Microencapsulation of Polyunsaturated Fatty Acid-Rich Vegetable Oils with Buttermilk Using Ultra-High-Pressure Homogenization (UHPH) Technology: Application in Yogurt

Abstract

L'homogeneïtzació a ultra alta pressió (UHPH) és una tecnologia versàtil que té la capacitat d'inactivar microorganismes i enzims, de donar lloc a emulsions submicroniques de gran estabilitat física i química i de produir canvis en les estructures col·loïdals. Com a conseqüència d'aquest últim aspecte, les UHPH tenen un gran potencial per a la reestructuració de la capa protectora de les gotes segons la composició dels agents emulsionants utilitzats, amb repercussions en les propietats tecnofuncionals, i la protecció contra l'oxidació. Aquest projecte pretén investigar les emulsions obtingudes mitjançant la tecnologia UHPH, incorporant Sèrum de mantega (BM) amb una composició variable de sèrum de mantega juntament amb olis vegetals rics en àcids grassos poliinsaturats, especialment àcid a-linolènic i linoleic. La deshidratació de les emulsions per assecat per aerosol servirà per allargar la vida útil d'aquestes emulsions i facilitar-ne l'ús a nivell industrial. La utilitat final d'aquestes emulsions sòlides seques (SDE) serà la seva incorporació a un producte freqüentment derivat de lactis com el iogurt. Aquesta investigació s'ha dividit en tres parts. El primer estudi tenia com a objectiu examinar la millora potencial de la tecnologia UHPH en la producció d'emulsions riques poliinsaturades (BME) estabilitzades amb llet de mantega per a un assecat addicional, en comparació amb l'homogeneïtzació convencional. Emulsions d'oli en aigua formulades amb un 10% de chia: oli de gira-sol (50:50); Es van obtenir un 30% de maltodextrina (MD) i un 4 a 7% de BM mitjançant homogeneïtzació convencional a 30 MPa i UHPH a 100 i 200 MPa, temperatura d'entrada de 30 ºC. L'anàlisi de la mida de les partícules, l'avaluació reològica, l'estabilitat col·loïdal, la mesura del potencial zeta i les observacions de la microestructura es van realitzar al BME. En particular, l'aplicació de la tecnologia UHPH va millorar les característiques de qualitat global de BME en termes d'estabilitat generant una mida de partícula més petita. Aquestes formulacions, especialment les emulsions processades amb UHPH, van induir l'agregació de gotes d'oli quan es combinaven MD i BM. La presència d'àrids va ser rellevant en diferents característiques de les emulsions com el comportament reològic i l'estabilitat física.

El següent estudi va consistir en l'assecat per aspersió d'emulsions de BM en una condició d'assecat seleccionada prèviament determinada. L'estudi realitzat es va dur a terme avaluant l'estabilitat física i oxidativa de les emulsions seques (SDE) que es van caracteritzar pel que fa al contingut d'aigua, activitat de l'aigua (Aw), propietats de flux, solubilitat en aigua, eficiència d'encapsulació (EE), color i microestructura. L'estabilitat d'oxidació de SDE es va analitzar en condicions d'oxidació accelerada a 50 ° C durant un mes per a l'evolució de l'anàlisi d'oxidació primària i secundària els dies 1, 7, 14 i 31 d'emmagatzematge. El SDE tractat amb BM UHPH al 7% va mostrar la millor estabilitat a l'oxidació primària durant l'emmagatzematge, mentre que el SDE tractat amb BM-UHPH al 4% va mostrar una millor estabilitat oxidativa secundària. Els resultats van mostrar una millor capacitat de BM com a agent encapsulant en emulsions processades amb UHPH amb un 7% de BM. Per tant, aquesta formulació s'obté a la producció del iogurt. En l'últim estudi, les llets recombinades de iogurt es van formular utilitzant dues concentracions de 7% BM-SDE (4% i 6%), 3% de llet desnatada en pols i 2% d'inici, totes disperses en llet desnatada UHT. La capacitat de coagulació i les característiques del iogurt es van avaluar durant 30 dies d'emmagatzematge en fred, mitjançant l'avaluació de paràmetres de qualitat, incloent textura i reologia, microestructura, característiques fisicoquímiques (color, pH, acidesa total i capacitat de retenció d'aigua), estabilitat oxidativa, perfil d'àcids grassos principal, avaluació microbiana i avaluació sensorial.

