Нанокапсулирование масла:разработка, применение и внедрение на продовольственный рынок

Введение

Масла играют важную роль в питании человека. Помимо обеспечения калорий, они действуют как переносчик жирорастворимых витаминов, таких как A, D, E и K. Масла также являются источниками незаменимых жирных кислот, таких как линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты, и они способствуют вкусовым качествам пищи. Наиболее выразительными компонентами масла являются триглицериды, и физические свойства этих триглицеридов зависят от структуры и распределения присутствующих жирных кислот [1,2,3,4].

Приблизительно 90% масла растительного происхождения, получаемого при переработке семян, предназначено для потребления человеком. В отрасли наблюдается рост рыночного спроса на масла из широкого диапазона натуральных источников, особенно в пищевых продуктах для приготовления таких продуктов, как торты, печенье, хлеб, маргарин и молочные продукты, а также для использования в жареных продуктах, среди других приложений [5, 6].

Оставшиеся 10% производства масла предназначены для производства кормов для животных и использования в нескольких промышленных процессах, таких как сырье для производства фунгицидов, мыла, детергентов, мыла, биоразлагаемых пластификаторов, косметики и биодизеля [5].

Учитывая питательную и экономическую важность пищевых масел, в последние годы растет интерес к технологиям модификации этих масел. Технологии модификации изучаются все чаще, чтобы изменить характеристики масел и сделать их пригодными для определенных применений. Исследователи обнаружили различные технологии для улучшения качества и безопасности пищевых продуктов. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности привело к производству продуктов питания с лучшей термостабильностью, лучшей растворимостью и новым, более высоким уровнем пероральной биодоступности [7].

Было высказано предположение, что нанотехнологии положительно повлияют на науку о пищевых продуктах, увеличивая срок хранения пищевых продуктов, обеспечивая более совершенные методы отслеживания и отслеживания загрязняющих веществ, создавая улучшенные стратегии хранения пищевых продуктов и продвигая включение в пищу пищевых добавок или антибактериальных агентов. Таким образом, нанотехнологии действительно вносят большой вклад в науку о продуктах питания [7].

Нанотехнология стала одной из самых многообещающих технологий, которая произвела революцию в традиционной пищевой науке и пищевой промышленности. Обработка и упаковка с помощью нанотехнологий доказали важность нанотехнологий в пищевых системах. Различные технологии приготовления могут производить наночастицы с разными физическими свойствами; таким образом, эти частицы могут быть использованы в пище [8, 9].

Инкапсуляция - это процесс, при котором биоактивные липидные капли восстанавливаются коркой или заключаются в гетерогенную или гомогенную матрицу для создания небольших капсул [3] наномасштаба [10] с размерами менее 1000 нм, нанометр составляет одну миллиардную часть одного метра [ 11]; инкапсуляция имеет много полезных свойств [3]. По данным Gonnet et al. [12], инкапсуляция - это потенциальный подход к сохранению свойств природных / природных масел с течением времени. Классические системы, разработанные в области нано- или микрокапсулирования, основаны на резервуарных или материцидных частицах.

В дополнение к своим преимуществам, наноинкапсуляция характеризуется повышением биодоступности инкапсулированного активного вещества и защитой их от естественных и технологических воздействий, таких как химические эффекты [13, 14], ферментативные эффекты и физическая нестабильность, наблюдаемая во время обработки функциональных веществ. , нутрицевтики [13], фармацевтические и косметические [3] продукты [10]. Инкапсуляция также представляет собой средство повышения биологической эффективности, например контроль доставки активных компонентов и срока годности, и может предотвратить появление побочных эффектов [12].

Инкапсуляция масла может предотвратить или замедлить реакции окисления, учитывая, что эти системы могут представлять собой физико-химический барьер против прооксидантных элементов, таких как кислород, свободные радикалы или ультрафиолетовое излучение (УФ) [12, 15], и расширять спектр пищевых продуктов, предназначенных для в целях обогащения. Инкапсуляция биоактивного масла, например, представляет собой эффективный и осуществимый подход к изменению выделения масла, защите от реакций окисления в окружающей среде, увеличению физической стабильности, снижению летучести, снижению токсичности, повышению биологической активности и повышению биологической активности. улучшение комплаентности и удобства пациента [3]. В частности, в пищевой промышленности эта технология улучшает такие качества обработанных пищевых продуктов, как сохранение вкуса, антиоксидантность, срок годности, цвет и посторонний запах; увеличивает время хранения пищевых продуктов; и защищает ингредиенты от окружающей среды, уменьшая потерю аромата во время хранения и контролируя высвобождение биоактивных веществ [16].

Для инкапсуляции применяются многие методы. В общем, для инкапсулирования биоактивных агентов используются три метода:(а) барьерная структура создается вокруг инкапсулированного агента; (б) зараженным материалам запрещен доступ; и (c) инкапсулированные агенты предназначены для защиты от нежелательных повреждений [17].

Во многих случаях наноинкапсуляция начинается с производства наноэмульсий, которые представляют собой системы, образованные масляной и водной фазами; Нанокапсулы эмульгируются, в большинстве случаев, с помощью эмульгаторов. Кроме того, образуются наноэмульсии с каплями малого размера и большой площадью поверхности [18]. Такие свойства дают им потенциальные преимущества по сравнению с обычными эмульсиями, такие как хорошая физическая стабильность и более высокая биодоступность [19]. Некоторые методы, изученные для получения масляной наноэмульсии и масляной наноинкапсуляции, включают нанопреципитацию, распылительную сушку, ионное гелеобразование, межфазное осаждение предварительно сформированного полимера, диффузию эмульсии, испарение эмульсии-растворителя, использование липосом, гомогенизацию с высоким сдвигом (микрофлюидизацию), самопроизвольное эмульгирование. и наноструктурированные липидные носители (НЖК).

