Micro-nano encapsulation of melanoidins and resveratrol: development of food functional ingredients in a circular economy approach

Abstract

The rising incidence of health issues, such as diabetes or obesity has led consumers to be more aware of their dietary patterns and to search for functional food products. Bioactive compounds such as resveratrol and melanoidins, possess health promoting properties making them excellent candidates to be used as functional ingredients. Nevertheless, they also have drawbacks that limit their use in food products (e.g., low solubility, chemical instability). Encapsulation technologies can be used a means to overcome such drawbacks. This thesis aimed at developing functional food ingredients to be used in food products. The research focused on two encapsulation technologies, electrohydrodynamic processing (EHDP) and emulsification, and two bioactive compounds, melanoidins and resveratrol. In EHDP, hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) was used and its rheological properties were studied to define electrospraying and electrospinning zones. Using Design of Experiments methodology, the influence of some of the key parameters of EHDP was assessed to optimize the development of HPMC microparticles for encapsulation purposes. The flowrate, polymer concentration, and voltage were key conditions to develop these systems. For the development of oil-in-water emulsions, modified starch was the polymer of choice. Melanoidins and resveratrol were loaded in these structures and were characterized regarding their morphology, thermal and chemical properties, displaying no significant changes in the characteristics of the structures after bioactive incorporation. Additionally, storage stability of the loaded emulsions was evaluated, and it was determined that emulsions were stable for a period of up to three months. The bioaccessibility of all samples was assessed using an in vitro gastrointestinal model. The encapsulation of resveratrol helped improving its bioaccessibility, likely due to increased protection against degradation. To ensure the safe use and benefit of using these structures as functional ingredients, cellular assays were performed using a differentiated co-culture of Caco-2 and HT-29- MTX cell lines. Digested and non-digested samples were assessed and displayed no cytotoxicity. Samples were also analysed for their antioxidant activity and encapsulated resveratrol samples were able to confer higher protection against cell oxidation. Finally, resveratrol-loaded functional snacks (crackers and cookies) were developed, and a consumer acceptance analysis was conducted. The use of encapsulated resveratrol led to a decrease of the negative organoleptic impact of the addition of resveratrol. Concluding, versatile and safe functional ingredients were developed that were able to increase resveratrol bioaccessibility and its antioxidant activity, while reducing some of the negative organoleptic effects when added to cookies and crackers.

O aumento de problemas de saúde, nomeadamente doenças crónicas como diabetes e obesidade tem levado os consumidores a serem mais conscientes dos seus padrões alimentares e a procurarem productos funcionais. Compostos bioativos como o resveratrol e as melanoidinas tem propriedades que promovem o bem-estar, tornando-os candidatos a serem usados como ingredientes funcionais. No entanto tem algumas desvantagens que limitam o seu uso em alimentos. Tecnologias de encapsulação podem ser uma solução. Esta tese tem como objetivo desenvolver ingredientes funcionais para ser usados em alimentos. Duas tecnologias de investigação foram exploradas, processamento eletrohidrodinâmico (EHDP) e emulsificação, e dois compostos bioativos, melanoidinas e resveratrol. Hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) foi usado em EHDP, e as suas propriedades reológicas foram analisadas para definir zonas de electrospray e electrospinning. A influencia de parâmetros de EHDP foi analisada usando desenho experimental, para otimizar o desenvolvimento de micropartículas de HPMC. Fluxo, concentração de polímero, e voltagem foram condições importantes para desenvolver estes sistemas. Amido foi usado para o desenvolvimento de emulsões. Melanoidinas e resveratrol foram incorporados nestas estruturas e estas foram caracterizadas relativamente às suas propriedades morfológicas, térmicas, e químicas, sem que a incorporação destes bioativos levasse a diferenças significativas nas suas características. Adicionalmente, a estabilidade em armazenamento das emulsões de resveratrol foi analisada, com as emulsões a manterem-se estáveis até três meses. A bioacessibilidade de todas as amostras foi analisada com recursos a um sistema gastrointestinal in vitro. A encapsulação do resveratrol ajudou a aumentar a sua bioacessibilidade, provavelmente devido a um aumento na sua proteção contra degradação. Para assegurar o uso seguro e o benefício de usar estas estruturas, ensaios com uma co-cultura diferenciada de Caco-2 e HT29-MTX foram realizados. Amostras digeridas e não-digeridas foram analisadas, sem que demonstrassem citotoxicidade. Foi demonstrado que amostras com resveratrol encapsulado foram capazes de oferecer uma maior proteção contra oxidação. Por fim, bolachas com resveratrol foram desenvolvidas e uma análise de aceitação por consumidor foi realizada. O uso de resveratrol encapsulado levou a uma diminuição o impacto organolético negativo da adição de resveratrol. Em conclusão, foram desenvolvidos ingredientes funcionais seguros e versáteis, que foram capazes de aumentar a bioacessibilidade e atividade antioxidante do resveratrol, e simultaneamente reduzir algum do seu impacto negativo quando acrescentado a bolachas.