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https://hdl.handle.net/1822/40564
Título: | Development and characterization of lipid-based nanosystems for controlled release of bioactive compounds |
Outro(s) título(s): | Desenvolvimento e caracterização de nanosistemas lipídicos para libertação controlada de compostos bioactivos |
Autor(es): | Silva, Hélder Daniel Peixoto |
Orientador(es): | Vicente, A. A. Cerqueira, Miguel Ângelo Parente Ribeiro |
Data: | 16-Dez-2015 |
Resumo(s): | The application of nanotechnology to food industry has received great attention
from the scientific community. Driven by the increasing consumers’ demand for
healthier and safer food products and the need for food grade systems able to
encapsulate, protect, and release bioactive compounds, researchers are
currently focusing their efforts in nanotechnology to address issues relevant to
food and nutrition. Lipid-based nanosystems used as delivery systems are
particularly suited for the encapsulation of lipophilic bioactive compounds as it
prevents their degradation and improves their bioavailability during
gastrointestinal passage. These nanosystems have the potential to
revolutionize food industry, once they will allow designing and developing novel
functional food products, improving water solubility, thermal stability and
bioavailability of bioactive/functional compounds, and enhance sensory
attributes and physiological performance of products such as: soft drinks, milk,
ice cream, salad dressings, soups, mayonnaise, sauces, dips, butter and
margarine. Despite their functionalities, key challenges such as their behaviour
within the human gastrointestinal tract and possible toxicity, should first be
addressed.
Having this background in mind, this thesis aims at developing lipid-based
nanosystems for controlled release of lipophilic bioactive compounds, while
evaluating their behaviour under gastrointestinal tract conditions and at the
same time evaluates the developed nanosystems toxicity towards humans, in
model Caco-2 cells. In order to achieve these premises this work a) defines the
influence of surfactants and processing conditions in nanoemulsions
development; b) evaluates the influence of surface composition in the
nanosystems behaviour under gastrointestinal conditions; and c) studies the nanosystems toxicity and their ability to deliver curcumin through Caco-2 cells
monolayer.
The work performed has shown that nanoemulsions can be produced using
high-pressure homogenization and surface composition can be modified using
the layer-by-layer (LbL) electrostatic deposition technique. The influence of
surfactant and processing conditions on the development and stability of
nanoemulsions were evaluated and results showed that processing parameters
such as homogenization pressure, surfactant concentration and oil:water ratio
significantly affected the Hydrodynamic diameter (Hd) and Polydispersity Index
(PdI) values of nanoemulsions. The developed nanoemulsions showed a good
kinetic stability (evaluated after centrifugation, heating-cooling cycles and
thermal stress) upon measuring the Hd during 28 and 35 days of storage,
without visual evidence of creaming and phase separation. Surface composition
modification carried through LbL technique resulted in kinetically stable
multilayer nanoemulsions. Results showed an encapsulation efficiency of 99.8 ±
0.8 % and a loading capacity of 0.53 ± 0.03 % (w/w) for the nanoemulsion. The
presence of the multilayer leads to an increase of the Hd of the nanosystems,
from 80.0 ± 0.9 nm (nanoemulsion) to 130.1 ± 1.5 nm (multilayer
nanoemulsion). Curcumin release profiles from the nanosystem were evaluated
at different conditions and by fitting a linear superimposition model to
experimental data the results suggested an anomalous behaviour, being the
relaxation of the surfactant and polyelectrolytes the rate-determining
phenomena in curcumin release.
The effect of the deposition of chitosan and alginate layers onto nanoemulsion
systems on curcumin bioaccessibility during in vitro digestion was studied using
a dynamic gastrointestinal system that mimicked stomach, duodenum, jejunum
and ileum conditions. Results showed that the deposition of a polyelectrolyte
layer significantly improved the antioxidant capacity of curcumin during in vitro
digestion. In addition, whenever a polyelectrolyte layer was deposited on the
nanoemulsion droplets, was observed a better control of the rate and the extent
of lipid digestibility by decreasing the hydrolytic activity of lipase when
compared to uncoated nanoemulsions. The construction of a chitosan layer increased the bioaccessibility of curcumin,
whereas cellular antioxidant activity studies revealed that nanoemulsions and
multilayer nanoemulsions had respectively 9 and 10 times higher antioxidant
capacity at the cellular level, when compared to pure curcumin. Permeability
assays showed that the use of a chitosan layer significantly increased (p<0.05)
the apparent permeability coefficient of curcumin through Caco-2 cells by 1.55-
fold.