Целью этого исследования является обзор потенциальных и текущих применений инкапсуляции масла в пищевой промышленности, иллюстрирующий ключевые преимущества и возможности инноваций, а также рассмотрение будущих проблем, включая текущие продукты на рынке пищевых продуктов и патентную заявку. Новые нанокапсулированные нефтепродукты и заявки на патенты открывают перспективы для использования масла в различных отраслях промышленности. Кроме того, микро- и наноинкапсуляция может способствовать (а) уменьшению испарения или скорости переноса материала сердцевины во внешнюю среду; (b) защита материала активной зоны от разрушения за счет снижения реактивности по отношению к внешней среде; (c) контроль скорости высвобождения материала керна, либо медленно во времени, либо в определенное время; (d) изменение физических характеристик исходного материала для облегчения обращения; (e) маскирование нежелательного аромата или вкуса материала сердцевины; (f) разделение компонентов смеси, которые в противном случае вступили бы в реакцию друг с другом; и (g) разбавление материалов сердцевины, когда для достижения однородной дисперсии в материале-хозяине требуются лишь небольшие количества [17].

Общая наноинкапсуляция коллоидных наночастиц

Синтезу наночастиц и других наноструктур в последние годы уделяется значительное внимание, поскольку их свойства, такие как оптические, механические и химические свойства, сильно зависят от их размера, геометрической структуры и компонентов, которые сильно отличаются от свойств объемных материалов [ 20, 21].

Наночастицы - это коллоидные частицы. Двумя наиболее распространенными типами коллоидных систем доставки с достаточно мелкими частицами для достижения оптической прозрачности являются микроэмульсии и наноэмульсии. Обе системы содержат мелкие частицы ( d <200 нм). Одним из основных преимуществ наноэмульсий перед микроэмульсиями является то, что для их образования требуется значительно меньше поверхностно-активного вещества. Пищевые наноэмульсии могут быть сформированы высокоэнергетическими методами (такими как гомогенизация под высоким давлением или обработка ультразвуком) или низкоэнергетическими методами (такими как температура инверсии фаз, спонтанное эмульгирование или инверсия фаз эмульсии) [22].

Коллоидные частицы могут быть произведены для различных целей, таких как применение в металле [20], биомедицине [23], медицине [24], сенсоре [25], оптике [25], ароматизаторах, напитках, репеллентах, ароматизаторах и косметических продуктах; используются из-за их лечебных свойств [26], в пищу [22] и используются в эфирных маслах (ЭМ) для различных целей [27, 28].

Коллоидные системы доставки, включая эмульсии, могут быть разработаны для включения полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) в водную среду с целью улучшения устойчивости системы к окислению. Большинство этих систем доставки на основе эмульсий содержат частицы, размеры которых аналогичны длине волны света, и поэтому они сильно рассеивают свет, что приводит к высокой мутности или непрозрачности. Для некоторых применений выгодно использовать прозрачную систему доставки, чтобы ее можно было включать в оптически прозрачные продукты питания или напитки, такие как некоторые обогащенные воды, безалкогольные напитки и заправки [22].

Что касается безалкогольных напитков, Ziani et al. [29] сформировали коллоидные дисперсии, содержащие лимонное масло, неионогенное поверхностно-активное вещество (Твин 80) и буфер (pH 2,6). Это исследование предоставляет полезную информацию для рационального проектирования коллоидных систем доставки пищевых продуктов для инкапсулирования ароматических масел и других функциональных липидов в пищевых продуктах и ​​напитках.

Твердые липидные наночастицы (SLN) привлекли повышенное внимание в фармацевтической и пищевой промышленности из-за их способности преодолевать недостатки как микрокапсул, так и ранее упомянутых наноразмерных коллоидных систем-носителей. SLN - это последнее поколение наноразмерных инкапсуляционных систем, сочетающих преимущества исходных жидких наноэмульсий или микроэмульсий с высокими скоростями растворения, связанными с высокой проницаемостью активного соединения через стенку кишечника, с одновременным решением существующих проблем, связанных с физическими и физическими нагрузками. химическая стабильность инкапсулированного соединения и простота обращения [30].

Липидные наночастицы с твердой матрицей частиц получают из эмульсий масло / вода (масло / вода) путем замены жидкого липида (масла) твердым липидом. Эти липиды обычно представляют собой физиологические липиды (биосовместимые) с низкой токсичностью [3]. SLN состоят из липидов, которые остаются твердыми при комнатной температуре и температуре тела. Основными преимуществами SLN являются их высокая эффективность инкапсуляции, возможность крупномасштабного производства, их гибкость в профиле контролируемого высвобождения благодаря твердой матрице и их высокая способность достигать органа-мишени. Однако SLN могут кристаллизоваться, оставляя очень маленькое пространство для включения масла и, таким образом, низкую нагрузочную способность [31]. Диаметр липидных наночастиц может находиться в диапазоне от 50 нм до 1 мкм [3]. SLN имеют низкую инкапсулирующую нагрузку и возможность взрыва при хранении [31].

