Stability assessment of emulsions treated by ultra-high pressure homogenization and their incorporation in a uht milk-based product for delivery of conjugated linoleic acid

Abstract

En els últims 10 anys s'ha incrementat la recerca en emulsions per a l'alliberament de compostos bioactius. Les emulsions convencionals d'oli-en-aigua (> 1 µm) presenten una estabilitat fisicoquímica i oxidativa insuficient; per tant, i per superar aquest problema, s'han dut a terme molts esforços en el desenvolupament de noves tecnologies. La tecnologia d'Homogeneïtzació a Ultra-Alta Pressió (UHPH) s'ha aplicat en diferents emulsions alimentàries per tal de millorar la seva estabilitat física. Per això, és necessari el desenvolupament d'emulsions UHPH d'oli-en-aigua que continguin bioactius lipòfils, com l'àcid linoleic conjugat (CLA), per tal de millorar les característiques nutricionals i fisicoquímiques de les emulsions, així com la seva vida útil. En aquesta tesi doctoral, es va avaluar la influència de diferents tecnologies (UHPH i homogeneïtzació convencional; CH) i ingredients (aïllat proteic de soja, SPI; aïllat proteic de pèsol, PPI; oli de soja i CLA) en emulsions d'oli-en-aigua. A més, es va desenvolupar un producte final de base làctia UHT incorporant emulsions amb CLA. La present recerca es va dividir en quatre parts. En un primer estudi, es va avaluar l'efecte de la UHPH (100-300 MPa, Ti=20 °C) en comparació de la CH (15 MPa, Ti=20 °C) sobre l'estabilitat física i oxidativa d'emulsions d'oli de soja (10 i 20%) i estabilitzades amb SPI per tal de determinar les formulacions més estables. A més, la desnaturalització completa de l'SPI (95 °C, 15 min) es va realitzar abans del tractament CH amb l'objectiu d'analitzar la possibilitat d'obtenir característiques millorades de les emulsions. En concret, les emulsions UHPH tractades a 100 i 200 MPa amb un 20% d'oli van ser les més estables a nivell físic i oxidatiu a causa de la disminució de la mida de partícula, la major quantitat d'oli, i una major viscositat i quantitat de proteïna a la interfase oli-en aigua. El tractament tèrmic de l'SPI no va millorar l'estabilitat física de les emulsions, però sí l'estabilitat oxidativa quan es va utilitzar un 10% d'oli. El segon estudi consistí en la producció de diferents emulsions (20% d'oli) estabilitzades amb SPI i PPI i emprant 1 i 5 etapes de CH (55 MPa, Ti=20 °C) per avaluar l'eficiència d'encapsulació de CLA (6%), així com el seu alliberament i bioeficàcia utilitzant la digestió in vitro i un model cel·lular Caco-2 d'absorció intestinal. Totes les emulsions van protegir millor el CLA encapsulat a diferència del control (CLA en forma lliure), el qual es va oxidar durant l'emmagatzematge, així com després de la digestió in vitro i consegüent alliberament en les cèl·lules Caco-2. Es van trobar percentatges similars de biodisponibilitat del CLA en totes les emulsions. Un tercer estudi va avaluar l'efecte de la UHPH (200 MPa, Ti=20 °C) en les emulsions amb CLA en comparació a la CH (15 MPa, Ti=20 °C). Per a un altre lot de emulsions CH, també es va dur a terme un tractament tèrmic de pasteurització. La UHPH va produir una emulsió estèril i durant l'emmagatzematge, va mostrar millor estabilitat física en comparació amb els altres tractaments, i a més, va mantenir una òptima estabilitat oxidativa. Un cop més, es varen trobar percentatges similars de biodisponibilitat del CLA en totes les emulsions. En un l'últim estudi, es va avaluar la incorporació d'emulsions amb CLA tractades per UHPH (200 MPa, Ti=20 °C) i CH (15 MPa, Ti=20 °C) en un producte de base làctia UHT. El producte final que contenia les emulsions UHPH va mostrar una estabilitat fisicoquímica i propietats sensorials millorades durant 4 mesos d'emmagatzematge.

