Дізайн, реологія та мікроструктура систем на основі харчових емульсій для доставки вітаміну Д

doi:10.26565/2220-637X-2020-35-02

Sergey Gubsky Харківський державний університет харчування та торгівлі, кафедра хімії, мікробіології та гігієни харчування, вул. Клочківська, 333, 4, Харків, 61051, Україна https://orcid.org/0000-0003-0358-8682
Olena Aksonova Харківський державний університет харчування та торгівлі, кафедра хімії, мікробіології та гігієни харчування, вул. Клочківська, 333, 4, Харків, 61051, Україна https://orcid.org/0000-0003-4666-9271
Victoria Evlash Харківський державний університет харчування та торгівлі, кафедра хімії, мікробіології та гігієни харчування, вул. Клочківська, 333, 4, Харків, 61051, Україна https://orcid.org/0000-0002-8525-8937
Anastasia Batrak Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, пл. Свободи, 4, 61022, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-8331-7163
Anna Laguta Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, пл. Свободи, 4, 61022, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-0736-2923
Oleg Kalugin Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, пл. Свободи, 4, 61022, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0003-3273-9259

DOI: https://doi.org/10.26565/2220-637X-2020-35-02

Ключові слова: реологія, білок, емульсія, система доставки, вітамін Д, структурний підхід

Анотація

Збагачення харчових продуктів вітаміном D має кілька обмежень, оскільки ці сполуки можуть розкладатися або зазнавати небажаних змін під час технологічної обробки і зберігання. Метою цієї публікації було дослідження реологічних властивостей і мікроструктури емульсій для збагачення харчових продуктів вітаміном D₃. В якості таких емульсій використовували емульсії типу масло-в-воді, що були стабілізовані сумішшю різних білків (ізоляти сироваткового білка, сухого знежиреного молока та суміші рослинних білків) в якості емульгаторів і карбоксиметилцелюлози як загусника. Експериментально було визначено напругу зсуву й ефективну динамічну в'язкість емульсій в широкому діапазоні швидкостей зсуву. Апроксимацією експериментальних кривих течії за допомоги степеневого рівняння були розраховані значення коефіцієнта консистенції і показника текучості. Отримані дані дозволили класифікувати емульсії як рідини з псевдопластичним плином.

В рамках структурного підходу реологічні дані були проаналізовані на основі узагальненої реологічні моделі Кессона. Розраховані з експериментальних даних вклади в процес в'язкої течії від інтегральних характеристик асоціатів макромолекул та окремих частинок при їх гідродинамічній взаємодії дозволили пояснити ефект зміни в'язкості емульсій від природи використовуваного емульгатора.

Дослідження дзета потенціалу методом динамічного розсіювання світла показало наявність сил електростатичного відштовхування крапель емульсії як фактора стабільності цих емульсій. Знак потенціалу і його величина вказують на процес адсорбції на поверхні жирових крапель молекул білка. Наявність піку флокульованих частинок на гістограммах розподілу часток за розмірами пояснено присутністю в водної фазі емульсії неадсорбованих молекул полісахариду, які здатні генерувати агрегацію крапель емульсії за механізмом стоншення подвійного електричного шару.

Незалежно від вибору типу і природи білкових емульгаторів - тваринного або рослинного походження, всі досліджені системи були стабільні і можуть бути розглянуті в якості емульсійних систем доставки вітаміну D в організм людини разом з споживаними продуктами. З економічної точки зору доцільно використання в якості емульгатора сухе знежирене молоко. Отримані емульсії можуть бути використані як основа для виробництва збагачених вітаміном D₃ продуктів харчування, зокрема, молочних продуктів.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

Meza-Meza M.R., Ruiz-Ballesteros A.I., de la Cruz-Mosso U. Functional effects of vitamin D: From nutrient to immunomodulator. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2020, 1–21. https://doi.org/10.1080/10408398.2020.1862753.

Holick M.F., Chen T.C. Vitamin D deficiency: A worldwide problem with health consequences. Am. J. Clin. Nutr. 2008, 87 (4), 1080S-1086S. https://doi.org/10.1093/ajcn/87.4.1080s.

Maurya V.K., Bashir K., Aggarwal M. Vitamin D microencapsulation and fortification: Trends and technologies. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2020, 196, 105489. https://doi.org/10.1016/j.jsbmb.2019.105489.