Нанокапсулы масла рисовых отрубей были синтезированы с использованием поли (ε-капролактона) (PCL) в качестве материала стенок для оценки их защитного эффекта от повреждения кожи, вызванного УФ-В излучением, у мышей, и авторы пришли к выводу, что нанокапсулы рисовых отрубей (200 нм, потенциальная дзета - 9 мВ и низкий индекс полидисперсности (PDI) <0,2) подавляли 60% отека, вызванного УФ-излучением [32].

Oehlke et al. [33] получали SLN с феруловой кислотой (FA) и токоферолом (Toc). Различные составы, содержащие до 2,8 мг г ^-1 FA или Toc, были стабильны в течение по крайней мере 15 недель хранения при комнатной температуре. Авторы пришли к выводу, что эти SLN подходят в качестве пищевых добавок, где постепенное высвобождение активного соединения может быть полезным.

Тенденции в области наноинкапсуляции нефти

Многие публикации за последние 20 лет содержат 4 термина «наноинкапсуляция», «наноэмульсия», «наночастицы» и «нанотехнология» (рис. 1). Однако до 2000-х годов статьи, содержащие эти четыре термина в отношении исследований в области масел и пищевых продуктов, начатые в конце 1990-х годов, составляли менее 2% исследованных публикаций, что делало эту тему небольшим сектором нанотехнологий (рис. 1).

Количество публикаций по наноинкапсуляциям, наноэмульсиям, наночастицам и нанотехнологиям в год в базе данных Scopus с использованием следующих ключевых слов: a наноинкапсуляция, наноэмульсия, наночастицы и нанотехнологии; б наноинкапсуляция и масло, наноэмульсия и масло, наночастицы и масло, нанотехнологии и масло; и c наноинкапсуляция, продукты питания и масло, наноэмульсия, продукты питания и масло, наночастицы, продукты питания и масло, и нанотехнологии, и продукты питания, и масло

Термин нанотехнология использовался во многих публикациях как более общий термин (рис. 2). При использовании комбинации этих терминов и «масло» (рис. 1б) наблюдается рост публикаций, в которых используется термин «наночастицы». Количество публикаций, связанных с «наноэмульсией» и «маслами», значительно увеличилось с 2010 года либо в общих областях, либо в тех, которые связаны с пищевыми продуктами (рис. 1b).

Схема определений наноинкапсуляции, обычно используемых для масел

Хотя существует гораздо больше публикаций, связанных с «наночастицами» и «нанотехнологиями» (рис. 1a), инкапсуляция является наиболее подходящим термином, используемым для описания упаковки веществ в микро- и наночастицы, и определяется как процесс с участием одного вещества, называемый в качестве «активного агента» в другом продукте, называемом «стеновым материалом» [34,35,36].

В большинстве публикаций по наноинкапсуляции масла используется термин «наноинкапсуляция» [2, 37,38,39,40,41,42] или «наноэмульсия» [10, 43,44,45,46,47,48]. Некоторые авторы используют термин «нанокапсулы» [49,50,51], а другие используют термин «наночастицы» [35, 41]. Однако оба термина первоначально означают «нанокапсулирование» (рис. 2), которое использовалось в самом широком смысле, включая образование как нанокапсул, так и наночастиц [52].

Термин «наночастица» является собирательным названием как для наносфер, так и для нанокапсул [17]. Нанокапсулы обладают полимерной мембраной с жидким ядром, в которой активное соединение ограничено полостью, состоящей из внутреннего жидкого ядра, окруженного полимерной мембраной (структура оболочки ядра может быть липофильной или гидрофильной) [3, 17]. С другой стороны, наносферы можно определить как твердые коллоидные фрагменты, в которых биоактивные компосты диффундируют, улавливаются, инкапсулируются и химически связаны или адсорбируются в полимерной матрице. Полимерная матрица образует пористую или твердую матрицу, а ядро, вероятно, может превратиться в твердый материал, опираясь на структуру сополимера [3, 53]. Наночастицы обычно покрываются неионогенными поверхностно-активными веществами, чтобы уменьшить иммунологические взаимодействия и помочь уменьшить молекулярные взаимодействия химических групп на поверхности частицы (ван-дер-Ваальсовы, водородные связи или гидрофобные взаимодействия). Внутриклеточное поглощение наночастиц выше, чем у других инкапсулированных систем. Согласно применяемой методологии нанокапсулы могут действовать как носитель для удерживаемого активного материала на внутренней полимерной мембране. Масло, выделяемое этими системами, может переноситься от наночастиц к ткани-мишени путем десорбции, диффузии или эрозии [3].

Наноэмульсия - это начало наноинкапсулирования, системы, образованной масляной и водной фазами, и эмульгирования этих фаз с помощью эмульгатора. Кроме того, образуются наноэмульсии с каплями малого размера и большой площадью поверхности [10, 18, 37, 54]. Такие свойства дают им потенциальные преимущества перед обычными эмульсиями, такие как хорошая физическая стабильность и более высокая биодоступность [10, 19].

Первое определение нанотехнологии обсуждалось в 1959 году известным физиком Ричардом Фейнманом в его выступлении На дне много места , в котором он описал возможность синтеза посредством прямого воздействия на атом. «Нанотехнология» была впервые использована Норио Танигучи в 1974 году. Нанотехнология появилась как область в 1980-х, и с этого времени наблюдается рост научных публикаций и осведомленности в этой области; исследования в этой области активизировались в 2000-х годах (рис. 1), равно как и внимание ученых, политиков и коммерческих кругов, что привело как к спорам, так и к прогрессу. Более того, начала появляться коммерциализация продуктов на основе достижений в нанотехнологиях [55].

