Zhaoxiang Ma

† Școala de absolvire a științelor vieții și mediului, Universitatea Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki 305-8577, Japonia

Nauman Khalid

‡ Școala de științe alimentare și agricole, Universitatea de Management și Tehnologie, Lahore 54000, Pakistan

Gaofeng Shu

§ Spitalul Lishui, Școala de Medicină a Universității Zhejiang, Lishui 323000, PR China

Yiguo Zhao

∥ Școala de Agricultură și Biologie, Universitatea Shanghai Jiao Tong, Shanghai 200240, China

Isao Kobayashi

⊥ Institutul de Cercetări Alimentare, NARO, 2-1-12 Kannondai, Tsukuba, Ibaraki 305-8642, Japonia

Marcos A. Neves

† Școala de absolvire a științelor vieții și mediului, Universitatea Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki 305-8577, Japonia

Ambo Tuwo

# Facultatea de Științe Marine și Pescuit, Universitatea Hassanuddin, Makassar 90245, Indonezia

Mitsutoshi Nakajima

† Școala de absolvire a științelor vieții și mediului, Universitatea Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki 305-8577, Japonia

Abstract

livrare

Efectul emulgatorilor naturali (izolat de proteine ​​din zer, WPI; lecitină modificată, ML; și gumă arabică, GA) asupra formulării, stabilității și bioaccesibilității emulsiilor ulei-în-apă (O/W) încărcate cu fucoxantină a fost determinată în acest studiu. Emulsiile fine au fost preparate sub omogenizare la presiune înaltă la 100 MPa pentru 4 treceri, utilizând 2% în greutate WPI, ML și GA, rezultând emulsii cu dimensiunile picăturilor de 136, 140 și respectiv 897 nm. Stabilitatea chimică a fucoxantinei în emulsii după depozitarea pe termen lung la temperatura ambiantă a scăzut în următoarea ordine: WPI> GA> ML. Eliberarea acizilor grași liberi de fucoxantină, studiată prin digestie in vitro, a scăzut în următoarea ordine: WPI> ML> GA> ulei vrac. Bioaccesibilitatea fucoxantinei în emulsii stabilizate de WPI, ML și GA după digestia in vitro a fost de 92,5 ± 6,8%, 44,6 ± 0,4 și respectiv 36,8 ± 2,5. Aceste rezultate indică faptul că tipul emulsifiantului natural și concentrația utilizată afectează în mod semnificativ formularea, stabilitatea, digestia lipidelor și bioaccesibilitatea fucoxantinei, care poate fi atribuită diferitelor proprietăți ale fiecărui emulgator. Bioaccesibilitatea fucoxantinei a fost îmbunătățită prin utilizarea sistemelor de livrare pe bază de emulsie.

1. Introducere

Emulsiile de calitate alimentară sunt utilizate pe scară largă în cosmetice, produse farmaceutice, alimente și băuturi. 15 Diverse studii au indicat că emulsiile ar putea îmbunătăți stabilitatea și biodisponibilitatea ingredientelor nutraceutice atunci când sunt încorporate în picăturile de fază dispersată. Sistemele de livrare pe bază de emulsie O/W sunt destul de potrivite pentru a încapsula ingrediente bioactive lipofile datorită dispersiei picăturilor lipidice mici în faza continuă. Aceste picături pot trece în mod eficient prin piele și sporesc penetrarea componentelor. 16.17

Studiile anterioare au demonstrat încapsularea cu succes a fucoxantinei foarte purificate în nanoemulsii, nanoparticule și alte pulberi uscate prin pulverizare. 10,18−21 Majoritatea s-au concentrat asupra stabilității și bioaccesibilității fucoxantinei, care au fost afectate de uleiurile purtătoare (ulei de porumb, ulei de triacilglicerol cu ​​lanț mediu, ulei cu aromă de portocală și lipide restructurate) și dispersii (lapte integral și lapte degresat). Între timp, există informații limitate despre comparația diferitelor tipuri de emulgatori. De exemplu, nanoemulsiile încărcate cu fucoxantină au fost pregătite cu succes și caracterizate cu Tween 80. Nanoparticulele de cazeină și chitosan încărcate cu fucoxantină au prezentat o biodisponibilitate îmbunătățită datorită absorbției ridicate și a intrării în sânge. 18 Nu există rapoarte despre utilizarea extractului brut de fucoxantină și a diferiților emulgatori naturali pentru formularea emulsiilor încărcate cu fucoxantină.

