Design of sustainable nano-based delivery systems and evaluation of their behaviour during in vitro digestion

Abstract

A curcumina é um fitoquímico hidrofóbico obtido do açafrão da India, que demonstra efeitos benéficos contra a diabetes, cancros do sistema gastrointestinal, úlceras gástricas, doença inflamatória intestinal e obesidade, bem como é segura, bem-aceite e de baixo custo sendo assim apelativa para a fortificação alimentar. Contudo, como apresenta baixa solubilidade e é foto instável, a sua encapsulação é benéfica. Alem disso, a utilização de sistemas de encapsulação à base de plantas não só vai de encontro às tendências atuais de economia sustentável, que recorre a materiais abundantes, biodegradáveis, biocompatíveis e não-tóxicos mas também são materiais compatíveis para consumidores com dietas restritas. Neste trabalho, a curcumina foi encapsulada em dois nanosistemas de encapsulamento sustentáveis, especificamente nanopartículas lipídicas solidas (SLNs) com base em cera de candelilla e nanopartículas de proteína de ervilha. Um desenho experimental foi implementado com o intuito de obter uma formulação otimizada de SLNs, tendo permitido determinar que a concentração de cera, de lecitina e de Tween 80 eram influentes na variabilidade dos parâmetros de resposta. Uma formulação composta por 4.2 % (w/w) de cera, 0.7 % (w/w) de curcumina e de 0.9 % (w/w) de lecitina e Tween 80, exibiu um tamanho de 179.2 ± 4.0 nm, índice de polidispersividade (PDI) de 0.191 ± 0.008 e ζ-potencial de -20.4 ± 0.3 mV. Apresentou ainda uma eficiência de encapsulação (EE) de 100 ± 0.6 % e estabilidade durante 27 dias. A bioacessibilidade, estabilidade e biodisponibilidade efetiva das SLNs foi de 67.4 ± 14.4 %, 5.3 ± 0.4 % e 3.6 ± 0.6 %, respetivamente. A baixa estabilidade pode refletir um burst release durante a fase gástrica. No final da fase gástrica, a libertação de ácidos gordos foi de 14.25 ± 6.38 %, um valor mais alto do que seria de esperar uma vez que a cera de candelilla é indicada como não digerível. As nanopartículas de proteína de ervilha foram otimizadas em relação à formulação, concentração de curcumina e pH. A formulação de pH 8 e concentração de curcumina inicial de 0.034 mg/mL foi escolhida por demonstrar um tamanho de 154.6 ± 6.5 nm, PDI de 0.312 ± 0.018 e ZP de -29.6 ± 2.7 mV, além da EE mais elevada (80.29 ± 8.54 %). Após 13 dias, o tamanho e ζ-potencial mantiveram-se e o PDI teve um aumento, pequeno, mas significativo. No fim da digestão in vitro obteve-se uma bioacessibilidade de 46.6 ± 27.7 %, estabilidade de 14.1 ± 2.9 % e biodisponibilidade efetiva de 5.0 ± 1.3 %. A digestibilidade das nanopartículas proteicas foi de 70.1 ± 16.6 %. Ambos os nanosistemas desenvolvidos demonstraram as características físicas desejadas, com tamanho pequeno, EE elevada, estáveis ao longo do tempo e bioacessibilidade relativamente altas.

Curcumin is a hydrophobic phytochemical obtained from the plant turmeric, whose beneficial effects against diabetes, gastrointestinal cancers, gastric ulcers, inflammatory bowel diseases and obesity as well as safety, tolerability and cost-effectiveness make it appealing for food fortification. Since this nutraceutical demonstrates low water solubility and photo instability, the encapsulation is seen as an optimal solution. Furthermore, the utilization of plant-based encapsulation materials not only is in accordance with the current tendencies of creating a more sustainable economy, while resourcing to abundant, biodegradable, biocompatible and non-toxic resources but also, they are appropriate for consumers with restricted diets (e.g. vegan, gluten or dairy free diet). In this work, curcumin was encapsulated in two sustainable bio-based nanodelivery systems, specifically solid lipid nanoparticles (SLNs) based on candelilla wax and pea protein nanoparticles. An experimental design was applied to optimize the SLNs formulation and allowed to determine that candelilla wax, lecithin and Tween 80 concentration significantly affected the response parameters variation. A formulation composed of 4.2 % (w/w) candelilla wax, 0.7 % (w/w) curcumin and 0.9 % (w/w) lecithin and Tween 80, demonstrated a size of 179.2 ± 4.0 nm, polydispersity index (PDI) of 0.191 ± 0.008 and a ζ-potential of -20.4 ± 0.3 mV. This formulation also demonstrated an encapsulation efficiency (EE) of 100.0 ± 0.6 % as well storage stability up to 27 days. SLNs bioaccessibility, stability and effective bioavailability was determined after in vitro digestion obtaining as results 67.4 ± 14.4 %, 5.3 ± 0.4 % and 3.6 ± 0.6 %, respectively. The low stability could reflect a burst release effect during gastric phase. At the end of intestinal phase, the free fatty acids release was 14.25 ± 6.38 %, a higher value than expected since candelilla wax is considered non digestible. Pea protein formulations were optimized in terms of formulation, curcumin concentration and pH of formulation. The formulation with pH 8 and initial curcumin concentration of 0.034 mg/mL was selected since it demonstrated a size of 154.6 ± 6.5 nm, PDI of 0.312 ± 0.018 and ZP of -29.6 ± 2.7 mV. Additionally, it offered the highest EE (i.e. 80.29 ± 8.54 %). After 13 days of storage, the size and ZP were maintained and the PDI showed a slight but significant increase. At the end of in vitro digestion, a bioaccessibility of 46.6 ± 27.7 %, stability of 14.1 ± 2.9 % and effective bioavailability of 5.0 ± 1.3 % were obtained. The digestibility of PPI nanoparticles was 70.1 ± 16.6 %. Both biobased nanodelivery systems developed attained the proposed physical characteristics, with low particle sizes, high EE, stability over time and relatively high bioaccessibility.