Нанотехнология - это многопрофильная область, охватывающая широкий спектр материалов, процессов и приложений, а также химические, физические, биологические, электронные и инженерные науки. Он фокусируется на производстве, характеристике и экспериментах с веществами в наноразмерном диапазоне, почти от 1 до 100 нм. Минимальный размер частиц по отношению к площади поверхности роста демонстрирует уникальные и новые свойства и создает огромный потенциал для технологических применений [55,56,57].

Нанотехнологии могут продвигать стратегии термостойкости и стабильности при хранении, растворимости в воде и биоактивных веществ, увеличивать биодоступность для употребления в пищу и улучшать макромасштабные свойства пищевых продуктов, такие как вкус, текстура, промышленные процессы и сила окраски [58]. Крупные пищевые компании использовали свои собственные исследовательские отделы для разработки стратегий применения нанотехнологий в функциональных продуктах питания [59].

Текущее состояние приложений для наноинкапсуляции нефти

Рост пищевой дисциплины количественно выражен на рис. 1b, c как совокупное количество публикаций, содержащих ключевые слова «еда» и «масло» и «наноинкапсуляция», «наноэмульсия», «наночастицы» или «нанотехнологии» в их аннотации.; информация представлена ​​в зависимости от года публикации. Как показывают тенденции на рис. 1, наибольший рост в области пищевых нанотехнологий произошел после 2010 года из-за многочисленных исследований нанотехнологий в конце девяностых годов и роста пищевых добавок, подходящих для процесса наночастиц. Промышленные применения наноинкапсулирования масла приведены в Таблице 1.

В настоящее время продукты нанотехнологий в пищевой промышленности достигают стоимости в 1 миллиард долларов США (в основном состоящие из покрытий из наночастиц для продуктов, способствующих укреплению здоровья, упаковочных технологий и черновиков), и у них есть шанс вырасти более чем на 20 миллиардов долларов в следующие 10 лет. . Многие обзоры содержат прекрасное резюме исследовательских групп, частных и государственных организаций, которые лидируют в области пищевых нанотехнологий [11, 13, 60].

Хотя в ряде обзоров [11, 13, 55, 60, 61] обсуждались инвестиции в пищевую нанотехнологию и новые применения нанотехнологий для первичного производства, нет обзоров, посвященных наноинкапсуляции масла при рассмотрении масла в качестве инкапсулированного материала. Кроме того, существует множество обзоров по применению нанотехнологий [13, 53, 55, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68], и большинство из них посвящено нанотехнологиям в пищевых продуктах [13, 52, 55, 61,62,63,64,65,66,67,68].

В пищевой промышленности процесс микрокапсулирования может использоваться по множеству причин, которые были резюмированы Desai и Park [4] следующим образом:(a) материал сердцевины защищен от разрушения за счет уменьшения его реакции на внешнюю среду; (б) скорость испарения или переноса основного материала во внешнюю среду снижается; (c) физические характеристики исходного материала изменены, чтобы облегчить обращение с ним; (d) выделение материала сердцевины должно происходить медленно с течением времени или в определенное время; (e) маскируются нежелательные ароматы или вкусы материала сердцевины; (f) достигается равномерное распределение материала кипера; и (g) компоненты смеси, которые в противном случае вступили бы в реакцию друг с другом, разделяются. Эти приложения также подходят для наноинкапсулирования масла. Ricaurte et al. [10] и Campo et al. [37] изучали пальмовое масло с высоким содержанием олеина (HOPO) и масло семян чиа с разными целями. Первое исследование было направлено на поиск наиболее благоприятных условий микрофлюидизации, образования и хранения для наноэмульсий, полученных из HOPO, а второе исследование обещало альтернативы для защиты масла от окисления липидов и улучшения растворимости и стабильности (таблица 1).

Cushen et al. [9] подтверждает, что вышеприведенное утверждение о том, что микрокапсулирование пищевых продуктов хорошо установлено; Микрокапсулированный рыбий жир был добавлен в хлеб для функциональной пользы для здоровья. Процесс микрокапсулирования маскирует неприятный вкус рыбьего жира, и этот хлеб уже доступен на рынке. Нанокапсулирование и добавление соединений в пищевой промышленности является логическим развитием технологии [2, 68]. Кроме того, реакции окисления, основные процессы порчи жиров, масел и продуктов на основе липидов, приводят к снижению питательной ценности и сенсорных качеств, а наноинкапсуляция масла способствует снижению окисления за счет образования защитных барьеров, образующихся в процессе наноинкапсулирования, поскольку ранее указано [2].

В своем обзоре Walker et al. [47] подчеркнули перспективность использования наноэмульсий для инкапсуляции, защиты и высвобождения омега-3 жирных кислот. Эти системы переноса можно использовать в пищевой промышленности в напитках с этими биоактивными липидами и для обогащения пищевых продуктов, или они могут использоваться в пищевой или фармацевтической промышленности для повышения биоактивности функциональных композиций омега-3 жирных кислот.