In conclusion, this works shows that lipid-based nanosystems can be tailored to
increase lipophilic bioactive compounds bioaccessibility or modulate the satiety
response by retarding lipid digestion, which can be rather important for the
development of functional foods designed for combating obesity, showing great
potential for application in food industry. A aplicação da nanotecnologia na indústria alimentar tem recebido grande atenção por parte da comunidade científica. Impulsionada pela crescente preocupação dos consumidores por produtos alimentares mais saudáveis e seguros e pela necessidade de sistemas edíveis capazes de encapsular, proteger e libertar compostos bioativos, os investigadores estão atualmente a concentrar os seus esforços no uso da nanotecnologia de forma a responder a questões relevantes à alimentação e nutrição. Os nanosistemas lipídicos como sistemas de libertação são particularmente interessantes para a encapsulação de compostos lipofílicos bioativos, uma vez que impedem a sua degradação e melhoram a sua biodisponibilidade durante a passagem gastrointestinal. Estes nanosistemas tem o potencial de revolucionar a indústria alimentar, uma vez que permitirão o desenvolvimento de novos produtos nutraceuticos, melhorar a solubilidade em água, a estabilidade térmica, a biodisponibilidade, atributos sensoriais e o desempenho fisiológico de produtos tais como refrigerantes, leite, gelados, molhos para saladas, sopas, maioneses, manteiga e margarina. No entanto, apesar das suas funcionalidades, existem ainda alguns desafios tais como o seu comportamento no trato gastrointestinal humano e possível toxicidade, que devem de ser abordados. Com estes desafios em mente, esta tese visou o desenvolvimento de nanosistemas lipídicos para a libertação controlada de compostos bioativos lipofílicos, avaliar o seu comportamento sob condições do trato gastrintestinal e, ao mesmo tempo avaliar a toxicidade dos nanosistemas desenvolvidos em células Caco-2. De forma a cumprir estas premissas, este trabalho consistiu em: a) avaliar a influência dos surfactantes e das condições do processo no desenvolvimento de nanoemulsões; b) avaliar a influência da composição de superfície no comportamento nanosistemas sob condições gastrointestinais; e c) determinar a toxicidade e a capacidade dos nanosistemas no transporte de curcumina através de uma monocamada de células Caco-2. O trabalho realizado demonstrou que as nanoemulsões podem ser produzidos utilizando homogeneização de alta pressão e que a composição de superfície das mesmas pode ser alterada utilizando a técnica de deposição eletrostática camada-a-camada (LbL). A influência do surfactante e das condições de processamento foram avaliadas no desenvolvimento e estabilidade das nanoemulsões. Os resultados mostraram que as condições de processamento, tais como pressão de homogeneização, concentração de surfactante e proporção óleo:água afetou significativamente os valores do diâmetro hidrodinâmico e do índice de polidispersibilidade das nanoemulsões. As nanoemulsões desenvolvidas demonstraram boa estabilidade cinética (avaliada após ciclos de centrifugação, de aquecimento e de arrefecimento e stress térmico) através da medição da diâmetro hidrodinâmico durante 28 e 35 dias de armazenamento, sem evidência visual de creaming e separação de fases. A modificação da composição da superfície realizada através da técnica LbL resultou em nanoemulsões multicamadas cineticamente estáveis. Os resultados mostraram uma eficiência de encapsulação de 99,8 ± 0,8 % e uma capacidade de loading de 0,53 ± 0,03 % (w/w) para a nanoemulsão. A presença das multicamadas originou um aumento do diâmetro hidrodinâmico das nanoemulsões de 80,0 ± 0,9 nm (nanoemulsão) para 130,1 ± 1,5 nm (nanoemulsão multicamada). Os perfis de libertação da curcumina dos nanosistemas foram avaliados em diferentes condições. A modelação dos dados experimentais através do modelo linear de sobreposição sugeriu que o transporte da curcumina é devido a um comportamento anómalo, sendo o relaxamento do surfactante e dos polielectrólitos os fenómenos determinantes para a libertação controlada da curcumina. O efeito da deposição de camadas de quitosano e alginato em nanoemulsões foi avaliado com base na bioacessibilidade da curcumina durante digestões in vitro, utilizando um sistema gastrointestinal dinâmico que mimetiza as condições do estômago, duodeno, jejuno e íleo. Os resultados mostraram que a deposição de camadas de polielectrólitos melhorou significativamente a capacidade antioxidante de curcumina durante a digestão in vitro. Além disso, a deposição de camadas de polielectrólitos permitiu um melhor controlo da taxa e extensão da digestibilidade lipídica através da diminuição da atividade hidrolítica da lipase. A construção de uma camada de quitosano aumentou a biodisponibilidade da curcumina, enquanto que estudos de atividade antioxidante celular revelaram que nanoemulsões e nanoemulsões multicamada obtiveram respectivamente 9 e 10 vezes maior capacidade antioxidante a nível celular, quando comparado com a curcumina pura. Ensaios de permeabilidade mostraram que o uso de uma camada de quitosano aumenta significativamente (p<0.05) o coeficiente de permeabilidade aparente da curcumina através de células Caco-2 em 1,55 vezes. Em conclusão, esta trabalho demonstra que os nanosistemas lipídicos podem ser personalizados para aumentar a biodisponibilidade de compostos bioativos lipofílicos ou modular a saciedade ao retardar a digestão dos lípidos, o que pode ser importante para o desenvolvimento de alimentos funcionais concebidos para o combate à obesidade, mostrando um grande potencial para futuras aplicações na indústria alimentar. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica. |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/40564 |
Acesso: | Acesso aberto |
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