Emulsion-based delivery systems as a strategy to improve functionality of β-carotene

Abstract

ls compostos bioactius tenen grans beneficis per a la salut i és per això que són de gran interès per als consumidors, les indústries alimentàries i els investigadors. No obstant això, la baixa solubilitat, l’estabilitat i la biodisponibilitat d'alguns compostos bioactius de caràcter lipofílic, com el β-carotè, comprometen la seva incorporació en la majoria de productes alimentaris. Avenços recents en l'encapsulació i la protecció d’aquests compostos bioactius, han obert noves portes al desenvolupament d’aliments enriquits, amb especial atenció als sistemes d’alliberament de compostos bioactius basats en emulsions. Així mateix, la composició d’aquests sistemes determina clarament les seves propietats fisicoquímiques i la seva funcionalitat. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta Tesi Doctoral es utilitzar diferents tipus d’estabilitzants per formular sistemes basats en emulsions i aconseguir un alliberament del β-carotè controlat i exitós.

Les nanoemulsions de β-carotè formulades amb diferents emulsionants (Tween 20, lecitina, caseïnat de sodi i palmitat de sacarosa) a diverses concentracions (2-8%) van ser digerides a través d’un tracte gastrointestinal in vitro i es van determinar les seves propietats fisicoquímiques. Les nanoemulsions estabilitzades amb lecitina al 8% van presentar l`alliberació d’àcids grassos lliures més elevada (100%) després de la digestió intestinal i, al mateix temps, la bioaccessibilitat de β-carotè més alta (23.5%). A més a més, es va avaluar la permeabilitat de les nanoemulsions de β-carotè a través de dos tipus de barrera intestinal (Caco-2 i Caco-2 / HT29-MTX). Les nanoemulsions estabilitzades amb lecitina van presentar una concentració de β-carotè en les cèl·lules Caco-2 significativament més elevada (2.28%) en comparació amb les que contenien caseïnat de sodi (1.72%). Per contra, la concentració de β-carotè va ser significativament menor en les cèl·lules de la barrera intestinal Caco-2 / HT29-MTX (≥0.74%), sense diferències significatives entre els dos emulsionants.

A les nanoemulsions enriquides en β-carotè es van afegir diferents concentracions de fibra de mandarina (0-2%). Tot i que les nanoemulsions van presentar propietats fisicoquímiques similars al llarg de les diferents fases del tracte gastrointestinal in vitro, es va obtenir una digestibilitat i una bioaccessibilitat de β-carotè similar entre les nanoemulsions. Tot i això, es va observar un augment significatiu de la bioaccessibilitat de β-carotè en aquelles nanoemulsions que contenien fins a l'1% de fibra de mandarina.

L’emulsió terciària (lactoferrina / alginat / ε-poli-L-lisina) es va desenvolupar com a vehicle transportador de β-carotè. Es va avaluar la seva estabilitat física i contingut en β-carotè sota diverses situacions externes (canvis de temperatura, pH i força iònica), així com la seva funcionalitat. L’emulsió terciària va presentar un augment de mida de partícula després de ser sotmesa a temperatures extremes (≥70 ºC), condicions àcides (≤4) o amb l’addició de sal (≥0.1 M), mentre que es va observar una mida de partícula menor a un pH bàsic. A més, el contingut de β-carotè en les emulsions terciàries va disminuir només un 40% quan aquestes van ser sotmeses a temperatures inferiors a 70 ° C, en condicions àcides i per sota de 0.3 M de NaCl. Finalment, les emulsions terciàries van presentar, no només una digestibilitat més elevada (83.59%), sinó que també una bioaccessibilitat de β-carotè més alta (70.10%) en comparació amb les emulsions primàries i secundàries.

Els resultats obtinguts en aquesta Tesi Doctoral proporcionen informació útil sobre com la composició dels sistemes basats en emulsions enriquits amb β-carotè pot influir en les seves propietats fisicoquímiques, en l’estabilitat al llarg del tracte intestinal i en les condicions externes, així com, en la digestibilitat i en l’alliberació de β-carotè. Per tant, aquests sistemes es poden considerar vehicles transportadors de compostos lipofílics i al mateix temps, representen un punt de partida per al disseny d’aliments funcionals amb beneficis per la salut.

Los compuestos bioactivos son de gran interés para los consumidores, las industrias alimentarias y los investigadores ya que aportan beneficios para la salud. Sin embargo, la baja solubilidad, estabilidad y biodisponibilidad de algunos compuestos bioactivos lipofílicos, como el β-caroteno, comprometen su incorporación en los alimentos. Recientes avances en técnicas de encapsulación y protección de estos compuestos bioactivos han abierto nuevas posibilidades para el desarrollo de nuevos alimentos enriquecidos, con especial atención a los sistemas de liberación basados en emulsiones. Sin embargo, la composición de estos sistemas determina claramente sus propiedades fisicoquímicas y su funcionalidad. Así, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral es utilizar diferentes tipos de estabilizantes para formular sistemas basados en emulsiones para una liberación efectiva del β-caroteno.

Las nanoemulsiones de β-caroteno formuladas con diferentes emulsionantes (Tween 20, lecitina, caseinato de sodio y palmitato de sacarosa) a diversas concentraciones (2-8%) se sometieron a una digestión in vitro y se determinaron sus propiedades fisicoquímicas. Las nanoemulsiones estabilizadas con lecitina al 8% presentaron la mayor liberación de ácidos grasos libres (100%) después de la digestión y, a su vez, exhibieron la mayor bioaccesibilidad de β-caroteno (23.5%). Además, se evaluó la permeabilidad de las nanoemulsions de β-caroteno a través de dos modelos intestinales (Caco-2 y Caco-2 / HT29-MTX). Las nanoemulsiones estabilizadas con lecitina presentaron una concentración de β-caroteno en las células Caco-2 significativamente más elevada (2.28%) en comparación con las de caseinato de sodio (1.72%). Por el contrario, la concentración de β-caroteno fue significativamente menor en las células Caco-2 / HT29-MTX (≥0.74%), sin diferencias significativas entre ambos emulsionantes.

