Encapsulation of bioactive compounds of garlic and ginger using different methods and wall materials

Abstract

Nos últimos anos o consumo de alimentos naturais que contêm compostos bioativos aumentou em todo o mundo devido às suas propriedades biológicas benéficas para o organismo humano. Alho (Allium sativum L.) e gengibre (Zingiber officinale R.) são dois desses produtos ricos em compostos bioativos e que são consumidos em larga escala devido às suas múltiplas atividades biológicas, função profilática e propriedades nutricionais. No entanto, após o processo de extração e separação, esses compostos bioativos são expostos às condições ambientais adversas, tais como alta temperatura, presenças de luz e oxigênio, e podem sofrer degradação, decomposição, isomerização, volatilização, oxidação e polimerização. Nesse sentido, este trabalho apresenta diferentes métodos de encapsulamento e materiais de parede utilizados na proteção dos compostos bioativos presentes em dois produtos derivados do alho (extrato de alho (GE) e óleo essencial de alho (GEO)) e no óleo essencial de gengibre (GO). O encapsulamento do GE foi dividido em três partes: na primeira, o GE foi encapsulado pelo método de coacervação complexa seguido de atomização, através de utilização matérias de parede como proteína isolada do soro de leite (WPI) e quitosana (CH) com graus de desacetilação (DD) de 83 (CH- 83), 94 (CH-94) e 96% (CH-96); no segundo, o GE foi encapsulado por coacervação complexa seguido de liofilização usando complexos de WPI/CH-96 e goma arábica (GA)/CH-96 como materiais de parede; e na terceira parte, o GE foi encapsulado em materiais de parede formado por complexos de WPI/CH-96 e GA/CH-96, seguido de adição de polidextrose (POL) para atuar como agente estabilizador e de volume, e com isso reforçar as matrizes poliméricas dos dois complexos. Depois, realizou-se a liofilização de WPI/CH/POL e GA/CH/POL para a obtenção de pós ricos em compostos bioativos. Na primeira parte, testes preliminares de rendimento de coacervado e medições para caracterização das propriedades reológicas do coacervado foram realizados antes do processo de secagem, e os resultados do rendimento de coacervado indicaram que as condições ótimas de coacervação aconteceram nas proporções CH:WPI de 0,2:1 (p/p) para todos os coacervados. As propriedades reológicas dos coacervados foram analisadas em termos de viscosidade e comportamento viscoelástico, sendo a ultima determinada através de dois testes: dinâmico (analisando o módulo de elasticidade ou armazenamento (G') e o módulo de perdas ou viscoso (G'')) e estático (fluência e recuperação). As análises de viscosidade indicaram que todos os coacervados têm comportamento de fluidos pseudoplásticos; as análises de propriedades viscoelásticas indicaram que os coacervados apresentaram estruturas semelhantes a um gel rígido e elástico (G’ maior que G’’); e os testes de fluência e recuperação mostraram que o coacervado WPI/CH-96 tem uma estrutura interna mais compacta e forte em relação aos demais coacervados (WPI/CH-83 e WPI/CH-94). As dispersões de coacervados foram secas por atomização para a obtenção de pós e a eficiência de retenção (RE) dos compostos fenólicos presentes nos pós variou de 51 a 61%. Os resultados mostraram que a alta temperatura utilizada no processo de atomização (160 ºC) causou degradação e decomposição de alguns compostos termossensíveis presentes no GE. Por este motivo, na segunda e terceira partes deste trabalho foram realizados estudos no sentido de eliminar o uso de alta temperatura de secagem, sendo aplicado o processo de secagem por liofilização para a obtenção dos pós. Assim, no segundo estudo os resultados de RE dos compostos fenólicos foram de 84 e 78% para GA/CH e WPI/CH, respetivamente, enquanto que no terceiro estudo os resultados de RE foram de 84,30 e 92,64% para WPI/CH/POL e GA/CH/POL, respetivamente. O processo de secagem por liofilização permitiu obter pós com maiores concentrações de compostos fenólicos e revelou-se eficaz na proteção dos compostos termossensíveis presentes no GE. Em outro estudo, GEO foi encapsulado por dois métodos: inclusão molecular usando β-ciclodextrina (βC) como material de parede e coacervação complexa através do emprego de proteína isolada de soja (SPI) e quitosana (CH) na proporção de massa de 1:0,125 (p/p) como materiais de parede. A caracterização das propriedades reológicas dos coacervados foram realizadas antes do processo de secagem, e os resultados indicaram que a incorporação de compostos de GEO nas matrizes poliméricas dos biopolímeros resultou em coacervados com magnitudes superiores em termos de módulo complexo (G*), viscosidade complexa (η*), G’ e G’’, o que indica que houve um incremento nas ligações intermoleculares e consequente formação de coacervados com estruturas de rede mais rígida e compacta. Os resultados da eficiência de retenção de compostos de GO presentes nos pós foram de 82,03 e 71,74% usando βC e complexo de SPI/CH, respetivamente. Os pós de βC/GEO e SPI/GEO/CH apresentaram área superficial de 4,74 e 4,41 m2g-1 e diâmetro médio de poros de 1,53 e 1,84 nm, respetivamente. Por fim, foi estudado o encapsulamento de GO por coacervação complexa seguido de liofilização através da utilização dos complexos de WPI/GA e GA/CH como materiais de parede. As melhores condições para coacervação complexa entre WPI/GA e GA/CH foram obtidas nas proporções de massa de 3:1 (p/p) e 5:1 (p/p), respetivamente. A determinação das propriedades reológicas dos coacervados antes do processo de liofilização indicou que o modelo de Burger e a função de decaimento exponencial foram adequados nos ajustes dos dados experimentais de fluência e recuperação, respetivamente. Após o processo de liofilização dos coacervados, os resultados da eficiência de retenção dos compostos de GEO presentes nos pós foram de 55,31 e 81,98% usando o complexo de GA/CH e WPI/GA, respetivamente. No geral, os resultados de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) indicaram que os compostos bioativos presentes no GEO, GE e GO foram incorporados nas matrizes dos biopolímeros através de interações físicas. Todos os pós apresentaram estabilidade térmica até 220 °C, o que indica que os materiais de parede contribuíram para a proteção dos compostos bioativos termossensíveis presentes no GE, GEO e GO.

