Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/27448

Type: Tese
Title: Bioactive micro-structured lipid carriers for incorporation in biodegradable films for potential food application
Author(s)/Inventor(s): Costa, Bárbara Elisabeth Teixeira
Advisor: Andrade, Cristina Tristão de
Abstract: O objetivo principal desta tese foi obter carreadores lipídicos ativos por coacervação complexa e incorporá-los em filmes biodegradáveis à base de quitosana plastificados com solventes eutéticos (DES) à base de cloreto de colina: glicerol (ChCl: Gly) para potencial aplicação em alimentos. Dois diferentes sistemas baseados nos pares de polímeros quitosana (CS) e alginato de sódio (SA), e CS e isolado de proteína de ervilha (PPI) foram formulados e otimizados usando planejamento de experimentos (DOE) para encapsular o óleo de polpa de açaí (AO) e azeite de oliva extra-virgem (EvO). O primeiro sistema foi formulado para estudar o efeito de diferentes concentrações de AO (0,25 - 0,75%) e cloreto de cálcio (CaCl2) (0 - 1,0%), na formação de complexos de polieletrólitos CS:SA (PECs) usando planejamento composto central. A formação do complexo CS:SA e o encapsulamento AO também foram confirmados por microscopia óptica (OM) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), além de espectroscopia de infravermelho (FTIR), análises termogravimétricas e termogravimétricas derivadas (TGA/DTG). Neste sistema, AO e CaCl2 influenciaram significativamente o tamanho e o índice de polidispersão (span) dos PECs, embora a eficiência de encapsulação (> 99%) não tenha sido afetada. Esses PECs exibiram comportamento típico de gel, consistente com a formação dos complexos. AO e os PECs otimizados (0,5% AO e 0,5% CaCl2) apresentaram alta atividade antioxidante, > 70% pelo método de sequestro do radical DPPH. O outro sistema de microencapsulação foi formulado para estudar o efeito da concentração de CS (0,39 - 1,1%) e razão CS:PPI (0,18 - 2,31) na formação de PECs para encapsulação de EvO usando um planejamento composto central. O tamanho das partículas foi significativamente influenciado pela razão CS:PPI, enquanto que o span foi influenciado por ambos, CS e razão CS:PPI. Os resultados foram otimizados pela metodologia de superfície de resposta (RSM) e função desirability (D), apresentando condições ótimas de 0,75% de CS, 2,31 de razão CS:PPI and 0,5% de EvO, e D igual a 0,845. As partículas otimizadas tinham um tamanho pequeno e span estreito, ~ 3 µm e 2, respectivamente. Os espectros de FTIR e as curvas TGA/DTG dos complexos confirmaram a encapsulação de EvO. Os complexos CS:PPI-EvO exibiram atividade antioxidante moderada, com o maior valor ~ 117 mg equivalente de Trolox (TE) L-1 pelo ensaio DPPH. Como o AO encapsulado em CS/SA PECs exibiu propriedades físico-químicas e antioxidantes satisfatórias, sua incorporação em filmes biodegradáveis foi avaliada. O método de casting foi utilizado para produzir filmes compósitos de CS plastificados com 1:2 ChCl:Gly e incorporados com diferentes quantidades (0-10%) de AO PECs. As técnicas de OM, MEV e microscopia confocal de varredura a laser (CLSM) foram utilizadas para observar sua microestrutura e confirmar a presença de PECs de AO. Os espectros de FTIR e as curvas de difração de raios-X e revelaram interações entre CS, DES e AO PECs nos filmes por bandas espectrais típicas deslocadas, bem como por sua cristalinidade diminuída (8 a 4%), respectivamente. Os filmes exibiram boas propriedades mecânicas, alto alongamento na ruptura > 100%, baixa resistência à tração e módulo de Young. Todos os filmes exibiram atividades antioxidantes por diferentes ensaios, embora o maior valor tenha sido determinado pelo método de sequestro de radical DPPH, ~17 mg TE g-1 de filme. Isso pode estar associado à maior capacidade antioxidante de AO, 101,8 ± 8,2 mg TE L -1 de óleo, também determinada por DPPH. Esses resultados demonstraram as boas propriedades estruturais, mecânicas e antioxidantes dos filmes compósitos de CS com um bom potencial para ser empregado como embalagem ativa de alimentos.
