Production and characterization of nanoencapsulated essential oils: study of its stability and antimicrobial activity

Abstract

Consumers are now more concerned about their health and sustainability and are more alerted to the consequences of using synthetic chemicals. Due to this growing awareness, essential oils have gained notoriety and are considered potential antimicrobial agents in food preservation. However, essential oils are quite unstable and require a system to protect them, such as nanoemulsions. The work developed in this thesis resulted from a collaboration of Earth Essences, a company that produces aromatic and medicinal plants in Póvoa de Lanhoso, with the Department of Chemistry of the University of Minho and with the Food Processing Group of the International Iberian Nanotechnology Laboratory. The main objectives of this work were to chemically characterize thyme and lemon balm essential oils, to produce nanoemulsions by low energy methods for their encapsulation and to evaluate their stability and antimicrobial activity. With the aid of complementary techniques such as gas chromatography coupled to mass spectrometry, nuclear magnetic resonance and Fourier transform infrared spectroscopy, it was observed that thyme essential oil had three major constituents, p-cymene, thymol and g-terpinene, while lemon balm oil was essentially composed of b-caryophyllene. It was shown the degradation of oils when subjected to a high energy procedure and therefore the importance of using low energy encapsulation methods. Among several emulsifying agents evaluated, Tween 80 showed to be the only one capable of obtaining nanoemulsions by low energy methods. Formulations with a surfactant-to-oil ratio of 2 have been found to be stable for several months when stored under refrigeration. Nanoemulsions with thyme oil presented high antioxidant activity, which was shown to be related to oil concentration. On the contrary, nanoemulsions with lemon balm essential oil did not show significant antioxidant activity, however it was observed that their encapsulation increased this property. Formulations with both essential oils were effective in antimicrobial assays in S. aureus but not against E. coli and were found to be toxic in Caco-2 cells for 100 μg/mL and higher concentrations. Thus, this work allowed to develop a reproducible and stable system, capable of encapsulating essential oils and whose formulations have shown to have high potential to be used in the development of new products in food industry.

Atualmente, os consumidores têm-se mostrado mais preocupados com a sua saúde e sustentabilidade e alertados para as consequências do uso de químicos sintéticos. Devido a esta crescente consciencialização, os óleos essenciais têm vindo a ganhar notoriedade como potenciais agentes antimicrobianos na conservação de alimentos. Contudo, os óleos essenciais são bastante instáveis e necessitam de um sistema que os proteja, tal como as nanoemulsões. O trabalho desenvolvido nesta tese resultou de uma colaboração da Earth Essences, uma empresa de produção de plantas aromáticas e medicinais na Póvoa de Lanhoso, com o Departamento de Química da Universidade do Minho e com o Food Processing Group do International Iberian Nanotechnology Laboratory. Os objetivos principais deste trabalho consistiram em caracterizar quimicamente óleos essenciais de tomilho e cidreira, produzir nanoemulsões por métodos de baixa energia para a sua encapsulação e avaliar a sua estabilidade e atividade antimicrobiana. Com o auxílio de técnicas complementares como cromatografia gasosa acoplada a espetrometria de massa, ressonância magnética nuclear e espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, foi observado que o óleo essencial de tomilho apresentava três constituintes maioritários, p-cimeno, timol e g-terpineno, enquanto que o óleo de cidreira era essencialmente composto por b-cariofileno. Foi mostrada a degradação dos óleos quando submetidos a um procedimento de alta energia e a importância de usar métodos de baixa energia para a sua encapsulação. De uma série de agentes emulsionantes avaliados, o Tween 80 mostrou ser o único capaz de obter nanoemulsões pelo método de baixa energia. As formulações com uma razão surfactante-óleo igual a 2, revelaram ser estáveis por vários meses quando armazenadas em refrigeração. Nanoemulsões com óleo de tomilho apresentaram elevada atividade antioxidante, que mostrou estar relacionada com a concentração do óleo. Já as nanoemulsões com óleo essencial de cidreira não exibiram atividade antioxidante significante, contudo observou-se que a sua encapsulação potenciou esta propriedade. Formulações com ambos os óleos essenciais foram eficazes nos ensaios antimicrobianos em S. aureus, mas não contra E. coli e revelaram ser tóxicas em células Caco-2 a partir de 100 μg/mL. Assim, este trabalho permitiu desenvolver um sistema reprodutível e estável, capaz de encapsular os óleos essenciais e cujas formulações mostraram ter um elevado potencial para ser usadas no desenvolvimento de novos produtos na indústria alimentar.