La homogeneización a ultra alta presión (UHPH) es una tecnología versátil que tiene la capacidad de inactivar microorganismos y enzimas, dar lugar a emulsiones submicrónicas de gran estabilidad física y química, y producir cambios en las estructuras coloidales. Como consecuencia de este último aspecto, las UHPH tienen un gran potencial para dar lugar a reestructuraciones de la capa protectora de las gotas en función de la composición de los agentes emulsionantes utilizados, con repercusiones sobre las propiedades tecnofuncionales, y la protección frente a la oxidación. Este proyecto tiene como objetivo investigar las emulsiones obtenidas mediante la tecnología UHPH, incorporando suero de mantequilla (BM) con una composición variable de suero de mantequilla junto con aceites vegetales ricos en ácidos grasos poliinsaturados, especialmente ácido a-linolénico y linoleico. La deshidratación de las emulsiones mediante secado por atomización servirá para prolongar la vida útil de estas emulsiones y facilitar su uso a nivel industrial. La utilidad final de estas emulsiones sólidas secas (SDE) será su incorporación a un producto frecuentemente lácteo como el yogur. Esta investigación se ha dividido en tres partes. El primer estudio tenía como objetivo examinar la mejora potencial de la tecnología UHPH en la producción de emulsiones ricas en poliinsaturados (BME) estabilizadas con suero de mantequilla para su posterior secado, en comparación con la homogeneización convencional. Se obtuvieron emulsiones de aceite en agua formuladas con 10% de chía: aceite de girasol (50:50); 30% de maltodextrina (MD) y 4 a 7% de BM mediante homogeneización convencional a 30 MPa y UHPH a 100 y 200 MPa, 30 ºC de temperatura de entrada. En el BME se realizaron análisis del tamaño de las partículas, evaluación reológica, estabilidad coloidal, medición del potencial zeta y observaciones de la microestructura. En particular, la aplicación de la tecnología UHPH mejoró las características globales de calidad de la BME en términos de estabilidad al generar un tamaño de partícula menor. Estas formulaciones, especialmente las emulsiones procesadas con UHPH, indujeron la agregación de gotas de aceite al combinar MD y BM. La presencia de agregados fue relevante en diferentes características de las emulsiones, como el comportamiento reológico y la estabilidad física. El siguiente estudio consistió en el secado por pulverización de emulsiones BM en una condición de secado seleccionada previamente determinada. El estudio realizado se llevó a cabo evaluando la estabilidad física y oxidativa de las emulsiones secas (SDE), que se caracterizaron en términos de contenido de agua, actividad del agua (Aw), propiedades de fluidez, solubilidad en agua, eficiencia de encapsulación (EE), color y microestructura. La estabilidad a la oxidación de los SDE se analizó en condiciones de oxidación acelerada a 50 °C durante un mes para la evolución de los análisis de oxidación primaria y secundaria en los días 1, 7, 14 y 31 de almacenamiento. El SDE tratado con BM-UHPH al 7% mostró la mejor estabilidad de oxidación primaria durante el almacenamiento, mientras que el SDE tratado con BM-UHPH al 4% mostró una mejor estabilidad de oxidación secundaria. Los resultados mostraron una mejor capacidad del BM como agente encapsulante en las emulsiones procesadas con UHPH al 7% de BM. Por lo tanto, esta formulación obtenida para la producción del yogur. En el último estudio, se formularon leches recombinadas para yogur utilizando dos concentraciones de 7% de BM-SDE (4% y 6%), 3% de leche desnatada en polvo y 2% de iniciador, todo ello dispersado en leche desnatada UHT. Se evaluaron la capacidad de coagulación y las características del yogur durante 30 días de almacenamiento en frío, mediante la evaluación de parámetros de calidad, como la textura y la reología, la microestructura, las características fisicoquímicas (color, pH, acidez total y capacidad de retención de agua), la estabilidad oxidativa, el perfil de ácidos grasos principales, la evaluación microbiana y la evaluación sensorial. Los yogures CH mostraron parámetros texturales (firmeza y consistencia) y viscoelásticos (G' y G'') más elevados que los yogures UHPH a la misma concentración de SDE. Sin embargo, los yogures UHPH mostraron en general mejores valores de WHC. Los yogures UHPH también demostraron una mayor estabilidad a la oxidación y un mayor contenido de PUFA.

