Low-energy high-throughput microporous emulsification for lemon oil encapsulation

Abstract

L’oli de llimona és ric en terpens insaturats i funcionalitzats amb oxigen, esdevenint-ne d’aquesta manera susceptible a l’oxidació per oxigen, llum i calor. Per tal de minimitzar la degradació i pèrdua d’aromes durant el processament, una pràctica comú és l’encapsulació d’aquests olis mitjançant emulsificació abans d’emprar-los en aliments i begudes. En aquesta tesi, s’han produït emulsions d’oli de llimona en aigua amb una distribució de mida de gota estreta a través d’un nou sistema de membranes dinàmiques de mida de porus ajustable (DMTS) d’alt rendiment i baix cost energètic. Les emulsions estabilitzades amb complexos WP-CMC van conservar el seu color inicial després de 7 dies a temperatura ambient i sota refrigeració. A més, quan es va emprar un mètode d’emulsificació convencional, les emulsions estabilitzades amb complexos WP-CMC van mantenir el seu perfil aromàtic durant dues setmanes. Els resultats van mostrar que a través del sistema DMTS, és possible produir emulsions estables d’oli de llimona (amb una mida de porus de 2-3 µm) amb fraccions d’oli de fins un 40% (en pes). Es va aconseguir amb aquesta recerca obtenir la major disrupció de gota reportada fins ara (0.05 < d3,2 / dv < 0.2). Així mateix, una versió modificada del sistema DMTS, anomenada DMTS per capes, va produir emulsions amb una distribució de mida de gota molt estreta (“span” ≤1). Les emulsions estabilitzades amb complexos WP-CMC van tenir el menor “span”, amb un valor de 0.82. Els resultats obtinguts amb el sistema DMTS modificat van demostrar que és possible disminuir el consum d’energia requerit sense comprometre la qualitat de les emulsions (mida de gota, dispersió, estabilitat i flux). Per aquest mateix motiu, el sistema DMTS, i en particular el DMTS per capes, constitueix una tecnologia d’emulsificació per microporus de baixa energia i alt rendiment que gaudeix d’un major potencial respecte a la seva escalabilitat comparada amb altres sistemes d’emulsificació de baixa energia.

El aceite de limón es rico en terpenos insaturados y funcionalizados con oxígeno, haciéndolo susceptible a la oxidación mediada por oxígeno, luz y calor. Para minimizar la degradación y pérdida de aromas durante el procesado y almacenamiento, una práctica común es la encapsulación de estos aceites mediante emulsificación antes de su uso en alimentos y bebidas. En la presente tesis, se han producido emulsiones de aceite de limón en agua con una distribución de tamaño de gota estrecha a través de un novedoso sistema de membranas dinámicas de tamaño de poro ajustable (DMTS) de alto rendimiento y bajo coste energético. Las emulsiones estabilizadas con complejos WP-CMC conservaron su color inicial después de 7 días a temperatura ambiente y bajo refrigeración. Además, cuando se usó un método de emulsificación convencional, las emulsiones estabilizadas con complejos WP-CMC mantuvieron su perfil aromático durante dos semanas. Los resultados mostraron que a través del sistema DMTS, es posible producir emulsiones estables de aceite de limón (con un tamaño de gota de 2-3 µm) con fracciones de aceite de hasta un 40% (en peso). Se consiguió con esta investigación obtener el mayor nivel de disrupción de gota reportado hasta la fecha (0.05 < d3,2 / dv < 0.2). Así mismo, una versión modificada del sistema DMTS, llamada DMTS por capas, produjo emulsiones con una distribución de tamaño de gota muy estrecha (“span” ≤1). Las emulsiones estabilizadas con complejos WP-CMC tuvieron el menor “span”, con un valor de 0.82. Los resultados obtenidos con el sistema de DMTS modificado demostraron que es posible disminuir el consumo de energía requerido sin comprometer la calidad de las emulsiones (tamaño de gota, dispersión, estabilidad y flujo). Por este mismo motivo, el sistema DMTS, y en particular el DMTS por capas, constituye una tecnología de emulsificación por microporos de baja energía y alto rendimiento que goza de un mayor potencial respecto a su escalabilidad comparada con otros sistemas de emulsificación de baja energía.

Lemon oil, is rich in unsaturated and oxygen functionalized terpenes making it susceptible to oxidation caused by oxygen, light and heat. To limit aroma degradation or loss during processing and storage, encapsulation, through emulsification, of essential oils prior to use in foods or beverages is a common practice. In this thesis, lemon oil-in-water emulsions with narrow droplet size distribution were produced by means of a novel low-energy high-throughput dynamic membrane of tunable pore size (DMTS) system. Emulsions were stabilized with a whey protein-carboxymethyl cellulose electrostatic complex to assess the impact of electric surface charge and the interfacial thickness on the physical and chemical stability of the emulsions WP-CMC stabilized emulsions conserved the initial color of the emulsion for 7 days at room temperature and under refrigeration. Also, using a conventional membrane emulsification method, WP-CMC stabilized emulsions maintained their aromatic profile for two weeks. Results showed that using the DMTS system, stable lemon oil emulsions (of 2-3 µm droplet size) can be produced with 40%wt oil fraction. These results are the highest reported droplet break-up for premix membrane emulsification (0.05 < d3,2 / dv < 0.2). Also, a modified version of the DMTS system, called layered DMTS, produced emulsions with narrow size distribution (span ≤1). Emulsions stabilized with the WP-CMC complex had the lowest reported span value of 0.82. Results obtained with the modified DMTS showed that major cutbacks in the system energy requirements can be done without compromising the quality of the emulsions (droplet size and dispersion, dispersion, stability, flux). For that reason, the DMTS system, and the layered DMTS in particular, is a low-energy, high-throughput microporous emulsification technology that has more potential for scaling-up than other low-energy emulsification systems.