Ανάπτυξη και μελέτη ιδιοτήτων συστημάτων εγκλεισμού τύπου συγκαταβύθισης πρωτεΐνης - πολυσακχαρίτη με σκοπό την προστασία αρωματικών υλών των τροφίμων

Abstract

This work was conducted to investigate whether complex coacervation of milk proteins, i.e. sodium caseinate (CNa) and whey protein isolate (WPI), with carboxymethylcellulose (CMC) can be used for the encapsulation of β-pinene, a volatile compound of many essential oils. Milk proteins are commonly used in the food industry for their excellent functional (emulsion preparation and stabilisation, water and fat binding, thickening, gelation) and nutritional properties. Milk proteins have been successfully used in combination with polysaccharides such as gum arabic, xanthan as well as CMC in the formation and stabilisation of food emulsion systems, while, depending on pH, both of them interact with polysaccharides to form soluble or insoluble complex coacervates, nanoparticles or precipitates. The development of complex coacervates was primarily attributed to electrostatic interactions between the two biopolymers, while hydrophobic interactions between protein molecules appeared to play a minor role. The initial emulsions were characterised for droplet size and amount of biopolymer adsorption to the oil/water interface, while the microcapsules were characterised for efficiency, loading, yield and morphology. Experimental design and investigation of the encapsulation process conditions was attempted using response surface methodology where the simultaneous effect of the amount of β-pinene and protein/polysaccharide mass ratio was investigated. The strengthening of the microcapsule walls through reticulation with the use of certain reticulating agents is very often necessary as the ionic nature of the interactions between the wall forming materials does not guarantee fixed structure characteristics of the resulting microcapsules. In this context, another aim of this work was to examine the suitability of employing two substances permitted for use in foods, namely glycerol and tannic acid, as reticulating agents for CNa/CMC and WPI/CMC coacervation systems and to characterise the microcapsules obtained in terms of their encapsulation efficiency, loading and yield as well as their morphological features by scanning electron microscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy, and thermogravimetric analysis. Finally, the produced microparticles, with or without reticulating agent, were tested for their ability to release the β-pinene under controlled temperature and humidity conditions. The Avrami’s equation was used for fitting the experimental data and estimate the parameters of the kinetics of β-pinene release. Activation energy was calculated by applying the Arrhenius equation.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η χρήση πρωτεϊνών του γάλακτος (καζεϊνικό νάτριο και πρωτεϊνικό υπερσυμπύκνωμα ορού γάλακτος) σε συνδυασμό με την καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη ως μέσα ενθυλάκωσης του β-πινενίου, πτητικού συστατικού πολλών αιθέριων ελαίων και αρτυματικών υλών, με την τεχνική της συγκαταβύθισης βιοπολυμερών. Οι πρωτεΐνες γάλακτος χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων για τις εξαιρετικές λειτουργικές τους ιδιότητες (ικανότητα σχηματισμού και σταθεροποίησης γαλακτωμάτων, ικανότητα σχηματισμού πηκτής, ικανότητα συγκράτησης νερού και ελαίου, παχυρευστοποίηση) και την υψηλή διατροφική τους αξία. Οι πρωτεΐνες αυτές έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε συνδυασμό με διάφορους πολυσακχαρίτες (κόμμι ξανθάνης, αραβικό κόμμι, καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη) τόσο στην παρασκευή όσο και στη σταθεροποίηση γαλακτωμάτων τροφίμων. Επιπλέον, ανάλογα με τη τιμή ενεργού οξύτητας, μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τους πολυσακχαρίτες και να σχηματίσουν διαλυτά ή αδιάλυτα σύμπλοκα εξαιτίας, κυρίως, ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων τους. Στο σχηματισμό των συμπλόκων αυτών φαίνεται να παίζουν μικρότερο ρόλο υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων των πρωτεϊνών. Τα αρχικά γαλακτώματα μελετήθηκαν ως προς το μέγεθος των σταγονιδίων τους και τη μάζα των βιοπολυμερών που προσροφήθηκε στη διεπιφάνεια β-πινενίου–νερού, ενώ τα τελικά προϊόντα χαρακτηρίστηκαν ως προς την αποτελεσματικότητα, την απόδοση και το βαθμό ενθυλάκωσης του β-πινενίου, και ως προς τα μορφολογικά τους χαρακτηριστικά. Ο πειραματικός σχεδιασμός και η διερεύνηση των παραμέτρων της διαδικασίας ενθυλάκωσης πραγματοποιήθηκε με τη εφαρμογή της μεθοδολογίας επιφάνειας απόκρισης. Ως ανεξάρτητες μεταβλητές ορίστηκαν η ποσότητα του β-πινενίου και ο λόγος της μάζας της πρωτεΐνης προς τη μάζα του πολυσακχαρίτη. Επειδή οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων των βιοπολυμερών δεν αρκούν συνήθως για τη σταθεροποίηση του τελικού προϊόντος, επιχειρήθηκε η ενίσχυση των τοιχωμάτων του με τη βοήθεια παραγόντων δικτύωσης που επιτρέπεται να χρησιμοποιηθούν σε τρόφιμα, όπως η γλυκερόλη και το ταννικό οξύ. Τα τελικά προϊόντα που προέκυψαν όταν χρησιμοποιήθηκε καθένας από τους δύο αυτούς παράγοντες δικτύωσης μελετήθηκαν, όπως και αυτά που είχαν προκύψει χωρίς τη χρήση αυτών, ως προς την αποτελεσματικότητα, την απόδοση και το βαθμό ενθυλάκωσης του β-πινενίου, αλλά και ως προς τη μορφολογία τους με τη βοήθεια τεχνικών, όπως η θερμοσταθμική ανάλυση, η φασματοσκοπία υπερύθρου και η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης. Η κινητική της απελευθέρωσης του β-πινενίου από τα τελικά προϊόντα που προέκυψαν με ή χωρίς χρήση παράγοντα δικτύωσης κατά τη διατήρησή τους σε αποθήκευση κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας μελετήθηκε επίσης. Για το σκοπό αυτό υπολογίστηκαν παράμετροί της με τη βοήθεια των εξισώσεων Avrami και Arrhenius.