Pankiv V.I., Povorozniuk V.V., Pankiv I.V., Boyko V.I., Glugovska S.V. Vitamin D status in the population of the Western region of Ukraine. Int. J. Endocrinol. 2019, 15 (3), 268–271. https://doi.org/10.22141/2224-0721.15.3.2019.172115.

Pannu P.K., Calton E.K., Soares M.J. Calcium and Vitamin D in Obesity and Related Chronic Disease. In Advances in Food and Nutrition Research, Elsevier Inc.: 2016, Vol. 77, pp 57–100. https://doi.org/10.1016/bs.afnr.2015.11.001.

Rybchyn M.S., Abboud M., Puglisi D.A., Gordon-Thomson C., Brennan-Speranza T.C., Mason R.S., Fraser D.R. Skeletal Muscle and the Maintenance of Vitamin D Status. Nutrients 2020, 12 (11), 3270. https://doi.org/10.3390/nu12113270.

Schmid A., Walther B. Natural Vitamin D Content in Animal Products. Adv. Nutr. 2013, 4 (4), 453–462. https://doi.org/10.3945/an.113.003780.

Al-Daghri N.M., Amer O.E., Khattak M.N.K., Sabico S., Ghouse Ahmed Ansari M., Al-Saleh Y., Aljohani N., Alfawaz H., Alokail M.S. Effects of different vitamin D supplementation strategies in reversing metabolic syndrome and its component risk factors in adolescents. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2019, 191 (November 2018), 105378. https://doi.org/10.1016/j.jsbmb.2019.105378.

Vitamin D, 4th Editio., Feldman D., Ed., Academic Press: 2018. https://doi.org/10.1016/C2015-0-052921-4.

Galanakis C.M. The Food Systems in the Era of the Coronavirus (COVID-19) Pandemic Crisis. Foods 2020, 9 (4), 523. https://doi.org/10.3390/foods9040523.

Pereira M., Dantas Damascena A., Galvão Azevedo L.M., de Almeida Oliveira T., da Mota Santana J. Vitamin D deficiency aggravates COVID-19: systematic review and meta-analysis. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2020, 0 (0), 1–9. https://doi.org/10.1080/10408398.2020.1841090.

Vyas N., Kurian S.J., Bagchi D., Manu M.K., Saravu K., Unnikrishnan M.K., Mukhopadhyay C., Rao M., Miraj S.S. Vitamin D in Prevention and Treatment of COVID-19: Current Perspective and Future Prospects. J. Am. Coll. Nutr. 2020, 0 (0), 1–14. https://doi.org/10.1080/ 07315724.2020.1806758.

Ye K., Tang F., Liao X., Shaw B.A., Deng M., Huang G., Qin Z., Peng X., Xiao H., Chen C., et al. Does Serum Vitamin D Level Affect COVID-19 Infection and Its Severity?-A Case-Control Study. J. Am. Coll. Nutr. 2020, 0 (0), 1–8. https://doi.org/10.1080/07315724.2020.1826005.

Silva P.T. da, Fries L.L.M., Menezes C.R. de, Holkem A.T., Schwan C.L., Wigmann É.F., Bastos J. de O., Silva C. de B. da. Microencapsulation: concepts, mechanisms, methods and some applications in food technology. Ciência Rural 2014, 44 (7), 1304–1311. https://doi.org/10.1590/ 0103-8478cr20130971.

Barroso L., Viegas C., Vieira J., Ferreira-Pêgo C., Costa J., Fonte P. Lipid-based carriers for food ingredients delivery. J. Food Eng. 2021, 295, 110451. https://doi.org/10.1016/ j.jfoodeng.2020.110451.

Emulsion-based Systems for Delivery of Food Active Compounds, Roohinejad S., Greiner R., Oey I., Wen J., Eds., John Wiley & Sons, Ltd: 2018. https://doi.org/10.1002/9781119247159.

Öztürk B. Nanoemulsions for food fortification with lipophilic vitamins: Production challenges, stability, and bioavailability. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 2017, 119 (7), 1–18. https://doi.org/ 10.1002/ejlt.201500539.

Ferreira C.D., Nunes I.L. Oil nanoencapsulation: development, application, and incorporation into the food market. Nanoscale Res. Lett. 2019, 14 (1), 9. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2829-2.

McClements D.J. Food Emulsions, CRC Press: 2015. https://doi.org/10.1201/b18868.

Kim W., Wang Y., Selomulya C. Dairy and plant proteins as natural food emulsifiers. Trends Food Sci. Technol. 2020, 105 (November), 261–272. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.09.012.