En los últimos 10 años se ha incrementado la investigación en emulsiones para la liberación de compuestos bioactivos. Las emulsiones convencionales de aceite-en-agua (> 1 µm) presentan una estabilidad fisicoquímica y oxidativa insuficiente; por lo tanto, y para superar este problema, se han llevado a cabo muchos esfuerzos en el desarrollo de nuevas tecnologías. La tecnología de Homogeneización a Ultra-Alta Presión (UHPH) se ha aplicado en diferentes emulsiones alimentarias con el fin de mejorar su estabilidad física. Por estas razones, es necesario el desarrollo de emulsiones UHPH de aceite-en-agua que contengan bioactivos lipófilos, como el ácido linoleico conjugado (CLA), con el fin de mejorar las características nutricionales y físico-químicas de las emulsiones, así como su vida útil. En esta tesis doctoral, se estudió la influencia de diferentes tecnologías (UHPH y homogeneización convencional; CH) e ingredientes (aislado proteico de soja, SPI; aislado proteico de guisante, PPI; aceite de soja y CLA) en emulsiones de aceite-en-agua. Además, se desarrolló un producto final de base láctea UHT conteniendo emulsiones con CLA. La presente investigación se dividió en cuatro partes. En un primer estudio, se evaluó el efecto de la UHPH (100-300 MPa, Ti=20 °C) en comparación a la CH (15 MPa, Ti=20 °C) sobre la estabilidad física y oxidativa de emulsiones de aceite de soja (10 y 20%) y estabilizadas con SPI, con el fin de determinar las formulaciones más estables. Además, se desnaturalizó el SPI (95 ° C, 15 min) antes del tratamiento CH con el objetivo de analizar la posibilidad de obtener características de las emulsiones mejoradas. En concreto, las emulsiones UHPH tratadas a 100 y 200 MPa con un 20% de aceite fueron las más estables a nivel físico y oxidativo debido a la disminución del tamaño de partícula, la mayor cantidad de aceite, y una mayor viscosidad y cantidad de proteína en la interfase aceite-en-agua. El tratamiento térmico del SPI no mejoró la estabilidad física de las emulsiones, pero sí la estabilidad oxidativa cuando se utilizó un 10% de aceite. El segundo estudio consistió en la producción de diferentes emulsiones (20% de aceite) estabilizadas con SPI y PPI, y se emplearon 1 y 5 pases de CH (55 MPa, Ti=20 °C) para determinar la eficiencia de encapsulación de CLA (6%), su liberación y bioeficacia utilizando la digestión in vitro y un modelo celular Caco-2 de absorción intestinal. Todas las emulsiones protegieron mejor el CLA encapsulado a diferencia del control (CLA en forma libre), el cual se oxidó durante el almacenamiento, así como después de la digestión in vitro y consiguiente liberación en las células Caco-2. Se encontraron porcentajes similares de biodisponibilidad del CLA en todas las emulsiones. Para evaluar el efecto de la UHPH (200 MPa, Ti=20 °C) en las emulsiones con CLA en comparación a la CH (15 MPa, Ti=20 °C), se realizó un tercer estudio. Para otro lote de emulsiones CH, también se llevó a cabo un tratamiento térmico de pasteurización. La UHPH produjo una emulsión estéril y durante el almacenamiento, mostró mejor estabilidad física en comparación a los otros tratamientos, y además, mantuvo una óptima estabilidad oxidativa. Una vez más, se encontraron porcentajes similares de biodisponibilidad del CLA en todas las emulsiones. En un el último estudio, se evaluó la incorporación de emulsiones con CLA tratadas por UHPH (200 MPa, Ti=20 °C) y CH (15 MPa, Ti=20 °C) en un producto de base láctea UHT. El producto final que contenía las emulsiones UHPH mostró una mayor estabilidad físico-química y propiedades sensoriales mejoradas durante 4 meses de almacenamiento.

Research on delivery of bioactive compounds by emulsion-based systems has increased over the last 10 years. Conventional oil-in-water emulsions (>1 μm) have poor physicochemical and oxidative stability; therefore, many efforts on novel technologies development have been employed to overcome this problem. Ultra-High Pressure Homogenization (UHPH) technology has been applied in different food emulsions in order to improve their physical stability. For these reasons, development of UHPH oil-in-water emulsions containing lipophilic bioactives, such as conjugated linoleic acid (CLA), to improve their physicochemical and nutritional characteristics and shelf-life is needed. In this thesis dissertation, the influence of different technologies (UHPH and Conventional Homogenization; CH) and ingredients (soy protein isolate, SPI; pea protein isolate, PPI; soybean oil and CLA) in oil-in-water emulsions was evaluated. In addition, a final UHT milkbased product containing CLA-emulsions was developed. This research has been divided into four parts. The first part studied the effect of UHPH (100- 300 MPa, Ti=20 °C) compared to CH (15 MPa, Ti=20 °C) on physical and oxidative stability of soybean oil (10 and 20%) emulsions stabilized by SPI was assessed in order to determine the most stable formulations. Also, complete denaturation of SPI (95 °C, 15 min) before CH treatment was performed with the aim of analyzing possible improvement of emulsion characteristics. Particularly, UHPH emulsions treated at 100 and 200 MPa with 20% of oil were the most physically and oxidatively stable due to low particle size values, higher amount of oil, and greater viscosity and protein surface load at the interface. The heating of SPI did not improve physical stability of emulsions but enhanced oxidative stability when 10% oil was used. The second study consisted in the assessment of different emulsions (20% oil) stabilized by SPI and PPI and homogenized by CH (55 MPa, Ti=20 °C) for 1 and 5 passes on the efficiency of 6% CLA encapsulation, its release and bioefficacy using in vitro digestion and a Caco-2 intestinal cell absorption model. All emulsions protected the encapsulated CLA better than the nonemulsified control in which CLA was oxidized during storage, as well as after in vitro digestion and delivery in Caco-2 cells. Similar percentages of CLA bioavailability were found for all emulsion treatments. To evaluate the effect of UHPH (200 MPa, Ti=20 °C) in CLA-emulsions in comparison to CH (15 MPa, Ti=20 °C), a third study was performed. For another batch of CH emulsions, a heat treatment was also conducted applying a pasteurization treatment. UHPH produced a sterile CLA-emulsion and showed better physical stability during storage compared to other treatments, maintaining an optimal oxidative stability. Again, similar percentages of CLA bioavailability in Caco-2 cells were found for all emulsion treatments. In the last study, the incorporation of CLA-emulsions obtained by UHPH (200 MPa, Ti=20 °C) and CH (15 MPa, Ti=20 °C) in a UHT milk-based product was evaluated. The final product containing the UHPH emulsions showed enhanced physicochemical stability and sensory properties during 4 months of storage.