Scale-up production of food grade nanoparticles aiming their application in food products

Abstract

Nanopartículas poliméricas são estruturas promissoras para o encapsulamento de vários materiais, com o objetivo de proteger o composto bioativo e libertação no local desejado. Este trabalho tem como objetivo a avaliação de mecanismos de aumento de escala para a produção de nanopartículas poliméricas e testar a sua exequibilidade a nível laboratorial para uma aplicação futura a nível industrial. Assim sendo, diferentes mecanismos foram investigados: misturador em forma de T, nanoprecipitação flash e através da utilização de uma membrana. Deste modo, o equipamento mais promissor a escalamento será o misturador em forma de T, capaz de um escalamento até 20 vezes a escala laboratorial e mais fácil de contruir. À escala laboratorial, foram produzidas nanopartículas, através do método de nanoprecipitação, capazes de encapsular b-caroteno, um composto hidrofóbico lipofílico e sensível à luz testando dois polímeros distintos como material de parede: zeína e etilcelulose. Em seguimento, foram caracterizadas por vários métodos e foi realizada uma simulação gastrointestinal in vitro. Os resultados da produção a nível laboratorial mostram que as condições ótimas para uma produção de nanopartículas com distribuição de tamanho reduzida e controlada são concentrações baixas de polímero e concentrações altas de anti-solvente. Para o nanossistema etilcelulose-b-caroteno, foi usada a concentração de 0,0004% de b-caroteno (BC) para produzir nanopartículas com tamanho (por intensidade) de 59,9 nm, PDI de 0,274, eficiência de encapsulação de 66,56% e potencial zeta de -96 mV exibindo comportamento estável. No nanossistema zeína- b-caroteno, a concentração de 0,001% de b-caroteno foi usada para produzir as nanopartículas, resultando em tamanhos de 82,7 nm, PDI de 0,286, eficiência de encapsulamento de 92,69% e potencial zeta de +70,5 mV. Por fim, os resultados obtidos da digestão in vitro demonstraram que ambos os polímeros melhoraram a libertação de BC no local desejado quando comparado com o controlo (BC livre em óleo). No entanto, nenhum dos polímeros apresentou um valor de bioacessibilidade elevado, com 11,78% e 14,89% para as nanopartículas de etilcelulose e de zeína, respetivamente na fase intestinal. Ambos os polímeros melhoraram a estabilidade química do b-caroteno, retardando a sua libertação na fase gástrica. Contudo, a zeína foi o polímero que apresentou melhores valores de bioacessibilidade.

Polymeric nanosystems are promising structures for the encapsulation of various materials with the goal of protecting the bioactive compound and delivery at the target site. This work has as final goal the assessment of scale-up techniques for the production of polymeric nanoparticles, testing its feasibility at a lab-scale for the future application at an industrial scale. Therefore, several mechanisms were investigated: T-mixer, flash nanoprecipitation and membrane contactor. The nanoparticles were produced at a laboratory scale to evaluate their feasibility using the solvent-displacement method. Thus, being the most promising technique using a T mixer device, able to a 20-fold scale-up and easier to fabricate. At laboratory scale, nanoparticles were produced, through the solvent-displacement method, with the ability to encapsulate b-carotene, a hydrophobic lipophilic light sensitive compound. Two different polymers were used as encapsulating materials: zein and ethylcellulose. Then, the nanoparticles were characterized by several methods and an in vitro gastrointestinal simulation was performed. Results show that the best conditions for a size-controlled production of nanoparticles with a narrow size distribution are lower polymer concentrations and higher antisolvent concentrations. For the ethylcellulose-b-carotene system, a concentration of 0.0004% of b-carotene was used to produce nanoparticles with size by intensity of 59.9 nm, PDI of 0.274, encapsulation efficiency of 66.56% and high stability behavior with a zeta potential of – 93.26 mV. In the zein-b-carotene system, a concentration of 0.001% of b-carotene was used to produce the nanoparticles, resulting in sizes of 82.7 nm, PDI of 0.286, encapsulation efficiency reaching 92.69% and zeta potential of + 70.5 mV. Lastly, results obtained from the in vitro digestion demonstrated that both polymers have improved release of BC at the target site comparing to the control sample of free BC in oil. However, none of the polymers showed high bioaccessibility, having 11.78 % and 14.89 % for the ethylcellulose nanoparticles and zein nanoparticles, respectively in the intestinal phase. Both polymers improved chemical stability of entrapped beta-carotene by retarding its release in the gastric phase. Nonetheless, zein was the polymer with better results for the bioaccessibility.