Development of nanostructures for encapsulation of vitamins

Abstract

Vitamins are sensitive and unstable when exposed to inappropriate temperature, oxygen, light and humidity conditions. For the food industry it is important to reduce some of these limitations and being with nanosystems arise a promising solution. This work aims at the development of nanosystems for the encapsulation of riboflavin (watersoluble) and α-tocopherol (liposoluble) using biopolymer and their further characterization. For encapsulation of riboflavin an ionotropic polyelectrolyte pre-gelation was used as production method being chitosan and alginate used as main materials. (±)-α-tocopherol was encapsulated through the self-assembly of zein, one of the major proteins of corn with an amphiphilic character. Initially a preliminary study was done to determine the optimal concentrations of biopolymers used and encapsulated vitamin that allow the highest efficiency and the production of nano-sized structures. For the alginate and chitosan system the optimal concentrations were 0.63 of alginate, 0.4 of chitosan and 0.065 mg/ml of riboflavin. For the zein system 2 and 1 mg/ml of zein and (±)-α-tocopherol, respectively, were used. Nanosystems were characterized in terms of average size, polydispersity index and zeta potential (through Dynamic Light Scattering) and vitamin entrapment efficiency. The average size (by number) for alginate/chitosan nanoparticles with riboflavin was 110.17 (± 47.71) nm. The nanosystems present values of polydispersity index and the zeta potential of 0.520 (± 0.041) and -29.64 (± 0.97) mV, respectively. Zein nanoparticles with (±)-α-tocopherol present an average size of 93.60 (± 1.09) nm and a polydispersity index of 0.222 (±0.020) with a zeta potential of +26.08 (± 2.51) mV. Both nanosystems have successful with encapsulation of vitamins, being the values of encapsulation efficiency (EE) and loading capacity (LC) obtained for (-)-riboflavin 55.91 (± 5.56) % and 2.18 (± 0.63) %, respectively, and for (±)-α-tocopherol was 94.95(± 4.17) % of EE and 8.53(± 1.90) % of LC. In order to complete the characterization of the nanoparticles was also done release profiles was also done for both vitamins and the diffusion coefficient (D) was calculated based on the fitting of model: for (-)-riboflavin at 37 °C D was 2.28 x 10-20 m2 / s at pH 7 and 4.95 ± 0.74 x 10-20 m2 / s at pH 2, and at 25 °C D was 1.02 x 10-20 m2 / s and 1.88 x 10-20 m2 / s for pH 7 and 2, respectively; for (±)-α-tocopherol encapsulated into zein nanoparticles at 37°C pH 7, the (±)-α-tocopherol is not released and at pH 2 D was 2.8 x 10-18 m2 / s. Lastly, the stability of both nanoparticles was assessed being evaluated the effect of temperature and storage time in particles sizes and PDI. Alginate, chitosan and zein are biodegradable, biocompatible, food-grade with good physicochemical properties and can be used in the development of biopolymer-based nanosystems. This work shows that these biopolymer-based nanosystems can be used for the encapsulation of water-soluble and liposoluble vitamins with a great potential for application in food products.

As vitaminas são sensíveis e estáveis quando expostas a temperaturas inadequadas, oxigénio, luz e humidade. Para a indústria alimentar é importante reduzir algumas destas limitações e os nanosistemas aparecem como uma solução promissora. Este trabalho tem como principal objectivo o desenvolvimento e caracterização de nanosistemas para a encapsulação de (-)-riboflavina (vitamina hidrosolúvel) e (±)-α-tocoferol (vitamina liposolúvel) usando biopolímeros. Para a encapsulação da (-)-riboflavina foi usado o método prégelificação ionotrópica, sendo o alginato e o quitosano os principais materiais. O (±)-α-tocoferol foi encapsulado através de automontagem da zeína, uma proteína do milho com carácter amfifílico. Inicialmente foi feito um estudo preliminar com o objectivo de determinar os parâmetros e concentrações óptimas dos biopolímeros e das vitaminas. Para o sistema do alginato e quitosano as concentrações óptimas foram 0,63 de alginato, 0,4 de quitosano e 0,065 mg/ml de (-)- riboflavina. Para o sistama da zeína foram usados 2 e 1 mg/ml de zeína e (±)-α-tocoferol, respectivamente. Os nanosistemas foram caracterizados em termos de médias de tamanhos, índice de polidispersividade e potencial zeta (através de espalhamento dinâmico de luz) e eficiência de encapsulação da vitamina. A média dos tamanhos (por números) para as nanopartículas de alginato/quitosano com (-)-riboflavina foi de 110,17 (± 47,71) nm. O nanosistema apresenta valores de índice de polidispersividade e potencial zeta de 0,520 (± 0,041) e -29,64 (± 0,97) mV, respectivamente. As nanopartículas de zeína com (±)-α-tocoferol apresentam uma média de tamanhos de 93,60 (± 1,09) nm e têm um índice de polidispersividade de 0,222 (± 0,020) com um potencial zeta de +26,08 (± 2,51) mV. Ambos os sistemas foram bem sucedidos na encapsulação das respectivas vitaminas, para a (-)-riboflavina os valores de eficiência de encapsulação (EE) e de capacidade de incorporação (LC) foram 55,91 (± 5,56) % e 2,18 (± 0,63) %, respectivamente, e 94,95 (± 4,17) % de EE e 8,53 (± 1,90) % de LC para o (±)-α-tocoferol. De forma a completar a caracterização de ambas as nanopartículas, também foram avaliados os perfis de libertação de ambas as vitaminas e foram calculados os coeficientes de difusão (D): para a (-)-riboflavina a 37 °C o D foi de 2,28 x 10-20 m2 / s para pH 7 e 4,95 ± 0,74 x 10-20 m2 / s para pH 2 e a 25 °C o D foi de 1,02 x 10-20 m2 / s e 1,88 x 10-20 m2 / s para pH 7 e 2, respectivamente; para o (±)-α-tocoferol encapsulado em nanopartículas de zeína a 37 °C pH 7 não houve libertação da vitamina e a pH 2 o D foi de 2,8 x 10-18 m2 / s. Por fim, a estabilidade de ambos os sistemas foi medida, sendo avaliados os efeitos da temperatura e do tempo de armazenamento nos tamanhos e PDI das nanopartículas. O alginato, quitosano e zeína são biodegradáveis, biocompatíveis, edíveis e com boas propriedades físico-químicas e estes podem ser usados no desenvolvimento de nanosistemas biopoliméricos. Este trabalho mostra que esses sistemas biopoliméricos podem ser usados para a encapsulação de vitaminas hidro- e liposolúveis com um grande potencial para aplicação em produtos na indústria alimentar.