Созер и Кокини [67] упростили использование нанотехнологий в пищевой и упаковочной промышленности. Типы пищевых преимуществ включали защиту от окисления; контролируемое высвобождение инкапсулированных ингредиентов (влага или pH); тестовая маскировка; доставка наноинкапсулированных питательных веществ, витаминов и ароматизаторов; обнаружение патогенов в пищевых системах; безопасности пищевых продуктов; и качественный анализ. Некоторые области применения упаковки пищевых продуктов включали улучшенную упаковку (барьеры для газа и влаги, прочность на разрыв); продление срока хранения за счет активной упаковки, нанодобавок, интеллектуальной упаковки, доставки нутрицевтиков и контролируемого высвобождения; антибактериальный эффект самоочищающейся упаковки; и мониторинг состояния продукции при транспортировке. Применение в пищевой упаковке считается очень многообещающим, поскольку может повысить безопасность и качество пищевых продуктов. Эти приложения включают интеллектуальную упаковку, которая может взаимодействовать с пищевым продуктом. Однако для применения наноинкапсулирования масла в пищевой промышленности обычно используется рыбий жир, и цель наноинкапсулирования состоит в первую очередь в защите масла от окисления липидов для обогащения пищевых продуктов [34, 38, 40].

Как видно, рыбий жир является наиболее часто используемым маслом как для микро, так и для наноинкапсулирования. Это источник ненасыщенных и ПНЖК. Люди могут производить большинство жирных кислот. Тем не менее, омега-6 (n-6) и омега-3 (n-3) жирные кислоты, которые необходимы для питания человека, не могут быть синтезированы человеческим организмом. Таким образом, люди должны получать их из пищи. Потребление растительных масел (пищевых масел), в том числе ПНЖК, связано с низкой частотой хронических заболеваний, таких как сердечно-сосудистые или неврологические расстройства, и снижением заболеваемости раком [3, 69].

Биоактивные масла обычно применяются из-за их питательных свойств, но одной из основных проблем, связанных с их использованием, является потеря активных компонентов во время хранения [70]. Это происходит потому, что биоактивные масла содержат ПНЖК и другие вещества (ксантофиллы, стерины, каротиноиды, монотерпены, флавонолы и др.), Чувствительные к кислороду, влаге, теплу и свету [71]. Продукты, образующиеся в окисленных маслах, включают многочисленные виды свободных радикалов, продукты первичного окисления, такие как гидропероксиды липидов, и продукты вторичного окисления, такие как углеводороды, альдегиды, эпоксиды и кетоны. Некоторые из этих продуктов могут отрицательно влиять на биологические ткани [72]. Из-за этого окисления утрачиваются свойства и пищевая ценность масла, что приводит к неприятному вкусу и запаху [3].

Другие активные соединения в этих маслах могут проявлять антиоксидантные, противовоспалительные, противовирусные, антибактериальные, противораковые и / или регенеративные свойства тканей [73]. Полифенолы и токоферолы в маслах обладают важной антиоксидантной активностью. Следовательно, характеристики и состав антиоксидантов зависят от типа масла. Соответственно, оливковое, подсолнечное, аргановое и виноградное масла содержат большое количество антиоксидантных соединений [72]. Кроме того, присутствие лабильных соединений, таких как стерины, каротиноиды, ксантофилл, флавонолы и монотерпены, также влияет на пищевую ценность и полезные свойства масла [3].

Более того, ЭО - обычные растительные продукты, состоящие из смесей биологически активных материалов, и они обеспечивают потенциально биоактивные соединения и новые матрицы молекул [74, 75]. ЭО состоят из летучих вторичных метаболитов с противогрибковым, антибактериальным, антиоксидантным, противовоспалительным, противовирусным и противоопухолевым действием [76]. Эффективность ЭО зависит от его химического состава, генотипа, а также экологических и агрономических условий [77]. Некоторые примеры этих масел - масло тимьяна, лаванды, перечной мяты, корицы, чайного дерева, розмарина, эвкалипта и лемонграсса, а также некоторые другие. Было показано, что эти масла обладают антимикробными свойствами, но чрезвычайно уязвимы к окислению [15, 27, 78].

ЭО классифицируются как естественные биоактивные молекулы, которые считаются подходящими для использования для подавления роста патогенов пищевого происхождения. Однако прямое включение ЭО в пищевые продукты представляет собой технологические проблемы из-за высокой летучести некоторых компонентов ЭО, сложности включения ЭО в водные составы и возможности резких изменений сенсорных свойств пищевых продуктов. Среди компонентов, которые проявляют антимикробную активность, в пищу используются орегано, карвакрол, тимол и γ-терпинен.

Некоторые эфирные масла используются для улучшения микробных, сенсорных и химических качеств пищевых продуктов, таких как мясо, курица и фруктовые соки [28, 79,80,81]. Гадери-Гахфарохи и др. [28] нанокапсулировали эфирное масло тимьяна и использовали его в бургерах из говядины. Они заметили, что процесс инкапсуляции увеличивает срок хранения эфирного масла тимьяна и сводит к минимуму испарение активных соединений в начале хранения. Кроме того, медленное высвобождение эфирного масла тимьяна во время хранения может поддерживать или даже увеличивать антиоксидантную и антимикробную активность масла до конца хранения в холодильнике. Кроме того, наблюдались положительные изменения в покраснении и содержании оксимиоглобина в бургерах по сравнению с контрольными продуктами, а свободное эфирное масло тимьяна улучшило приемлемость и сенсорные качества говяжьих бургеров.

