SUPERVISOR
Amir Hosein Goli
سیدامیرحسین گلی (استاد راهنما)
STUDENT
Maryam Nikbakht Nasrabadi
مریم نیکبخت نصرآبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Fabrication and physicochemical properties investigation of plant-based flaxseed oil-in-water Pickering emulsions stabilized by flaxseed protein-mucilage complex particles
Recently, oil-in-water Pickering emulsions has attained considerable interest for the purpose of delivering lipophilic bioactive components into water-based food products. These surfactant-free emulsions are stabilized with solid colloidal particles which are an appropriate alternative for low molecular weight surfactant based emulsions due to their superior stability against coalescence and disproportion as a result of the irreversible attachment of the particles at the interface. Using food-grade particles due to their lack of toxicity, biodegradability and the possibility of incorporation in food products without any side effects of synthetic surfactants, has attracted attention. The aim of this study was the fabrication of stable flaxseed oil (FO)-in-water Pickering emulsions stabilized by complex and plant-based flaxseed protein (FP) and the soluble fraction of flaxseed mucilage (SFM) as a delivery system for food products. FO is a lipophilic functional compound which has a limited application in food industry due to its poor water solubility and its susceptibility to oxidation. The extracted SFM and FP were characterized using 1-D 1H and 13C NMR and SDSPAGE, respectively. The effect of pH, total concentration (TC) and FP to SFM ratio on the formation of assemblies was investigated by light scattering, surface charge and optical density measurements. The selected complex particles at pH=3, FP to SFM ratio of 50:50 and TC=0.45 wt% were negatively charged with a zeta potential value of -22.3 mV and the size of 369 nm with the polydispersity index (PDI) of 0.31, which quarantines good physical stability. and had a near neutral wettability. The changes in interfacial tension and FTIR profile of the FP and SFM before and after complexation was also investigated. The selected nanoparticles had the contact angle of 67° which is suitable for the stabilizing of oil-in-water Pickering emulsions. These nano-assemblies were utilized to fabricate Pickering emulsions with different FO content (1, 2.5 and 5 w/v%) and TC= 0.45 wt% and the droplet size during 28 days of storage and accelerated creaming stability of the emulsions was investigated. 2.5 wt% FO emulsion had the smallest initial droplet size (D[4,3 = 8 µm) and creaming velocity (2.9 µm/s). For the sake of comparison polysorbate 80 stabilized emulsions (PS80) as conventional emulsions were also prepared at the same condition. The microstructure of the emulsions was demonstrated utilizing Cryo-SEM and confocal microscopy showing a thick layer of the particles on the oil surface responsible for the stabilization. FO emulsion stabilized by complex bioparticles had a good physical stability during 28 days of storage and against various environmental stress conditions including a wide range of pH (2-9), salt concentration (0-500 mM) and temperature (40, 60 and 80 °C for 30 min) with no sign of instability and oiling-off. The measurements of peroxide value (PV) and thiobarbituric acid (TBA) during 28 days of storage at at 4 °C and 50 °C displayed the increased oxidation by increasing the temperature and storage time. The complex particles as Pickering emulsifiers were successful to depress the FO oxidation. The effect of bioparticle stabilization the digestion fate of FO was also evaluated. Lipid digestion was slower in complex particle stabilized emulsions compared to control FO, FP- and PS80- stabilized emulsions, respectively. This study could open a promising pathway for producing natural and surfactant-free emulsions through Pickering stabilization using plant-based biopolymer particles for protecting and delivery of lipophilic bioactive components. These emulsions are also applicable for designing functional foods with controlled lipid digestion to increase satiety and to reduce the incidence of obesity. Key Words Pickering emulsion, complex nanoparticles, Flaxseed protein, Flaxseed mucilage, Flaxseed oil