Tucker G. Applications of Rheological Data Into the Food Industry. In Advances in Food Rheology and Its Applications, Elsevier: 2017, pp 159–175. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100431-9.00007-3.

McClements D.J. The rheology of emulsion-based food products. In Texture in Food, Elsevier Inc.: 2003, Vol. 1, pp 3–35. https://doi.org/10.1533/9781855737082.1.3.

Fathi M., Vinceković M., Jurić S., Viskić M., Režek Jambrak A., Donsì F. Food-Grade Colloidal Systems for the Delivery of Essential Oils. Food Rev. Int. 2021, 37 (1), 1–45. https://doi.org/10.1080/87559129.2019.1687514.

Leskauskaite D., Jasutiene I., Malinauskyte E., Kersiene M., Matusevicius P. Fortification of dairy products with vitamin D3. Int. J. Dairy Technol. 2016, 69 (2), 177–183. https://doi.org/ 10.1111/1471-0307.12242.

Sharifi F., Jahangiri M. Investigation of the stability of vitamin D in emulsion-based delivery systems. Chem. Ind. Chem. Eng. Q. 2018, 24 (2), 157–167. https://doi.org/10.2298/ CICEQ160408028S.

Mehmood T., Ahmed A., Ahmed Z., Ahmad M.S. Optimization of soya lecithin and Tween 80 based novel vitamin D nanoemulsions prepared by ultrasonication using response surface methodology. Food Chem. 2019, 289 (March), 664–670. https://doi.org/10.1016/ j.foodchem.2019.03.112.

Mitbumrung W., Suphantharika M., McClements D.J., Winuprasith T. Encapsulation of Vitamin D 3 in Pickering Emulsion Stabilized by Nanofibrillated Mangosteen Cellulose: Effect of Environmental Stresses. J. Food Sci. 2019, 84 (11), 3213–3221. https://doi.org/10.1111/1750-3841.14835.

Diamante L.M., Lan T. Absolute Viscosities of Vegetable Oils at Different Temperatures and Shear Rate Range of 64.5 to 4835 s−1 . J. Food Process. 2014, 2014, 1–6. https://doi.org/ 10.1155/2014/234583.

Walstra P. Principles of emulsion formation. Chem. Eng. Sci. 1993, 48 (2), 333–349. https://doi.org/10.1016/0009-2509(93)80021-H.

Ghosh A.K., Bandyopadhyay P. Polysaccharide-Protein Interactions and Their Relevance in Food Colloids. In The Complex World of Polysaccharides, IntechOpen: 2012, pp 395–08. https://doi.org/10.5772/50561.

Goh K.K.T., Teo A., Sarkar A., Singh H. Milk protein-polysaccharide interactions. In Milk Proteins, Elsevier: 2020, pp 499–535. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815251-5.00013-X.

Dickinson E. Interfacial structure and stability of food emulsions as affected by protein–polysaccharide interactions. Soft Matter 2008, 4, 932–942. https://doi.org/10.1039/b800106e.

Leskauskaite D., Jasutiene I., Kersiene M., Malinauskyte E., Matusevicius P. The Effect of Carboxymethyl Cellulose on the Stability of Emulsions Stabilized by Whey Proteins under Digestion in vitro and in vivo. Int. J. Biol. Food, Vet. Agric. Eng. 2013, 7 (7), 248–253.

Seo T., Lee I., Chun Y., Park D., Lee S., Kim B. Improved Stability of Polyglycerol Polyricinoleate‐Substituted Nanostructured Lipid Carrier Cholecalciferol Emulsions with Different Carrier Oils. J. Food Sci. 2019, 84 (4), 782–791. https://doi.org/10.1111/1750-3841.14423.

Gubsky S.M., Muzyka S.M., Foshan A.L., Evlash V. V., Kalugin O.N. Reologic properties of aqueous solutions of agar and gelatine for confectionery. Kharkiv University Bulletin. Chemical Series. 2018, 31 (54), 64–78. https://doi.org/10.26565/2220-637X-2018-31-06.

National standard of Ukraine. DSTU 4560:2006. Mayonnaise. Acceptance rules and test methods, 2008.

Willenbacher N., Georgieva K. Rheology of Disperse Systems. In Product Design and Engineering: Formulation of Gels and Pastes, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: 2013, pp 7–49. https://doi.org/10.1002/9783527654741.ch1.

Kirsanov E.A., Matveenko V.N. Non-Newtonian behavior of structured systems, Technosphera: 2016.