Существуют исследования, в которых эфирные масла в пищевых продуктах использовались в качестве натуральных консервантов для повышения безопасности и качества пищевых продуктов, заменяя вредные синтетические пищевые консерванты [49, 82]. Herculano et al. [82] инкапсулировали эвкалипт и определили антимикробное действие загруженных наночастиц на Listeria monocytogenes и Salmonella enteritidis бактерии. Авторы заметили, что бактерицидное действие наночастиц было более эффективным против грамположительных, чем грамотрицательных бактерий, поскольку нанокапсулированное масло проявляло повышенную активность против S . энтеритидис ; эти наночастицы можно использовать в пищевых продуктах для естественной консервации.

Камедь кешью (CG), структура которой напоминает гуммиарабик, представляет собой гетерополисахарид, извлеченный из экссудата Anacardium occidentale , дерево, распространенное в северо-восточном регионе Бразилии. Камедь кешью может взаимодействовать с водой и, таким образом, действовать как стабилизатор, эмульгатор и клей и может быть хорошей заменой гуммиарабика, который стоит дороже. CG использовали Herculano et al. [82] инкапсулировать Eucalyptus staigeriana эфирное масло (ESO) и диаметр (нм) и дзета-потенциал (мВ) капсул из состава были соответственно F1:153,80 ± 8,20 и -24,50 ± 0,45; F2:27,70 ± 3,42; - 14,47 ± 1,42 и F3:432,67 ± 41,47; - 10,45 ± 0,21. Эти составы состояли из F1:CG:ESO =2:1; ESO:Твин 80 =2:1; F2:CG:ESO =4:1; ESO:Твин 80 =2:1; F3:CG:ESO =2:1; ESO:Твин 80 =1:1. Образцы F1 и F2 показали одномодальное распределение, тогда как F3 имело бимодальное распределение (нано- и микрочастицы).

Nanoencapsulation Methods Applied in Different Oils

In this review, 11 studies that used nanoencapsulated oils in the food industry were analyzed [10, 16, 35, 37, 38, 83,84,85,86,87], and 1 figure, Fig. 3 was made that describes the technologies, nanoencapsulated oils, and wall materials used. Generally, there are many methodologies for the production of nanocapsules containing oils, such as emulsion-diffusion [16, 38, 85], emulsification-solvent evaporation [83], high-shear emulsification [10, 87], spontaneous emulsification [84, 88], homogenization [37], spray drying [35], and the emulsion supercritical fluid extraction process [86] (Fig. 3a). In general, the techniques are similar, with some particular similarities between each of them.

Proposal and techniques (a ), employed oils (b ), and wall materials (c ) of some studies using oil nanoencapsulation in food

In emulsion-diffusion, an emulsion is produced after a dilution causes the deposition of a polymer around the droplets, whereas in emulsification-solvent evaporation, an emulsion is formed with a polymer solution and an aqueous phase. The solvent is evaporated at the end of both techniques. High-shear homogenization, or microfluidization, is a kind of high-energy emulsification which uses microfluidizers to create mechanical shear. This equipment works by dividing a liquid jet into two parts. Every part passes through a narrow opening. Normally, emulsions with a diameter greater than 1 μm are first formed by other methods, after which their sizes are then reduced in a microfluidizer [3].

Spontaneous emulsification, or low-energy emulsification or self-emulsification, is a process which depends on different variables:interfacial and bulk viscosity, interfacial tension, phase transition region, and surfactant structure and concentration because the emulsion is formed spontaneously as a result of the low interfacial tension from high surfactant levels. In the homogenization (nonspecific name) technique, the emulsion is composed of an organic phase, which has a surfactant, organic solvent and oil, and of an aqueous phase, which is composed of water and a polymer. The organic phase is added dropwise to an aqueous solution. Then, the solvent is removed by a vacuum process [37].

The spray dryer technique is based on dissolving or dispersing the active ingredient in a biopolymer solution. Then, the dispersion is atomized in a heated air chamber that rapidly removes the solvent and produces a dried particle consisting of the active ingredient embedded in a porous wall material [31]. The supercritical fluid extraction of emulsions (SFEE) technique is based on the use of supercritical carbon dioxide (CO₂ ) to rapidly extract the organic solvent from an oil-in-water emulsion, in which a bioactive compound and its coating polymer have been previously dissolved. By removing the solvent, both compounds precipitate, generating a suspension of particles in water [86].

In addition to that in oil microencapsulation, the oil usually used in nanoencapsulation is fish oil [16, 35, 38, 86] (Fig. 3b). However, sunflower oil [85], roasted coffee oil [83], HOPO [10], thyme oil [87], garlic essential oil [84], rice bran oil [88], and chia oil [37] are also used (Fig. 3b).

Oil nanocapsules have been produced with the application of different wall materials (Fig. 3c), depending on the usage and kind of oil to be nanoencapsulated. Unlike oil microencapsulation, oil nanoencapsulation does not usually involve wall material mixtures. Usually, the wall material is used alone because the particles formed must have a size of 1000 nm, and, as there is a larger contact surface, the fewer the compounds in the nanocapsule formulation the better the interaction is among the compounds, ultimately favoring the particle size.

The wall materials most used in the techniques are biodegradable polymers. Some usual wall materials used in oil nanoencapsulation are polycaprolactone [16, 38, 86, 88], whey protein [10, 35], sodium caseinate [87], chia seed mucilage [37], maltodextrin, or modified starch [35] (Fig. 3c). Some authors did not report the wall material used in their study [88], probably because of the spontaneous emulsification technique that was employed.