اخیراً امولسیون های پیکرینگ روغن در آب محبوبیت قابل توجهی برای انتقال موثر ترکیبات لیپیدی زیست فعال به مواد غذایی که فاز پیوسته آن ها آبدوست است، کسب کرده اند. این امولسیون ها فاقد امولسیفایرهای سنتزی می باشند و با استفاده از ذرات جامد کلوئیدی پایدار شده اند که به دلیل خصوصیات منحصر به فردشان همچون پایداری بسیار بالاتر نسبت به الحاق قطرات روغن و دو فاز شدن به دلیل جذب سطحی برگشت ناپذیر ذرات در سطح تماس دو فاز، جایگزین مناسبی برای امولسیفایرهای با وزن مولکولی پایین هستند. استفاده از ذرات خوراکی به دلیل عدم سمیت، زیست تخریب پذیری و همچنین امکان استفاده در محصولات غذایی بدون ایجاد عوارض ناشی از امولسیفایرهای سنتزی مورد توجه قرار گرفته است. هدف از این مطالعه تولید امولسیون پیکرینگ روغن بزرک در آب پایدار شده با ذرات کمپلکس و گیاهی پروتئین و جزء محلول در آب موسیلاژ بزرک با پایداری مناسب برای ورود به صنعت غذا می باشد. روغن بزرک از جمله ترکیبات فراسودمند است که به دلیل نامحلول بودن در آب و حساسیت شدید به اکسیداسیون امکان غنی سازی محصولات غذایی با آن محدود است. خصوصیات موسیلاژ بزرک استخراج شده به وسیله ی رزونانس مغناطیسی هسته ای پروتون و کربن (1-D 1 H and 13 C NMR) و محتوای پروتئین بزرک استخراج شده توسط روش الکتروفورز (SDS-PAGE) مورد بررسی قرار گرفت. اثر pH، غلظت کلی و نسبت پروتئین به موسیلاژ بر روی تشکیل و خصوصیات ذرات کمپلکس با استفاده از روش های پراکنش نور، اندازه گیری بار سطحی و کدورت سنجی بررسی شد. ذرات کمپلکس انتخاب شده در3 = pH، با نسبت پروتئین به موسیلاژ 50 به 50 و با غلظت کلی 45/0 % وزنی به وزنی دارای بار الکتریکی منفی با پتانسیل زتای 3/22- میلی ولت و اندازه ی 369 نانومتر با شاخص بس پاشیدگی 31/0 بودکه تضمین کننده پایداری فیزیکی مناسب می باشد. تغییرات کشش بین سطحی و طیف سنجی مادون قرمز فوریه پروتئین و موسیلاژ بزرک قبل و بعد از کمپلکس شدن مورد بررسی قرار گرفتند. ذرات کمپلکس انتخاب شده همچنین دارای زاویه تماس 67 درجه بودند که برای پایدار کردن امولسیون های پیکرینگ روغن در آب مناسب است. نانوذرات بهینه با غلظت کلی 45/0 % وزنی-وزنی برای پایدار کردن امولسیون روغن بزرک در آب با مقادیر مختلف روغن (1، 5/2 و 5% وزنی-حجمی) مورد استفاده قرار گرفتند. اندازه ی قطرات در طی 28 روز نگهداری و پایداری به خامه ای شدن امولسیون ها مورد بررسی قرار گرفتند. امولسیون پیکرینگ حاوی 5/2% وزنی-حجمی روغن بزرک به دلیل اندازه ی اولیه ی کوچک تر قطرات (8 میکرون) و سرعت خامه ای شدن پایین تر (9/2 میکرومتر بر ثانیه) به عنوان فرمول بهینه انتخاب شد. به منظور مقایسه امولسیون پایدار شده با پلی سربات 80 به عنوان امولسیون معمولی در شرایط یکسان تهیه شد. میکروساختار امولسیون پیکرینگ با استفاده از Cryo-SEM و میکروسکوپ کنفوکال مورد بررسی قرار گرفت و نشان داده شد که لایه ی ضخیم ایجاد شده از ذرات کمپلکس جذب شده در سطح قطرات روغن مسئول ایجاد پایداری می باشند. امولسیون روغن بزرک پایدارشده با ذرات کمپلکس پایداری نسبتاً مناسبی بدون نشانه هایی از جدا شدن روغن و دو فاز شدن در طول 28 روز زمان نگهداری در دمای محیط و در برابر استرس های محیطی شامل دامنه ی وسیعی از pH (2-9)، غلظت نمک (0 تا 500 میلی مولار) و حرارت C) ° 40 ، 60 و 80 به مدت 30 دقیقه) از خود نشان دادند. اندازه گیری شاخص پراکسید و شاخص تیوباربیتوریک اسید امولسیون ها طی 28 روز نگهداری در دمایC ° 4 و 50 افزایش شدت اکسیداسیون با افزایش دما و افزایش مدت زمان نگهداری را نشان داد. ذرات کمپلکس به عنوان امولسیفایرهای پیکرینگ در کاهش اکسیداسیون روغن بزرک موفق عمل کردند. اثر ذرات کمپلکس بر روی هضم روغن بزرک در دستگاه گوارش نیز مورد بررسی قرار گرفت. هضم لیپیدها و رهایش اسید های چرب آزاد پس از عبور از مراحل شبیه سازی شده دهان معده و روده در امولسیون پیکرینگ به ترتیب نسبت به روغن بزرک شاهد، امولسیون پایدار شده با پروتئین تنها وامولسیون پایدار شده با پلی سربات 80، کندتر رخ داد. این مطالعه می تواند راه را برای تولید امولسیون های طبیعی و فاقد امولسیفایر سنتزی پایدارشده با ذرات زیست پلیمرهای گیاهی برای محافظت و انتقال ترکیبات زیست فعال چربی دوست، مساعد سازد. این امولسیون ها همچنین می توانند برای طراحی محصولات غذایی فراسودمند با هضم چربی کنترل شده به منظور افزایش احساس سیرایی و کاهش احتمال وقوع چاقی مورد استفاده قرار بگیرند. کلمات کلیدی :امولسیون پیکرینگ، نانوذرات کمپلکس، پروتئین بزرک، موسیلاژ بزرک، روغن بزرک