2. Rezultate și discuții

2.1. Influența tipului de emulgator și a concentrației asupra formulării emulsiilor O/W încărcate cu fucoxantină

Efectul diferitelor tipuri de emulgatori și concentrațiile acestora asupra formulării emulsiilor, încapsulând fucoxantina, preparată utilizând omogenizarea la presiune înaltă la 100 MPa pentru 4 treceri. (a) Distribuția mărimii picăturilor de emulsii stabilizate de ML (d4,3 = 140 nm), WPI (d4,3 = 136 nm) și GA (d4,3 = 897 nm). (b) d4,3 de emulsii stabilizate de diferite concentrații de emulgatori.

2.2. Influența presiunilor de omogenizare și a numărului de treceri asupra formulării emulsiilor O/W încărcate cu fucoxantină

Efectul presiunii de omogenizare și numărul de treceri asupra formulării emulsiilor. D4,3 de emulsii formulate folosind diferite (a) presiune și (b) numărul de treceri. Stabilitatea chimică în timpul omogenizării a fost, de asemenea, determinată pe emulsii omogenizate de un număr diferit de treceri. Pasul 0 se referă la rezultatele omogenizării rotor-stator.

2.3. Stabilitatea la depozitare a Fucoxantinei în emulsiile O/W

Stabilitatea emulsiei este un factor critic pentru a determina durata de valabilitate a alimentelor și băuturilor. Stabilitatea de stocare a fucoxantinei în emulsii stabilizate de diferite tipuri de emulgatori (WPI, ML sau GA) a fost investigată în timpul depozitării la 25 ° C, până la 15 zile. Datorită structurii nesaturate, fucoxantina este sensibilă la căldură, lumină și degradare oxidativă în timpul procesării și depozitării. Prin urmare, toate probele au fost acoperite cu folie de aluminiu și depozitate în întuneric.

2.4. Stabilitatea fizică a stocării pe termen lung

Figura Figura 3 ilustrează rezultatele d4,3 ale emulsiilor încărcate cu fucoxantină stabilizate de diferiți emulgatori (WPI, ML sau GA) în timpul depozitării până la 15 zile, la 25 ° C. În timpul depozitării, emulsiile au prezentat o stabilitate fizică excelentă și nu a existat nicio lărgire proeminentă în d4,3, când a fost stabilizată de WPI sau ML. WPI poate forma straturi fizice puternice, care ar putea evita coalescența picăturilor prin obstacole sterice la interfața dintre petrol și apă. 29 de emulsii stabilizate cu ML conțineau particule minuscule care ar putea contracara forța gravitațională cu mișcare browniană. În plus, picăturile au o sarcină negativă, care ar putea inhiba flocularea. 30 Între timp, a apărut o cremare vizibilă deasupra emulsiei stabilizate de GA. GA este un emulgator cu o structură moleculară mare și o tensiune interfațială ridicată, care ar putea duce la picături relativ mari care să ducă la o forță de flotabilitate mai mare.

Efectul diferitelor tipuri de emulgatori asupra stabilității fizice a emulsiilor încărcate cu fucoxantină pe parcursul a 15 zile de depozitare la 25 ° C.

2.5. Stabilitatea chimică a Fucoxantinei în timpul depozitării

Efectul tipului de emulgatori asupra stabilității chimice a emulsiilor încărcate cu fucoxantină în comparație cu uleiul în vrac, pe parcursul a 15 zile de depozitare la 25 ° C.

2.6. Digestia lipidelor

Dimensiunea particulelor a crescut drastic după expunerea emulsiilor la faza intestinului subțire, indiferent de tipul emulgatorului. D4,3 inițiale ale emulsiilor stabilizate de WPI, ML sau GA au fost în jur de 136, 140 și 897 nm, care au crescut la 123, 108 și respectiv 121 μm, după digestia în faza intestinului subțire (Figura Figura 5 5) . Alte studii sugerează, de asemenea, că picăturile din emulsiile agregate sunt rezistente la digestia in vitro. 20,35,36 Acest fenomen s-ar putea datora produselor de digestie a lipidelor, cum ar fi particulele coloidale, micelele, straturile biliare, cristalele lichide sau veziculele, care sunt generate datorită hidrolizei moleculelor de triacilglicerol de către lipaze în faza intestinului subțire. 35,37 În special, acizii grași, monoacilglicerolii și sărurile biliare pot produce micele mixte în lichidul intestinal subțire. 38,39 Mai mult, săpunurile insolubile de acizi grași de calciu pot fi formulate în timpul digestiei. 20 Pe de altă parte, caracteristicile interfațiale și de bază se pot schimba și pot duce la agregarea picăturilor.