Ultra-high-pressure homogenization (UHPH) is a versatile technology that has the ability to inactivate microorganisms and enzymes, to give rise to submicron emulsions of great physical and chemical stability, and to produce changes in colloidal structures. As a consequence of this last aspect, UHPH have great potential to lead to restructuring of the protective layer of the droplets according to the composition of the emulsifying agents used, with repercussions on the techno-functional properties, and protection against oxidation. This project aims to investigate the emulsions obtained using UHPH technology, incorporating Buttermilk (BM) with a variable composition of buttermilk together with vegetable oils rich in polyunsaturated fatty acids, especially a-linolenic and linoleic acid. Dehydration of emulsions by spray-drying will serve to extend the shelf life of these emulsions and facilitate their use at the industrial level. The final utility of these solid dry emulsions (SDE) will be their incorporation into a frequently dairy-based product such as yogurt. This research has been divided into three parts. The first study aimed to examine the potential improvement of UHPH technology in producing buttermilk-stabilized polyunsaturated rich emulsions (BME) for further drying, compared with conventional homogenization. Oil-in-water emulsions formulated with 10% chia: sunflower oil (50:50); 30% maltodextrin (MD) and 4 to 7% BM were obtained by using conventional homogenization at 30 MPa and UHPH at 100 and 200 MPa, 30 ºC inlet temperature. Particle size analysis, rheological evaluation, colloidal stability, zeta-potential measurement, and microstructure observations were performed in the BME. Particularly, the application of UHPH technology improved the global quality characteristics of BME in terms of stability by generating smaller particle size. These formulations, especially the UHPH-processed emulsions, induced the aggregation of oil droplets when combining MD and BM. The presence of aggregates was relevant in different characteristics of emulsions such as rheological behavior and physical stability. The next study consisted of spray drying of BM emulsions at a selected drying condition previously determined. Study performed was conducted by assessing physical and oxidative stability of the dried emulsions (SDE) which were characterized in terms of water content, water activity (Aw), flowing properties, water solubility, encapsulation efficiency (EE), color, and microstructure. Oxidation stability of SDE was analyzed in accelerated oxidation conditions at 50 °C for one month for primary and secondary oxidation analysis evolution on days 1, 7, 14, and 31 of storage. 7% BM UHPH-treated SDE showed the best primary oxidation stability during storage, while the 4% BM-UHPH-treated SDE exhibited better secondary oxidative stability. Results showed better ability of BM as encapsulating agent in UHPH-processed emulsions with 7% of BM. Hence, this formulation obtained to production of the yogurt. In the last study, yogurt recombined milks were formulated using two concentrations of 7% BM-SDE (4% and 6%), 3% skimmed milk powder and 2% starter, all dispersed in UHT skim milk. Coagulation ability and yogurt characteristics were evaluated during 30-day cold storage, by assessing quality parameters, including texture and rheology, microstructure, physicochemical characteristics (colour, pH, total acidity, and water holding capacity), oxidative stability, main fatty acid profile, microbial assessment, and sensory evaluation. The CH yogurts exhibited higher textural parameters (firmness and consistency) and viscoelastic parameters (G' and G'') compared to the UHPH yogurts at the same SDE concentration. However, UHPH yogurts generally showed better WHC values. UHPH yogurts also demonstrated higher stability to oxidation and higher PUFA content.