Nanoencapsulamento de óleo de chia e zeaxantina utilizando mucilagens como material estruturante : desenvolvimento, caracterização e aplicação

O interesse em ácidos graxos poli-insaturados e compostos bioativos tem aumentado nos últimos anos, por contribuírem na diminuição do risco de desenvolver doenças, tais como câncer e doenças cardiovasculares. Entre os óleos que contem ácidos graxos poli-insaturados, o óleo de chia se destaca por possuir alto teor de ômega 3. Entre os carotenoides, a zeaxantina representa potencial para ser aplicada em alimentos por atuar na diminuição do risco de desenvolver doenças oculares. No entanto, tais compostos são instáveis na presença de luz, calor e oxigênio e insolúveis ou pouco solúveis em água, o que limita sua aplicação em alimentos. Diante disso, o nanoencapsulamento representa uma alternativa promissora para aumentar a estabilidade e permitir a dispersão desses compostos em alimentos ricos em água. No intuito de oferecer produtos mais naturais aos consumidores, os materiais sintéticos utilizados no encapsulamento têm sido substituídos por polímeros naturais, como as mucilagens. Nesse contexto, no primeiro estudo, nanopartículas de óleo de chia (CSO-NP) foram desenvolvidas com mucilagem de chia como material estruturante. Em um segundo estudo, desenvolveu-se nanopartículas de zeaxantina (Zea-NP) utilizando mucilagem do cladódio de cacto (Opuntia monacantha) como material estruturante Na terceira parte da pesquisa, no intuito de avaliar a influência da adição de nanopartículas em uma matriz alimentícia rica em água e verificar sua estabilidade quando incorporadas em um alimento, além de enriquecer um produto com zeaxantina e aumentar seu valor agregado, as nanopartículas de zeaxantina (Zea-NP) foram incorporadas em iogurte, por ser um alimento amplamente consumido e por possuir alta quantidade de água. Inicialmente, ambas as nanopartículas desenvolvidas foram caracterizadas em relação ao tamanho da partícula, potencial zeta, valor de span, eficiência de encapsulação, morfologia, pH, viscosidade, propriedades térmicas e espectroscopia no infravermelho (FT-IR). A capacidade de carga das CSO-NP e cor das Zea-NP também foram avaliadas. As CSO-NP e uma emulsão desenvolvida, a fim de comparações, tiveram sua estabilidade avaliada durante 28 dias de armazenamento em condições aceleradas (40 ºC), sem a presença de luz. A estabilidade das Zea-NP e de uma nanoemulsão de zeaxantina (Zea-NE) também foi avaliada em diferentes temperaturas (4, 25 e 40 ºC), durante 28 dias, na ausência de luz. Para avaliar a aplicação das Zea-NP em uma matriz alimentícia, três formulações de iogurte foram desenvolvidas: controle (CY), com adição de nanopartículas (Y-NP) e com adição de nanoemulsão (Y-NE) Os iogurtes foram armazenados durante 28 dias a 4 ºC em potes plásticos fechados e suas características físico-químicas e a retenção de zeaxantina em Y-NP e Y-NE foram avaliadas semanalmente. As caraterísticas sensoriais e morfologia do CY, Y-NP e Y-NE foram avaliadas logo após o preparo. Também foi realizada a análise de digestão in vitro, a fim de avaliar a bioacessibilidade da zeaxantina em Y-NP e Y-NE. Os resultados do primeiro estudo