Development and characterization of novel essential oils bioactive nanostructures and their application as edible food preservatives

Abstract

Modern sustainability goals and the demand for natural preservatives have driven food technology toward the development of innovative, bioactive nanostructures based on essential oil derivatives. This dissertation presents the development, characterization, and application of microemulsions, nanoemulsions, and polysaccharide-based nanoemulgels enriched with carvacrol, citral, eugenol, and cinnamaldehyde as active edible coatings. Three model food systems were examined: minced pork meat, pork tenderloin, and PDO green table olives of Chalkidiki. All formulations were characterized in terms of particle size, ζ-potential, antioxidant activity (EC₅₀), and antibacterial efficiency. Synergistic effects between citral (CT) and carvacrol (CV) in nanoemulgels were confirmed against both Gram-positive and Gram-negative pathogens, with CT:CV ratios of 50:50 and 25:75 showing the highest activity. The application of nanoemulsions and nanoemulgels improved oxidative stability, reduced microbial spoilage, and preserved sensory attributes without interfering with beneficial microbiota. A techno-economic analysis using Monte Carlo simulation confirmed the cost-efficiency and scalability of nanoemulgels compared to other systems. Overall, the developed nanostructures offer a promising, sustainable strategy for extending the shelf life of perishable food products and replacing synthetic additives in commercial applications.

Οι σύγχρονοι στόχοι βιωσιμότητας και η αυξανόμενη ζήτηση για φυσικά συντηρητικά έχουν οδηγήσει την τεχνολογία τροφίμων στην ανάπτυξη καινοτόμων, βιοδραστικών νανοδομών βασισμένων σε παράγωγα αιθέριων ελαίων. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την ανάπτυξη, τον χαρακτηρισμό και την εφαρμογή μικρογαλακτωμάτων, νανογαλακτωμάτων και νανοπηκτών (nanoemulgels) με βάση πολυσακχαρίτες, εμπλουτισμένων με καρβακρόλη, κιτράλη, ευγενόλη και κινναμαλδεΰδη, ως ενεργές βρώσιμες επικαλύψεις. Μελετήθηκαν τρία πρότυπα συστήματα τροφίμων: κιμάς χοιρινός, φιλέτο χοιρινού και επιτραπέζιες πράσινες ελιές ΠΟΠ Χαλκιδικής. Όλες οι διαμορφώσεις χαρακτηρίστηκαν ως προς το μέγεθος σωματιδίων, το ζήτα δυναμικό (zeta potential), τη αντιοξειδωτική δράση (EC₅₀) και την αντιβακτηριακή αποτελεσματικότητα. Επιβεβαιώθηκαν συνεργιστικά αποτελέσματα μεταξύ κιτράλης (CT) και καρβακρόλης (CV) στις νανοπηκτές έναντι Gram-θετικών και Gram-αρνητικών παθογόνων, με αναλογίες CT:CV 50:50 και 25:75 να παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη δράση. Η εφαρμογή νανογαλακτωμάτων και νανοπηκτών βελτίωσε τη σταθερότητα οξείδωσης, μείωσε τη μικροβιακή αλλοίωση και διατήρησε τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά χωρίς να επηρεάζει τη χρήσιμη μικροχλωρίδα. Μια τεχνοοικονομική ανάλυση με χρήση προσομοίωσης Monte Carlo επιβεβαίωσε τη σχέση κόστους–αποτελεσματικότητας και τη δυνατότητα βιομηχανικής κλίμακας των νανοπηκτών σε σύγκριση με άλλα συστήματα. Συνολικά, οι ανεπτυγμένες νανοδομές προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη και βιώσιμη προσέγγιση για την παράταση της διάρκειας ζωής ευπαθών τροφίμων και την αντικατάσταση των συνθετικών προσθέτων σε εμπορικές εφαρμογές.