Understanding of the effects of bio-based nanostructures within food matrices

Abstract

Food nanotechnology is an emerging field with exponential growth by developing different nanostructures for different areas of the food industry. However, one of the biggest challenges is the reduction of the existing gap between the production of bio-based nanostructures and the evaluation of their behavior when incorporated into food matrices. This work’s main goal is to evaluate the effects of different lipid-based nanostructures incorporation within foods and their behavior during food shelf-life and digestion process. Different nanostructures (i.e., nanoemulsions (NE), nanostructured lipid carriers (NLC) and solid lipid nanoparticles (SLN)) with curcumin incorporated were subjected to different food simulants where the curcumin’s release kinetics and the particle’s stability were evaluated. Moreover, the nanostructures were incorporated into a beverage model, where particles and beverage stability were assessed during beverage’s shelf-life and curcumin’s bioaccessibility was determined after in vitro digestion. All nanostructures showed the highest curcumin’s release and lowest particle stability when incorporated in a lipophilic food simulant. NLC and SLN showed a good particle’s stability within the beverage during shelf-life and did not affect significantly the beverage’s stability. Beverage with SLN presented the highest curcumin’s bioaccessibility, therefore SLN were selected to proceed with the studies. SLN were incorporated into stirred yogurt, where SLN effects were evaluated in terms of yogurt’s stability during shelf-life, yogurt’s tribo-rheological properties, in vitro digestion and in vitro cytotoxicity. In general, the incorporation of SLN did not affect the yogurt’s stability during its shelf-life; moreover, SLN seemed to improve the mouthfeel of the yogurt and did not adversely impact curcumin’s bioaccessibility. However, the interactions between SLN and yogurt during in vitro digestion seemed to exhibit a synergetic cytotoxic effect. In vitro and in vivo toxicity was assessed for curcumin-loaded SLN using Caco-2 cells and zebrafish embryo models, respectively. Curcumin-loaded SLN showed no toxic effects at the concentrations tested in Caco-2 cells, although they presented a concentration-dependence effect on in vivo toxicity. Bigels were developed using potato protein as a plant-based alternative to curcumin’s carrier and a food product/ingredient, showing interesting rheological and mechanical properties. This work contributed to a better understanding of the behavior of SLN inside different food matrices as well as of their potential in vivo toxicity and to the development of plant-based structures as an alternative to bioactive compound’s carrier and a food product, which is important for the development of new healthier and higher nutritional value food products.

Nanotecnologia alimentar é um ramo emergente e com crescimento exponencial. Um dos maiores desafios nesta área é a avaliação do comportamento de nanoestruturas de origem biológica quando incorporadas em matrizes alimentares. O principal objetivo deste trabalho é avaliar os efeitos de diferentes nanoestruturas de base lipídica quando incorporadas em alimentos e o seu comportamento durante o tempo de prateleira e no processo de digestão. As diferentes nanoestruturas (nanoemulsões (NE), nanotransportadores lipídicos (NCL) e nanopartículas lipídicas sólidas (NLS) com curcumina incorporada foram sujeitos a diferentes simulantes alimentares, onde a cinética de libertação da curcumina e a estabilidade das partículas foram avaliadas. As nanoestruturas foram incorporadas numa bebida modelo, onde foram avaliadas a estabilidade das partículas e da bebida durante o tempo de prateleira e a bioacessibilidade da curcumina depois da digestão in vitro. Todas as nanoestruturas apresentaram uma maior libertação de curcumina e uma menor estabilidade das partículas em simulantes lipofílicos. Quando incorporadas na bebida, as NCL e as NLS apresentaram uma boa estabilidade de partícula e não afetaram significativamente a estabilidade da bebida durante o tempo de prateleira. A bebida com NLS apresentou uma maior bioacessibilidade de curcumina. As NLS foram incorporadas em iogurte, onde foram avaliados os seus efeitos na estabilidade do iogurte durante o tempo de prateleira, nas propriedades tribo-reológicas, na digestão e na citotoxicidade in vitro. As NLS não afetaram a estabilidade do iogurte durante o tempo de prateleira, e parecem ter melhorado o “mouthfeel” do iogurte e mantido a bioacessibilidade da curcumina. As interações entre as NLS e o iogurte durante a digestão parecem ter causado um efeito citotóxico sinérgico. A toxicidade in vitro e in vivo das NLS foram avaliadas usando como modelos as células Caco-2 e os embriões de peixe zebra, respetivamente. As NLS com curcumina não se mostraram tóxicas nas concentrações testadas in vitro, no entanto apresentaram um efeito de dependência de concentração nos embriões de peixe-zebra. Desenvolveram-se bigéis utilizando a proteína da batata como uma alternativa vegetal aos transportadores de curcumina e um potencial novo produto alimentar, tendo apresentado propriedades reológicas interessantes. Este trabalho contribuiu para uma melhor compreensão do comportamento das NLS em matrizes alimentares, e para o desenvolvimento de estruturas de base vegetal como alternativa aos transportadores de compostos bioativos e a produtos alimentares, o que é importante para o desenvolvimento de novos produtos alimentares.