Wall material is chosen according to the size of the required nanoparticles, aqueous solubility and stability, and other factors. Among polymers, most of the wall material utilized is poly(ε-caprolactone) (PCL). PCL is a polymer obtained through the ring-opening polymerization of the cyclic monomer Ɛ-caprolactone utilizing cationic or anionic, coordination, or the radical catalysts mechanism. This polymer is semicrystalline, and its crystallinity is directly associated with its molecular weight. It is soluble in inorganic solvents and has a good blend compatibility that provides a transformation of chemical properties, such as solubility and porosity, and it presents a low melting point (59–64 °C). Furthermore, PCL is a synthetic, biocompatible, and fully biodegradable polymer that has a semi crystalline nature (glass transition temperature of 213 K). It is approved for drug delivery by the Food and Drug Administration (FDA). Due to its slow degradation, PCL is ideally suited for long-term delivery or when a targeted delivery to the intestinal tract is intended. PCL has a high hydrophobicity, high in vitro stability, and low cost [87]. Usually, PCL is utilized in the emulsion-diffusion method and supercritical fluid extraction of emulsions, especially for fish oil encapsulation [16, 86].

Whey protein may also be applied to nanoencapsulate bioactive compounds such as oils because of its functional characteristics, such as its surface activity, gelation, shielding, and protective properties, e.g., biocompatibility and biodegradability [58]. Ricaurte et al. [10] applied HOPO and obtained nanocapsules with whey protein from microfluidization, confirming that this methodology was able to create stable nanocapsules with a diameter of 163 nm.

After synthesis, the basic characterization of the oil nanoparticles is determined by important parameters, such as the size, polydispersity index (PDI), and zeta potential. The size and size dispersion of nanocapsules are important because of their ability to transform the physicochemical and pharmaceutical behaviors of the encapsulated ingredients [58].

Nanoparticle size, also named the mean diameter or z-average, may be established by several methods, such via laser diffraction (LD) and a Coulter counter; however, the most applied technique is dynamic light scattering (DLS) [58, 89], which allows the description of particle size distribution and destabilization phenomena. Nevertheless, it is not very precise when used with large size differences; it is noted that particles larger than 1 μm will be subject to gravitational movement in addition to Brownian motion, which makes this technique suitable for the characterization of particles only < 1 μm.

For nanoencapsulated oils, the diameter size is usually between 100 and 1000 nm [10, 16, 35, 37, 38, 83, 85, 87] or less than 100 nm [84, 86,87,88]. Diameters larger than 1000 nm were found by Ricaurte et al. [10]; those authors reported diameters between 163 and 2268 nm using the microfluidization method and whey protein as a wall material in the nanoencapsulation of HOPO.

Size dispersion is indicated as the PDI, an index that describes the particles uniformity in suspension; PDI values between 0.1 and 0.25 [10, 38, 87, 88] indicate a small size distribution, and PDI values higher than 0.5 indicate a broad distribution [50]. Although some authors, such as Choi et al. [16], Campo et al. [37], and Jafari et al. [35], did not report PDI, it is a good parameter for characterizing nanoparticles when used with particle size and zeta potential. Campo et al. [37] did not perform PDI analysis, but they found a bimodal figure in one of the diameter size results, suggesting the presence of nano and microparticles; if PDI was performed, the values would likely be greater than 0.25.

Zeta potential is a physical characteristic that is shown by particles in suspension, macromolecules, or substance surfaces; it corresponds to the nanoparticle’s electrical potential, as influenced by the nanocapsule ingredients and the medium in which they are distributed. This parameter is widely applied to indicate suspension stability in colloidal dispersions, where zeta potential values higher than 30 mV and lower than − 30 mV promote high stability and prevent particles aggregation [90]. The majority of the studies examined here obtained results between these values (30 mV and − 30 mV) [10, 37, 38, 84, 85]. Some authors, such as Choi et al. [16], Freiberger et al. [83], Bernardi et al. [88], Jafari et al. [35], and Pietro and Calvo [86], did not report the zeta potential.

For nanoencapsulated oils, the zeta potential is usually variable because of wall material characteristics. Campo et al. [37] obtained a zeta potential of − 11.58 ± 1.87 mV for encapsulated chia oil with chia seed mucilage as wall material. Nanoparticles of anionic gums, such as chia seed polysaccharide and cashew gum, can present negative zeta potential due to the presence of carboxylic acids groups in the carboxylate form (-COO-) that generates negative charges [82].

Another important analysis for the characterization of nanoparticles is Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), which is a technique used to obtain an infrared spectrum of the absorption or emission of a solid, liquid or gas. An FTIR spectrometer simultaneously collects high spectral resolution data over a wide spectral range. This provides a significant advantage over a dispersive spectrometer, which measures intensity over a narrow wavelength range. FTIR is a less intuitive way to obtain the same information. Usually, oil nanoparticles are used in the transmittance mode, operating with wavelengths between 400 and 500 and 4000 cm ⁻¹ and a resolution of 4 cm ⁻¹ [37, 84, 91].

Based on FTIR analysis, it is possible to physically perceive the interactions that take place between the nanoparticle components; for example, the FTIR results of nanoencapsulated garlic essential oil showed the characteristic Tween 80 (the emulsifier used) peaks. This phenomenon could be related to coverage in the garlic oil nanoemulsion spectrum due to the stretching vibration of the extracted garlic bands. The band at 1325–1450 cm ⁻¹ showed the presence of S=O, and the band at 1675–1600 cm ⁻¹ showed a -C-C=C symmetric stretch, both of which are present in garlic EO compounds [84].