demonstraram que as CSO-NP apresentaram formato esférico, diâmetro médio de 205 ± 4,24 nm, potencial zeta de - 11,58 ± 1,87 mV e valor de span de 1,76 ± 0,09, o que indicou uma distribuição de partícula homogênea. Além disso, as CSO-NP apresentaram alta eficiência de encapsulação (82,8%) e capacidade de carga de 35,38%. Ao longo do armazenamento não foram verificadas mudanças significativas no valor de span e potencial zeta e apesar de ter ocorrido aumento significativo no diâmetro da partícula ao final do período e de terem sido observadas mudanças no pH, as CSO-NP apresentaram maior estabilidade que a emulsão ao longo do armazenamento em condições aceleradas. Conforme os resultados do segundo estudo, as Zea-NP apresentaram formato esférico, diâmetro médio de 184 ± 3,54 nm, potencial zeta de -14,8 ± 0,42 mV, valor de span de 1,18 ± 0,06 e eficiência de encapsulação de 96,57% Durante o armazenamento em diferentes temperaturas, as Zea-NP não apresentaram alterações significativas no valor de span, pH e cor. Em relação ao diâmetro da partícula, foi observado um aumento nas amostras armazenadas nas temperaturas de 25 e 40 ºC após o primeiro dia de armazenamento, que permaneceu constante até o fim do período. Apesar dessas mudanças, as Zea-NP apresentaram estabilidade satisfatória, ao considerar que ao final do armazenamento a 25 e a 40 ºC, apresentaram 39,66% e 31,30% de retenção de zeaxantina, respectivamente, enquanto que para as Zea-NE, a retenção do carotenoide foi de 20,64% e 0,73% nas mesmas temperaturas. Quando as Zea-NP foram armazenadas a 4 ºC, verificou-se que houve uma maior retenção de zeaxantina (56,29%). De acordo com os resultados do terceiro estudo, ao final do período de armazenamento, o Y-NP apresentou maior pH e menor acidez do que o CY, além de maior intensidade de cor b*, devido à presença do carotenoide. Apesar do Y-NP ter demonstrado menor viscosidade e maior sinérese do que o CY, essas alterações não foram perceptíveis na análise sensorial. Além disso, ao final do armazenamento a retenção de zeaxantina foi de 22,31% no Y-NP e 16,84% no Y-NE. Quanto à digestão in vitro, o Y-NP apresentou menor concentração de zeaxantina nas micelas do que o Y-NE e consequentemente menor bioacessibilidade, o que pode sugerir que as Zea-NP forneceram uma liberação controlada do carotenoide. Os resultados deste trabalho evidenciaram que foi possível obter nanopartículas com características adequadas e com alta estabilidade, através do uso da mucilagem de chia e da mucilagem de cacto como material estruturante, o que viabiliza o uso dessas mucilagens em substituição a polímeros sintéticos no nanoencapsulamento Devido as características satisfatórias, ambas as nanopartículas obtidas demonstraram potencial para serem aplicadas em alimentos. Além disso, quando incorporadas em iogurte, apesar de as nanopartículas de zeaxantina terem apresentado menor bioacessibilidade, ainda apresentaram vantagem em relação à nanoemulsão, devido à sua capacidade de proteção ao composto encapsulado, o que conferiu maior estabilidade ao carotenoide. Tais resultados indicam que as nanopartículas possuem potencial de utilização em processos industriais e tecnológicos.