Por otro lado, se añadieron diferentes concentraciones de fibra de mandarina (0-2%) a las nanoemulsiones enriquecidas con β-caroteno. Aunque las nanoemulsiones exhibieron propiedades fisicoquímicas similares a lo largo de las diferentes fases del tracto gastrointestinal in vitro, se obtuvo una digestibilidad y bioaccesibilidad de β-caroteno similares entre las nanoemulsiones. Sin embargo, se observó un aumento significativo en la bioaccesibilidad de β-caroteno en aquellas nanoemulsiones que contenían hasta 1% de fibra de mandarina.

La emulsión terciaria (lactoferrina / alginato / ε-poli-L-lisina) se desarrolló como vehículo transportador de β-caroteno. Se evaluó su estabilidad física y contenido de β-caroteno bajo situaciones externas (cambios de temperatura, pH y fuerza iónica), así como su funcionalidad. La emulsión terciaria presentó un aumento de tamaño de partícula después de temperaturas extremas (≥70ºC), condiciones ácidas (≤4) o adición de sal (≥0.1M), mientras que aquellas emulsiones a un pH básico presentaron tamaño de partícula pequeño. Además, el contenido de β-caroteno en las emulsiones terciarias disminuyó solo un 40% cuando éstas se sometieron a temperaturas ≤70 °C, en condiciones ácidas y por debajo de NaCl 0.3 M. Finalmente, las emulsiones terciarias exhibieron una mayor digestibilidad (83.59%) y bioaccesibilidad de β-caroteno (70.10%) en comparación con las emulsiones primarias y secundarias. Los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral proporcionan información útil sobre cómo la composición de los sistemas enriquecidos con β-caroteno basados en emulsiones, pueden influir en sus propiedades fisicoquímicas, en su estabilidad en condiciones de estrés y tracto intestinal, así como la digestibilidad y liberación de β-caroteno. Por tanto, estos sistemas se consideran como vehículos transportadores de compuestos lipofílicos, lo que podría abrir nuevas perspectivas para diseñar alimentos funcionales con beneficios para la salud.

Bioactive compounds are of great interest for consumers, food industries and researchers due to their potential health benefits. However, the low aqueous solubility, stability and bioavailability of some lipophilic bioactive compounds, such as β-carotene, greatly compromise successful incorporation within foodstuffs. Recent advancements in encapsulation and protection of bioactive compounds has opened new possibilities for the development of enriched novel food products, with special attention to emulsion-based delivery systems. However, composition of these systems clearly determines their physicochemical properties and functionality. Thus, the main goal of this Doctoral Thesis was to use stabilisers of different nature to formulate emulsion-based systems for a successful β-carotene delivery.

β-carotene nanoemulsions formulated with different emulsifiers (Tween 20, lecithin, sodium caseinate and sucrose palmitate) at various concentrations (2-8%) were subjected to an in vitro gastrointestinal tract (GIT) and their physicochemical properties were also determined. Lecithin-stabilised nanoemulsions at 8% presented the highest release of free fatty acids (100%) after lipid digestion, and in turn, exhibited the highest β-carotene bioaccessibility (23.5%). Furthermore, the permeability across two intestinal barrier models (Caco-2 and Caco-2/HT29-MTX co-cultures) was evaluated. Nanoemulsions stabilised with lecithin had a β-carotene concentration in Caco-2 cells lysates significantly higher (2.28%) compared with those containing sodium caseinate (1.72%). On the contrary, the concentration of β-carotene was significantly lower in Caco-2/HT29-MTX co-cultures cell lysates (≥0.74%), with no significant differences between both emulsifiers.

Different mandarin fiber concentrations (0-2%) were added to β-carotene-enriched nanoemulsions. Although nanoemulsions exhibited similar physicochemical properties along the different phases of the in vitro gastrointestinal tract (GIT), similar lipid digestibility and β-carotene bioaccessibility was obtained among nanoemulsions. However, a significant increase in β-carotene bioaccessibility was observed for those nanoemulsions containing until 1% of mandarin fiber.

Tertiary emulsion (lactoferrin/alginate/ε-poly-L-lysine) was developed as a β-carotene carrier. Its physical stability and β-carotene content under external stresses (temperature, pH and ionic strength changes), as well as functionality were evaluated. Tertiary emulsion presented a great particle size after extreme temperatures (≥70ºC), acidic conditions (≤4) or with salt addition (≥0.1M), while a small particle size was observed at basic pH. In addition, β-carotene content in tertiary emulsions decreased only 40% when emulsions were subjected at temperatures <70 °C, in acidic conditions and below 0.3 M NaCl. Finally, tertiary emulsions exhibited higher lipid digestibility (83.59%) and β-carotene bioaccessibility (70.10%) compared with primary and secondary emulsions.

Results obtained in the present Doctoral Thesis provide useful information about how composition of emulsion-based systems enriched with β-carotene might have an influence on their physicochemical properties, stability under in vitro GIT and stress conditions, as well as, lipid digestibility and β-carotene delivery. These systems can be considered as promising vehicles for lipophilic compounds, which might open new perspectives for designing functional food products with outstanding benefits for consumers.