Incorporation of Nanoencapsulated Oils into the Food Market and Patent Application

According to the House of Lords [92], food currently contains structures at the micro and nanoscale. Fruit juice is composed by plant material that was built from nanoscale ingredients, while Bailey’s Irish Cream contained nanoemulsions with an average droplet size of 190 nm. Margarine had water droplets smaller than 10 μm across, with even smaller fat crystals interspersed in them. The naturally occurring nanomaterials found in food ranged from particles smaller than 100 nm found in drinks such as tea, beer, and coffee to protein structures of approximately 300 nm found in eggs or soy to larger oil particles of approximately 800 nm found in substances such as milk. All fresh and processed food was structured at the nanoscale, and consequently, the body evolved over time to deal with nanoscaled materials.

Few studies have been performed on the incorporation of nanotechnology incorporation into trade [65]. Furthermore, no products that contained oil nanoencapsulation were found in the market. However, there are numerous oil microencapsulation products that can be found in trade, and there is an article that highlights this information [93]. This finding may be attributed to the fact that, in general, nanotechnology is relatively new, and it is a relatively complex technology to employ. However, it is possible to notice some similarities between the methods used for the micro and nanoencapsulation of oils. In addition, the regulation gap in nanotechnology raises some uncertainties about the use of this technology in the market.

Concerning nanotechnology regulation, there are a number of ongoing EU research projects aimed at addressing all aspects of nanosafety, including toxicology, ecotoxicology, risk assessment, exposure assessment, mechanisms of interaction, and standardization. Examples of ongoing EU projects include the NanoLyse project, which is dedicated to the development of analytical tools for the detection and characterization of engineered nanoparticles in food, and the NanoReTox project, which seeks to address the human health and environmental implications of exposure to engineered nanoparticles [94]. However, regulatory institutions such as the Environmental Protection Agency (EPA) and the Food and Drug Administration (FDA) in the USA or the Health and Consumer Protection Directorate of the European Commission have started addressing the potential risks posed by nanoparticles. So far, neither engineered nanoparticles nor the products and materials that contain them are subject to any special regulation regarding production, handling, or labeling.

Although there is no specific nanoparticle regulation, there are some food industry patent documents deposited in different countries. WO2018029626, a patent application from Argentina, focused on chia oil with an edible nanoemulsion. It described a chia oil nanoemulsion comprising between 10 and 20% of chia oil (Salvia hispanica L. ), between 2 and 5% of polysorbate, between 0.5 and 5% of at least one emulsifier other than the polysorbate, between 0.05 and 0.2% of at least one antioxidant, and water. Formulations of edible chia oil nanoemulsions used in transparent drinks and desserts, such as juices and jellies, were disclosed [95]. A patent application from the Republic of Korea, KR20160005182, focused on cinnamon oil nanoemulsions to inhibit the development and increase of dangerous food microorganisms. Furthermore, this invention could not only be used for food additives, food packaging materials, preservatives, etc. but also be utilized in the pharmaceutical and cosmetic industries [96]. A mustard oil nanoemulsion application patent from China, CN103315956, was prepared to alleviate the pungent smell of mustard oil to avoid volatilization, and the mustard oil may be used for bacterial resistance in food and drugs [97]. Wang Weichun Feng Wei submitted an application patent from China, CN103750050, describing a palm oil nanoemulsion that solved the problems of high grease costs, low absorption rates, low oil content in the existing prepared palm oil nanoemulsions, large granularity, poor stability, long production periods, high equipment investments, and high production costs in existing young animal feeds. The palm oil nanoemulsion was prepared by mixing an emulsifier with palm oil, cutting and emulsifying the mixture, and ultrasonically performing cell breaking in the mixture. The process was simple, the entire reaction process was easily controlled, the entire process production period was short, the equipment investment and production costs were low, the oil content of the produced nanoemulsion was high, the distribution granularity was small, the stability was good, and the digestion by livestock increased [98].

There is a growing trend of oil nanoencapsulation patent applications, indicating that many innovations have been made and attesting to the technology the global market.

Заключение

Nanoencapsulation is well-established for oil preservation. It offers a plethora of advantages, including the effective protection of the encapsulated oil against degradation, the possibility of accurate control of the oil release, easy administration, and avoidance of the evaporation of the volatile components. Moreover, nanoencapsulation may be achieved by a variety of techniques. Technique selection will depend on the physicochemical characteristics of the active compounds, the processing conditions, particle size and density necessary to incorporate the oil properly into the final product, the mechanism of release, and the cost constraints. Although there currently are not many oil nanoencapsulation products in the food market, there is no doubt that if boosted by recent remarkable scientific advances, new approaches in oil nanoencapsulation will soon be considered in the application of oils in food additives and nutritional supplements, and patents application will continue to increase.

Сокращения

CG:

Cashew gum

CO₂ :

Carbon dioxide

DHA:

Docosahexaenoic acid

DLS:

Динамическое рассеяние света

EOs:

Essential oils

EPA:

Eicosapentaenoic acid

ESO:

Eucalyptus staigeriana essential oil

FA:

Ferulic acid

FDA:

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

HOPO:

High-oleic palm oil

LD:

Laser diffraction

n-3:

Omega-3 fatty acids

n-6:

Omega-6 fatty acids

PCL:

Poly(ε-caprolactone)

PDI:

Индекс полидисперсности

PUFA:

Polyunsaturated fatty acids

SFEE:

Supercritical fluid extraction of emulsions

SLN:

Solid lipid nanoparticles

Toc:

Tocopherol

US EPA:

United States Environmental Protection Agency

UV:

Ultraviolet radiation