The interest in polyunsaturated fatty acids and bioactive compounds has increased in the last years, due to its contribution in reducing the risk of developing diseases, such as cancer and cardiovascular diseases. Among oils which contain polyunsaturated fatty acids, chia oil stands out due to its high omega 3 content. Among the carotenoids, zeaxanthin represents potential to be applied in foods due to its capacity in reducing the risk of developing eye diseases. However, such compounds are unstable in the presence of light, heat and oxygen and insoluble or poorly soluble in water, which limits its application in food. In this view, nanoencapsulation represents a promising alternative to increase stability and allow dispersion of these compounds in water-rich foods. In order to offer more natural products to consumers, the synthetic materials used in encapsulation have been replaced by natural ones, such as mucilages. In this context, in the first study, chia oil nanoparticles (CSO-NP) were developed with chia mucilage as structuring material. In a second study, zeaxanthin nanoparticles (Zea-NP) were developed using cactus cladode mucilage (Opuntia monacantha) as structuring material. In the third part of the research, in order to evaluate the influence of nanoparticles addition in a water-rich food matrix and to verify its stability when incorporated into a food, besides enriching a product with zeaxanthin and add value, zeaxanthin nanoparticles (Zea-NP) were incorporated into yogurt, due to its ample comsuption and high water amount. Initially, both developed nanoparticles were characterized in terms of particle size, zeta potential, span value, encapsulation efficiency, morphology, pH, viscosity, thermal properties and infrared (FT-IR) spectroscopy The loading capacity of CSO-NP and Zea-NP color were also evaluated. CSO-NP and an emulsion developed for comparative purposes, had their stability evaluated for 28 days of storage under accelerated conditions (40 °C), without light presence. The stability of Zea-NP and a zeaxanthin nanoemulsion (Zea-NE) was also evaluated at different temperatures (4, 25 and 40 °C) for 28 days in the absence of light. To evaluate the Zea-NP application in a food matrix, three yogurt formulations were developed: control (CY), with nanoparticles addition (Y-NP) and with nanoemulsion addition (Y-NE). Yogurts were stored for 28 days at 4 °C in closed plastic pots and their physicochemical characteristics and zeaxanthin retention in Y-NP and Y-NE were evaluated weekly. The sensory characteristics and morphology of CY, Y-NP and Y-NE were evaluated after preparation. In vitro digestion analysis was also performed to evaluate the zeaxanthin bioaccessibility in Y-NP and Y-NE. The results of the first study showed that CSO-NP presented spherical shape, mean diameter of 205 ± 4.24 nm, zeta potential of - 11.58 ± 1.87 mV and span value of 1.76 ± 0.09, which indicated a homogeneous particle distribution. In addition, CSO-NP presented high encapsulation efficiency (82.8 %) and load capacity of 35.38 % No significant changes in span and zeta potential values were observed during storage, and although there was a significant increase in particle size at the end of the period and changes in pH, CSO-NP presented higher stability than emulsion during storage at accelerated conditions. According to the results of the second study, the Zea-NP presented spherical shape, mean diameter of 184 ± 3.54 nm, zeta potential of - 14.8 ± 0.42 mV, span value of 1.18 ± 0.06 and encapsulation efficiency of 96.57 %. During storage at different temperatures, Zea-NP did not show significant changes in the span value, pH and color. Regarding the particle size, an increase in samples stored at temperatures of 25 and 40 ºC was observed after the first day of storage, which remained constant until the end of the period. Despite these changes, Zea-NP presented satisfactory stability, considering that at the end of the storage at 25 and 40 ºC, presented 39.66 % and 31.30 % of zeaxanthin retention, respectively, whereas for Zea-NE, carotenoid retention was 20.64 % and 0.73 % at the same temperatures. When stored at 4 °C, Zea-NP presented higher zeaxanthin retention (56.29 %) According to the results of the third study, at the end of the storage period, Y-NP presented higher pH and lower acidity than CY and higher intensity in color b* due to the presence of the carotenoid. Although Y-NP showed lower viscosity and higher syneresis than CY, these changes were not perceived in sensory analysis. In addition, at the end of storage, zeaxanthin retention was 22.31 % in Y-NP and 16.84 % in Y-NE. Regarding in vitro digestion, Y-NP presented lower zeaxanthin concentration in micelles than Y-NE, and consequently lower bioaccessibility, which may suggest that Zea-NP provided a controlled release of the carotenoid. The results of this work showed that it was possible to obtain nanoparticles with adequate characteristics and high stability using chia and cactus mucilage as structuring materials, which allows the use of these mucilages in substitution to synthetic polymers in nanoencapsulation. Due to the satisfactory characteristics, both obtained nanoparticles showed potential to be applied in food. In addition, when incorporated into yogurt, although the zeaxanthin nanoparticles showed less bioaccessibility, they still had advantage over nanoemulsion, due to its capacity to protect the encapsulated compound, which conferred greater stability to the carotenoid. These results indicate that nanoparticles have potential to be used in industrial and technological processes.