Abstract: The main goal of this thesis was to obtain active lipid carriers by complex coacervation and incorporate them in biodegradable chitosan-based films plasticized with deep eutectic solvents (DES) based on the mixture of choline chloride:glycerol (ChCl:Gly) to potential food application. Two different systems based on chitosan (CS) and sodium alginate (SA), and CS and pea protein isolate (PPI) were formulated and optimized using the design of experiments (DOE) methodology to encapsulate açaí pulp oil (AO) and extra-virgin olive oil (EvO). The first system was investigated by a central composite design. It was formulated to study the effect of different amounts of AO (0.25 - 0.75%), and calcium chloride (CaCl2) (0 – 1.0%), in the formation of CS:SA polyelectrolyte complexes (PECs). CS:SA complex formation and AO encapsulation were confirmed by optical (OM) and electron scanning microscopy (SEM), as well as infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric and derivative thermogravimetric analyses (TGA/DTG). In this system, AO and CaCl2 significantly influenced the size and polydispersity index (span) of the PECs, although the encapsulation efficiency (>99%) was not affected. These PECs exhibited a gel-like behavior, consistent with the complexes formation. AO and the optimum PECs (0.5% AO and 0.5% CaCl2) presented high antioxidant activity, >70% by the DPPH scavenging radical. The other microencapsulation system was formulated to study the effect of CS concentration (0.39 - 1.1%) and CS:PPI ratio (0.18 - 2.31) on the formation of PECs to encapsulate EvO using a central composite design. The particles size was significantly influenced by CS:PPI ratio, whereas span was influenced by both, CS and CS:PPI ratio. The results were optimized by response surface methodology (RSM) and desirability function (D), displaying optimum conditions of 0.75% CS, 2.31 CS:PPI ratio and 0.5% EvO, and D = 0.845. The optimized particles had a small size and narrow span, ~3 µm and 2, respectively. FTIR spectra and TGA/DTG curves of the complexes have confirmed the EvO encapsulation. The CS:PPI-EvO complexes exhibited moderate antioxidant activity, with the highest value ~117 mg Trolox equivalent (TE) L -1 by DPPH radical scavenging assay. As to the AO encapsulated in optimum CS/SA, PECs exhibited satisfactory physicochemical and antioxidant properties. Their incorporation in biodegradable films was evaluated. The casting method was used to produce CScomposite films plasticized with 1:2 ChCl:Gly and incorporated with different amounts (0 - 10%) of AO PECs. The OM, SEM and confocal laser scanning microscopy (CLSM) techniques were used to observe their microstructure and to confirm the presence of AO PECs. FTIR and X-ray diffraction patterns revealed interactions between CS, DES and AO PECs in the films by typical and shifted spectral bands, as well as by its decreased crystallinity (8 to 4%), respectively. The films exhibited good mechanical properties, high elongation at break > 100%, low tensile strength and Young’s modulus. All films exhibited antioxidant activities by using different assays, although the highest value was determined by DPPH radical scavenging, up to 17 mg TE g-1 of film. This could be associated to the higher antioxidant capacity of AO, 101.8 ± 8.2 mg TE L-1 oil, also determined by DPPH radical scavenging assay. Furthermore, these results have demonstrated the good structural, mechanical and antioxidant properties of the CS-composite films as a potential active food packaging.
Keywords: Coacervados à base de quitosana
Filmes compostos de base biológica
Embalagens de alimentos antioxidantes
Coacervados
Hidrocolóides alimentares
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::CIENCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS::CIENCIA DE ALIMENTOS
Program: Programa de Pós-Graduação em Ciência de Alimentos
Production unit: Instituto de Química
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Aug-2021
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Citation: COSTA, Bárbara Elisabeth Teixeira. Bioactive micro-structured lipid carriers for incorporation in biodegradable films for potential food application. 2021. 232 f. Tese (Doutorado em Ciência de Alimentos) - Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.
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