωφέλιμων ιδιότητων τους δύνανται να ενσωματωθούν σε συστήματα τροφίμων, οδηγώντας έτσι στην παραγωγή νεών/καινοτόμων προϊόντων υψηλών προδιαγραφών.