The consumption of natural foods with bioactive compounds has been rapidly increasing over the word due to its biological effects to human organism. Garlic (Allium sativum L.) and ginger (Zingiber officinale R.) are two of these products rich in bioactive compounds and widely consumed around the world due to its multiple biological activities, prophylactic function and nutraceutical properties. However, after the extraction process, its bioactive compounds are exposed to adverse environmental conditions, such as high temperature, light and presence of oxygen, which may cause its degradation, decomposition, isomerization, volatilization, oxidation and polymerization. In this sense, this work presents different encapsulation methods and wall materials used in the protection of two derived garlic products (garlic extract (GE) and garlic essential oil (GEO)) and and ginger essential oil (GO) in order to protect its bioactive compounds and increase their stability. The encapsulation of GE was divided in three parts: in the first, the GE was encapsulated by complex coacervation method followed by spray draying using whey protein isolate (WPI) and chitosan (CH) with degrees of deacetylation (DD) of 83 (CH-83), 94 (CH-94) and 96% (CH-96) as wall materials; in the second, GE was encapsulated by complex coacervation followed by freeze-drying using complex of WPI/CH-96 and gum Arabic (GA)/CH-96 as wall materials; and in the third part, the GE was encapsulated in multilayer wall materials composed by complex of WPI/CH-96 and GA/CH-96 followed by addiction of polydextrose (POL) to act as bulking and stabilizer agent in order to reinforce the polymeric matrices of WPI/CH and GA/CH, followed by freeze-drying to obtain bioactive compounds-rich powders. In the first part, previously tests of coacervate yield and rheological measurements were realized before drying process, and the results of coacervate yield indicated that optimum complex coacervation occurred at the optimum CH:WPI mass ratios of 0.2:1 (w/w). The rheological measurements were analyzed in terms of viscosity and viscoelastic behavior determined by dynamic test (analyzing the elastic modulus G’ and viscous modulus G’’) and static test (creep and recovery). The results of viscosity indicated coacervates with shear-thinning behavior of pseudoplastic fluids, the viscoelastic behavior indicated formation of coacervate with an elastic gel structure (G’ higher than G’’), and the creep–recovery tests showed more compact and stronger internal structure for WPI/CH-96 coacervate. The dispersions of coacervate were spray-dried to obtain powders and the retention efficiency (RE) of phenolic compound ranged from 51 to 61%. The results showed that the high temperature used in the spray-drying process (160 ºC) caused degradation and decomposition of some heat sensitive compounds present in GE. For this reason, in the second and third parts the studies were realized in order to reduce the use of high drying temperatures, applying the freezedrying process to obtain powders. Thus, in the second study the RE of phenolic compounds were 84 and 78% for GA/CH and WPI/CH, respectively, whereas in the third study the RE were 84.30 and 92.64% for WPI/CH/POL and GA/CH/POL, respectively. Therefore, the use of freeze-drying instead spray drying revelead as a good alternative as dehydration method to obtain powders, since allowing to protect the heat sensitive compounds of GE and obtaining powders with higher concentration of phenolic compounds. In other study, GEO was encapsulated by molecular inclusion using β-cyclodextrin (βC) as wall material and complex coacervation method using soy proteins isolate (SPI) and chitosan (CH) at mass ratio of 1:0.125 (w/w) as wall materials. The rheological mensurements were performed before drying process, and the results indicated that the incorporation of GEO into wall systems resulted in dispersions with higher values of complex modulus (G*), complex viscosity (η*), G’ and G’’, indicating an increase in the intermolecular bonding and improvement in the biopolymers network structure. The RE of the freze-dryied powders were 82.03 and 71.74% using βC and complex of SPI/CH as wall materials, respectively. The βC/GEO and SPI/GEO/CH showed surface area of 4.74 and 4.41 m2 g-1 and an average pore diameter of 1.53 and 1.84 nm, respectively. Finally, it was studied the encapsulation of GO by complex coacervation followed by freeze-drying using complex of WPI/GA and GA/CH as wall materials. The best conditions for complex coacervation beween WPI/GA and GA/CH were obtained at mass ratios of 3:1 (w/w) and 5:1 (w/w), respectively. The determination of the rheological properties of the coacervate before freeze-drying process indicated that the Burgers model equation and exponential decay function were adequate to fit the experimental creep and recovery data, respectively. After freeze-drying of the coacervates, the RE of GEO present in the powders were 55.31 and 81.98% using complex of GA/CH and WPI/GA, respectively. In general, the results indicates that the bioactive compounds presents in GEO, GE and GO were incorporated into the dispersion matrices of the wall materials by physical interaction, according to Fouriertransform infrared spectroscopy (FTIR) analysis. The powders were thermally stable up to 220 °C, indicating that the wall materials contributed to the protection of heat-sensitive compounds present in GE, GEO and GO.