Matveenko V.N., Kirsanov E.A. Structural Viscosity and Structural Elasticity of Polymer Melts. Russ. J. Appl. Chem. 2018, 91 (5), 839–865. https://doi.org/10.1134/S1070427218050166.

Matveenko V.N., Kirsanov E.A. The viscosity and structure of dispersed systems. Moscow Univ. Chem. Bull. 2011, 66 (4), 199–228. https://doi.org/10.3103/S0027131411040079.

Kirsanov E.A., Matveenko V.N. The flow of emulsions as structural systems. Liq. Cryst. their Appl. 2008, 1 (23), 14–23.

Casson N. A flow equation for pigment-oil suspensions of the printing ink type. In Rheology of Disperse Systems, Mill C.C., Ed., Pergamon Press: 1959, pp 84–104.

Cross M.M. Rheology of non-newtonian fluids: A new flow equation for pseudoplastic systems. J. Colloid Sci. 1965, 20 (5), 417–437. https://doi.org/10.1016/0095-8522(65)90022-X.

Matveenko V.N., Kirsanov E.A. Structural rationale of a non-Newtonian flow. Moscow Univ. Chem. Bull. 2017, 72 (2), 69–91. https://doi.org/10.3103/S0027131417020031.

Kirsanov E.A., Matveenko V.N. Analysis of coefficients of the generalized flow equation. Liq. Cryst. their Appl. 2012, 1 (39), 21–30.

Tadros T.F. Use of Rheological Measurements for Assessment and Prediction of the Long - Term Physical Stability of Formulations. In Rheology of Dispersions: Principles and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: 2010, pp 169–192. https://doi.org/10.1002/ 9783527631568.

Herrera M.L. Analytical Techniques for Studying the Physical Properties of Lipid Emulsions, SpringerBriefs in Food, Health, and Nutrition, Springer US: 2012, Vol. 3. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-3256-2.

Gbassi G., Yolou F., Sarr S., Atheba P., Amin C., Ake M. Whey proteins analysis in aqueous medium and in artificial gastric and intestinal fluids. Int. J. Biol. Chem. Sci. 2012, 6 (4). https://doi.org/10.4314/ijbcs.v6i4.38.

Tan T.J., Wang D., Moraru C.I. A physicochemical investigation of membrane fouling in cold microfiltration of skim milk. J. Dairy Sci. 2018, 97 (8), 4759–4771. https://doi.org/ 10.3168/jds.2014-7957.

Hettiarachchy N., Kannan A., Schafer C., Wagner G. Gelling of Plant Based Proteins. In Product Design and Engineering: Formulation of Gels and Pastes, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: 2013, pp 221–244.

Amagliani L., Regan J.O., Kelly A.L., Mahony J.A.O. Trends in Food Science & Technology The composition , extraction , functionality and applications of rice proteins : A review. Trends Food Sci. Technol. 2017, 64, 1–12. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.01.008.

Liu S., Elmer C., Low N.H., Nickerson M.T. Effect of pH on the functional behaviour of pea protein isolate – gum Arabic complexes. Food Res. Int. 2010, 43 (2), 489–495. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2009.07.022.

Romero A., Beaumal V., David-briand E., Cordobes F., Guerrero A., Anton M. Food Hydrocolloids Interfacial and emulsifying behaviour of rice protein concentrate. Food Hydrocoll. 2012, 29 (1), 1–8. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2012.01.013.

Malinauskyte E., Ramanauskaite J., Leskauskaite D., Devold T.G., Schüller R.B., Vegarud G.E. Effect of human and simulated gastric juices on the digestion of whey proteins and carboxymethylcellulose-stabilised O/W emulsions. Food Chem. 2014, 165, 104–112. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2014.05.078.

Kruif C.G. De, Weinbreck F., Vries R. De. Complex coacervation of proteins and anionic polysaccharides. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2004, 9, 340–349. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2004.09.006.

Dickinson E. Food Hydrocolloids Mixed biopolymers at interfaces : Competitive adsorption and multilayer structures. Food Hydrocoll. 2011, 25, 1966–1983. https://doi.org/10.1016/ j.foodhyd.2010.12.001.

Blijdenstein T.B.J., Winden A.J.M. Van, Vliet T. Van, Linden E. Van Der, Aken G.A. Van. Serum separation and structure of depletion- and bridging-flocculated emulsions : a comparison. Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 2004, 245, 41–48. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2004.07.002.