D4,3 de emulsii încărcate cu fucoxantină formulate cu diferite tipuri de emulgatori în timpul digestiei in vitro (intestinul subțire și inițial).

În studiul digestiei in vitro, tipul de emulgator are o influență importantă asupra ratei și nivelului digestiei lipidelor. 40 Digestia lipidelor a fost definită ca valori FFA (%) pe tot parcursul timpului de digestie (min) și monitorizată printr-o metodă pH-stat. Mai mult, am comparat FFA-urile eliberate în ulei în vrac și emulsii (Figura Figura 6 6). Pentru uleiul în vrac, am observat o cantitate foarte mică de FFA inițiale eliberate (aproximativ 5,9%), ceea ce poate fi explicat prin faptul că cea mai mare parte a uleiului în vrac nu poate fi digerat. Eliberarea de FFA în emulsii a fost destul de rapidă și mai mare decât cea din uleiul în vrac, deoarece suprafața picăturilor de emulsie a fost mai mare decât cea a uleiului în vrac. Suprafața mai mare poate promova interacțiunea picăturilor de ulei cu lipaza pentru a spori eliberarea rapidă de FFA. 41 Acest lucru a explicat, de asemenea, motivul pentru care FFA-urile eliberate în emulsiile stabilizate de GA au fost mai mici decât cele din emulsiile formate de alți emulgatori. În studiile anterioare, FFA-urile în emulsiile stabilizate Tween 20 sau Tween 80 au fost eliberate rapid. Cu toate acestea, în studiul nostru, eliberarea FFA a fost lentă în timpul digestiei. Posibilul mecanism poate fi explicat prin efectele de ecranare ale Ca 2+, care au fost adăugate în faza de digestie. Tween 20 și Tween 80 sunt emulgatori neionici, în timp ce WPI, ML și GA sunt emulgatori anionici. Picăturile încărcate anionic pot fi agregate sau floculate prin efectul de screening cu Ca 2+ cationic. Prin urmare, rata eliberării FFA observată în acest studiu a fost mult mai lentă decât studiile anterioare.

Efectul tipurilor de emulgatori asupra FFA-urilor eliberate în timpul digestiei in vitro a intestinului subțire.

2.7. Stabilitatea chimică și bioaccesibilitatea Fucoxantinei în timpul digestiei

În studiul nostru, stabilitatea chimică a fucoxantinei în timpul digestiei în emulsia stabilizată WPI a fost de aproape 100%, în timp ce cea din emulsiile stabilizate ML a fost de numai 53,6% (Tabelul 1). Cu toate acestea, studiile anterioare nu au sugerat nicio degradare semnificativă a astaxantinei și a β-carotenului înainte și după digestie. 40,42 Acest rezultat a arătat că oxidarea și degradarea compusului bioactiv în timpul digestiei depinde în mare măsură de tipul de probă și emulgator. Structura chimică a fucoxantinei conține o legătură alenică și o grupare carbonil conjugată, care oferă caracteristicile unice ale fucoxantinei. Stabilitatea chimică a astaxantinei și a β-carotenului nu a fost la fel de activă ca fucoxantina. Mai mult, WPI poate acționa ca un emulgator excelent care atenuează degradarea fucoxantinei. Emulsiile stabilizate de GA au avut un diametru mediu de volum mare și FFA scăzute eliberate legate de o cantitate mare de ulei plutit pe fluidul digestiv, prin urmare, a fost dificil să se detecteze stabilitatea chimică a fucoxantinei după digestie. Aceeași situație s-a produs și în cazul petrolului vrac.

tabelul 1

tipRf în emulsie (%) Rf în digesta brută (%) Rf în faza micelelor (%) bioaccesibilitate (%) stabilitate chimică (%)
WPI72,7 ± 2,6 a 72,9 ± 0,1 a 68,4 ± 5,0 a 92,5 ± 6,8 a 100,3 ± 0,2 a
ML65,6 ± 1,5 b 35,1 ± 5,7 b 29,3 ± 0,3 b 44,6 ± 0,4 b 53,6 ± 8,7 b
GA56,0 ± 6,4 c 20,6 ± 1,4 c 36,8 ± 2,5 c
ulei vrac100 ± 1,3 a NDND

Bioaccesibilitatea fucoxantinei a fost foarte dependentă de tipul de emulgator din emulsii și a fost determinată ca fracțiunea de fucoxantină fuzionată cu micelele mixte în faza micelară după digestie utilizând modelul de digestie gastrointestinală in vitro. Se observă că bioaccesibilitatea fucoxantinei a fost îmbunătățită drastic prin utilizarea sistemelor de livrare pe bază de emulsie. Bioaccesibilitatea fucoxantinei în probe a urmat ordinea: WPI (92,5%)> ML (44,6%)> GA (36,8%)> ulei vrac (ND) și s-a corelat invers cu ordinea dimensiunii inițiale a picăturilor. În special, reținerea fucoxantinei în micelele emulsiilor stabilizate cu WPI a crescut până la 68,4%, ceea ce a fost drastic mai mare decât cele din uleiul în vrac. Pentru emulsii, lipoliza a fost mai rapidă și suficientă, cu picături inițiale mai mici. Diferite studii au indicat, de asemenea, că dimensiunea inițială a picăturilor de dispersie are o influență semnificativă asupra generării micelelor și a bioaccesibilității mai scăzute a β-carotenului cu creșterea dimensiunii inițiale a picăturilor. 42,43

Deși metoda de omogenizare la presiune înaltă poate îmbunătăți bioaccesibilitatea fucoxantinei, dezavantajele sale nu trebuie neglijate. Tabelul 1 arată că, odată cu prelucrarea și digestia ulterioară, proporția de retenție a fucoxantinei a scăzut în fiecare etapă. Motivele scăderii Rf, cum ar fi aportul mare de energie, expunerea la oxigen și alte câteva motive, au fost discutate mai sus. Prin urmare, sunt necesare studii suplimentare pentru a rezolva problemele reducerii degradării fucoxantinei în timpul procesării și digestiei.

3. Materiale și metode

3.1. Materiale

Probele de extract de fucoxantină (ulei de fucoxantină ThinOgen 5%, puritate fucoxantină 5% prin HPLC) au fost donate de BGG-Japan Co., Ltd. (Tokyo, Japonia). Sursa extractului de fucoxantină a fost Laminaria saccharina (L.) Lamouroux (Alga Kombu) -Syn: Laminaria japonicaor Undaria pinnatifida, Harvey (Wakame Algae). Uleiul de triacilglicerol cu ​​lanț mediu (MCT-7) a fost achiziționat de la Taiyo Kagaku Co., Ltd. (Mie, Japonia). S-a raportat că triacilglicerolul din MCT conține aproximativ 25% acid capric și 75% acid caprilic și poligliceril-5-laurat. WPI a fost procurat de la Nichiga, Japan Garlic Co., Ltd. (Gunma, Japonia). ML (SLP whitelyso) a fost achiziționat de la Tsuji Oil Mills Co., Ltd. (Tokyo, Japonia). ML este un amestec de fosfolipide diferite și conține lizofosfatidilcolină (18-30%), fosfatidilinozitol (10-20%), fosfatidilcolină (2-8%), fosfatidiletanolamină (1-7%) și acid fosfatidic (0-5%) . GA a fost achiziționată de la Fujifilm Wako Pure Chem., Co. (Osaka, Japonia). Toate celelalte substanțe chimice utilizate au fost de calitate analitică. Apa dublă distilată (apă Milli-Q) a fost utilizată pentru prepararea tuturor soluțiilor și emulsiilor.

3.2. Formularea emulsiilor O/W încărcate cu fucoxantină

Faza dispersată a fost preparată prin dispersarea a 4% în greutate extract de fucoxantină în ulei MCT și agitată la temperatura ambiantă, peste noapte, pentru a se asigura că fucoxantina este complet dizolvată. Probele au fost rafinate trecând printr-un filtru seringă poli (tetrafluoretilenă) (PTFE) (0,45 μm) pentru a elimina particulele nedizolvate. Fazele continue au fost preparate prin dizolvarea a 0,01-4% în greutate emulgatori (WPI, ML sau GA) în apă Milli-Q și s-a adăugat 0,02% în greutate agent antimicrobian (azidă de sodiu). Emulsiile O/W încărcate cu fucoxantină au fost preparate prin omogenizarea fazei dispersate de 10% în greutate și a fazei continue de 90% în greutate la temperatura ambiantă. Inițial, emulsiile grosiere au fost omogenizate utilizând un omogenizator rotor-stator (polytron, PT-3000 Kinematica-AG, Littace, Elveția) la 10.000 rpm timp de 5 minute și apoi au trecut printr-un omogenizator de înaltă presiune (NanoVater, NV200, Yoshida Kikai, Japonia ) la un interval de presiune de 20-140 MPa pentru 0-10 treceri pentru a obține emulsiile fine.